基于核心素養(yǎng)發(fā)展的初中化學(xué)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)實踐

薛磊 王偉群

摘要： 隨著《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》出臺，旨在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的課程改革進入了深化階段，明確提出了進行跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)（實踐）活動的要求。選取初中化學(xué)（滬教版）中有關(guān)“金屬的冶煉與應(yīng)用”內(nèi)容，以“從人類社會發(fā)展看金屬的冶煉與應(yīng)用”為主題，分析義務(wù)教育階段化學(xué)課程與歷史課程相關(guān)內(nèi)容，尋找兩者在核心素養(yǎng)要求方面的融合點，探索跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的實踐路徑。

關(guān)鍵詞： 初中化學(xué)； 核心素養(yǎng)； 跨學(xué)科； 教學(xué)設(shè)計

文章編號： 10056629（2023）07005206

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

1 問題提出

隨著《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》出臺，以聚焦培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，體現(xiàn)正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力的義務(wù)教育教學(xué)改革進入深化階段。課程的綜合化、實踐化是本次課程方案修訂的一個重要內(nèi)容，要求教學(xué)中“注重真實情境的創(chuàng)設(shè)，增強學(xué)生認識真實世界、解決真實問題的能力”［1］。

學(xué)生遇到的真實問題往往比較復(fù)雜，大部分情況下無法用單一的學(xué)科觀點來理解或解決，需要運用兩個或更多的學(xué)科知識，采用多種思維方式、研究方法來解決綜合性的問題［2］?？鐚W(xué)科主題學(xué)習(xí)是指為培養(yǎng)跨學(xué)科素養(yǎng)而整合兩種及兩種以上學(xué)科內(nèi)容開展學(xué)習(xí)的教學(xué)活動，具有綜合性、實踐性、探究性、開放性、操作性等特點［3］?？梢?，在初中化學(xué)教學(xué)中選擇合適的情境素材，將其他學(xué)科的內(nèi)容融入教學(xué)活動中，開展以促進學(xué)生掌握并運用學(xué)科觀念，助力學(xué)生解決實際問題能力提升的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)是教學(xué)改革的必然趨勢。

跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)，不應(yīng)停留在各學(xué)科知識內(nèi)容的簡單堆積，而在于落實學(xué)科素養(yǎng)的內(nèi)在融合。對待同一個問題，盡管不同學(xué)科會從各自角度進行探討研究，但其在學(xué)科素養(yǎng)方面卻具有高度統(tǒng)一性。如歷史學(xué)科核心素養(yǎng)為“唯物史觀”“時空觀念”“史料實證”“歷史解釋”“家國情懷”五個方面，與化學(xué)科學(xué)素養(yǎng)的“化學(xué)觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究與實驗”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”存在相應(yīng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，如圖1所示。鑒于此，研究選取滬教版《九年級化學(xué)（上）》第五章有關(guān)“金屬的冶煉與應(yīng)用”相關(guān)內(nèi)容，將人類社會發(fā)展過程中有關(guān)我國古代勞動人民冶金技術(shù)的史實融入教學(xué)活動，探索初中化學(xué)與歷史的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的實踐路徑。

2 教學(xué)內(nèi)容分析

對義務(wù)教育階段化學(xué)學(xué)科與歷史學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)教學(xué)內(nèi)容進行分析，能夠發(fā)現(xiàn)兩者之間存在緊密聯(lián)系，如表1所示。將“金屬冶煉的需求及工藝發(fā)展歷程”作為引線，進行“人文科學(xué)角度理解人類社會的演進”與“自然科學(xué)角度理解科學(xué)技術(shù)發(fā)展的進程”結(jié)合的跨學(xué)科教學(xué)具有良好的可操作性。

3 教學(xué)目標(biāo)

（1） 結(jié)合有關(guān)考古事實的記載與金屬性質(zhì)的了解，對人類早期發(fā)現(xiàn)與利用金屬材料進行合理推測，發(fā)展對物質(zhì)世界的好奇心、想象力與探究欲。

（2） 利用考古文獻記錄推測并模擬古代火法煉銅，探究古代冶煉金屬的原理，并進行基于實驗事實的證據(jù)推理，認識勞動在人類社會發(fā)展中的重要作用，增強民族自豪感。

（3） 通過對比、歸納、整理等活動，體會外界環(huán)境及反應(yīng)條件對物質(zhì)變化的影響，初步形成條件控制意識，初步樹立資源循環(huán)使用、綠色環(huán)保的發(fā)展理念。

4 教學(xué)思路

本節(jié)課圍繞金屬的冶煉，以“從人類社會發(fā)展看金屬的冶煉與應(yīng)用”為主題，按照如圖2所示的教學(xué)思路將整個學(xué)習(xí)過程分為四個環(huán)節(jié)：從金屬應(yīng)用認識金屬冶煉的意義、從物質(zhì)轉(zhuǎn)化認識金屬冶煉的原理、從反應(yīng)條件認識金屬冶煉的工藝、從社會進步認識金屬冶煉的發(fā)展。教學(xué)環(huán)節(jié)內(nèi)在邏輯為“我們?yōu)槭裁匆睙挘ń饘僖睙挼囊饬x）”“我們可以從哪里獲得金屬（金屬冶煉的原理）”“我們可以怎樣獲得金屬（金屬冶煉的工藝）”，“我們?nèi)绾卫斫饪萍及l(fā)展史（金屬冶煉的發(fā)展）”。

5 教學(xué)流程

環(huán)節(jié)1：從工具使用認識金屬冶煉的意義

［情境創(chuàng)設(shè)］約公元前4600年，我國開始冶煉銅。

［問題1］請同學(xué)們根據(jù)金屬的性質(zhì)進行合理推測，原始人類有可能是怎樣發(fā)現(xiàn)第一塊金屬銅的？

［學(xué)生回答］可能是因為金屬銅具有的顏色與其他石材不同，也可能是金屬銅敲打后不是碎裂而是形變吸引他們。

［追問］你認為，早期的人類會將這些天然存在的金屬加工成什么？

［學(xué)生回答］把它加工成小飾品，也可能是小刀片……說不準(zhǔn)。

［小結(jié)］金屬的無意發(fā)現(xiàn)是人類歷史發(fā)展進程中的一個偶然事件，但人類對金屬的認識從外觀到內(nèi)在、從表層到深入?yún)s是一個必然的過程，最終導(dǎo)致人類的生產(chǎn)工具發(fā)生變化。

設(shè)計意圖： 歷史學(xué)是在一定的歷史觀指導(dǎo)下敘述和闡釋人類歷史進程的學(xué)科［6］。義務(wù)教育階段要求學(xué)生能夠根據(jù)真實可靠的史料進行解讀，客觀、正確地認識歷史。教師通過引導(dǎo)學(xué)生對早期人類“發(fā)現(xiàn)銅”和“加工銅”作合理推測：一方面，學(xué)生思考金屬材料比天然石材具備更優(yōu)良的性能以及提高農(nóng)業(yè)耕作的生產(chǎn)力的原因，增進學(xué)生對于“物質(zhì)性質(zhì)決定物質(zhì)用途”的化學(xué)觀念的理解；另一方面，通過金屬材料的應(yīng)用引發(fā)生產(chǎn)工具的變革，幫助學(xué)生對“勞動在推動人類社會發(fā)展中的重要作用”的唯物史觀的建立。

環(huán)節(jié)2：從物質(zhì)轉(zhuǎn)化認識金屬冶煉的原理

［情境創(chuàng)設(shè)］根據(jù)20世紀70年代的考古發(fā)現(xiàn)，我國湖北大冶銅綠山古銅礦新石器時期的炊火遺跡中有銅珠這一事實。

［問題2］根據(jù)現(xiàn)有考古證據(jù)與化學(xué)知識，我們能否推測出古人是如何將銅綠山附近的土轉(zhuǎn)化為銅的？

［學(xué)生討論］由于是在炊火遺跡中發(fā)現(xiàn)銅，推測反應(yīng)條件應(yīng)該是加熱或高溫，而銅綠山附近的土含有堿式碳酸銅，受熱分解能夠產(chǎn)生氧化銅。

［設(shè)問］滿足這些條件，堿式碳酸銅能轉(zhuǎn)變?yōu)殂~嗎？我們不妨做一個實驗看一看。

［小組實驗1］將一定量的木炭粉與氧化銅粉末混合后，放入試管中加熱，裝置如圖3所示。各小組學(xué)生通過實驗發(fā)現(xiàn)，加熱固體一段時間后，澄清石灰水變渾濁，冷卻后發(fā)現(xiàn)試管內(nèi)的黑色粉末變?yōu)榧t色固體。

［學(xué)生討論］澄清石灰水變渾濁，說明有二氧化碳生成。紅色固體具有金屬光澤，說明有銅產(chǎn)生。因此能夠初步推斷出加熱情況下，木炭能與氧化銅反應(yīng)生成銅和二氧化碳。

［展示］《天工開物》等古籍中有關(guān)火煉法冶煉金屬的記載。

［小結(jié)］古代金屬冶煉大部分均利用礦物與木炭混合加熱的方法進行冶煉，這也是符合當(dāng)時科技發(fā)展的實際情況的。從現(xiàn)代化學(xué)角度來看，這些冶煉方法都是在高溫條件下，利用碳、一氧化碳、氫氣等物質(zhì)將金屬氧化物中的氧元素奪去，形成金屬單質(zhì)和對應(yīng)的氧化物（CO、 CO2或H2O），我們稱為“熱還原法”。

［問題3］人類最早冶煉金屬的歷史年代，如表2所示。請你推測一下，為什么銅器大量使用的時期早于黃金、鐵器？

［學(xué)生討論］銅的冶煉年代比金早，可能是因為在地殼中金的含量遠比銅要小，所以很難被發(fā)現(xiàn)并使用。鐵的冶煉年代比銅晚，可能是因為銅的熔點比鐵的熔點低，容易冶煉和鑄造；銅的含量遠比金的含量高，容易大量獲取礦石；金屬銅的化學(xué)性質(zhì)比鐵穩(wěn)定，冶煉難度比鐵低等。

［追問］為什么說熔點低的金屬容易冶煉？

［學(xué)生討論］金屬熔化后能夠從原來的混合物中流出來，熔點低的金屬就容易與其他雜質(zhì)分離。

設(shè)計意圖： 借用“炊火遺跡發(fā)現(xiàn)金屬銅”這一考古發(fā)現(xiàn)，引發(fā)學(xué)生對金屬礦物轉(zhuǎn)化為金屬的方法思考；利用古籍中有關(guān)金屬火煉法的記載并通過實驗?zāi)M火法煉銅，使學(xué)生感受到古代勞動人民冶煉金屬的智慧和不易。通過對物質(zhì)元素組成的分析探討物質(zhì)轉(zhuǎn)化的方式，引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)本質(zhì)層面理解金屬冶煉原理。同時，引導(dǎo)學(xué)生對金屬冶煉年代的先后順序的思考，使他們理解實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化是一個多因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)，受到金屬性質(zhì)、地理分布、客觀需求等條件的影響或制約。

環(huán)節(jié)3：從反應(yīng)條件認識金屬冶煉的工藝

［情境創(chuàng)設(shè)］青銅冶煉技術(shù)的發(fā)展，冶煉金屬的爐溫得到了提高。春秋戰(zhàn)國時期，人們在冶煉銅的過程中發(fā)現(xiàn)了鐵，從而使煉鐵成為了可能。煉鐵技術(shù)由塊煉法轉(zhuǎn)變?yōu)槿蹮挿ǎF制農(nóng)具使用范圍的擴大，使得社會生產(chǎn)力顯著提高，我國從而進入了鐵器時代。

［問題4］從煉銅到煉鐵，關(guān)鍵技術(shù)是爐溫提高。請大家思考一下，我們可以通過哪些方式提高爐溫、依據(jù)是什么？

［學(xué)生討論］可以改用熱值更高的燃料，使等量燃料完全燃燒時釋放的熱量更多；可以增加空氣（氧氣）的量或者增大反應(yīng)物之間的接觸面積，有利于燃料的完全燃燒；可以通過密封或隔熱等方式減少反應(yīng)過程中熱量的散失。

［講解］結(jié)合圖片資料的展示對學(xué)生提出的方案作了肯定：（1）進風(fēng)系統(tǒng)改進：西漢時期，我國已使用皮橐作為鼓風(fēng)工具，之后出現(xiàn)水排等；（2）燃料種類改變：五代時期開始使用煤（石炭），明朝時期已開始使用焦炭作為熔爐煉鐵的燃料；（3）通過粉碎礦石與燃料，并且相互混合，增大反應(yīng)物接觸面積；（4）高爐中密封體系的實現(xiàn)以及隔熱材料的應(yīng)用等；（5）現(xiàn)代高爐中使用的空氣為熱空氣。

［問題5］現(xiàn)代高爐煉鐵是在古代煉鐵高爐的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的。請思考原料中的焦炭作用有哪些？

［學(xué)生討論］焦炭是可燃物，點燃后能與空氣中的氧氣反應(yīng)釋放出大量的熱，為高爐煉鐵提供高溫條件；在高溫條件下，焦炭能夠與二氧化碳化合形成一氧化碳，一氧化碳是還原劑，能夠奪取鐵的氧化物中的氧元素；高爐冶煉出的產(chǎn)品是生鐵，生鐵中碳元素的含量是焦炭提供的。

［追問］焦炭和一氧化碳都是還原劑，為什么生鐵冶煉原理主要是一氧化碳與鐵的氧化物反應(yīng)而不是焦炭直接與鐵的氧化物反應(yīng)？

［學(xué)生討論］焦炭是固體，一氧化碳是氣體，氣體和固體之間的接觸面積要比固體和固體之間的接觸面積大，反應(yīng)更加容易且充分。

［追問］一氧化碳作為冶煉金屬的還原劑，為什么需要通過兩步反應(yīng)產(chǎn)生，而不是直接由碳和氧氣直接化合而得？

［學(xué)生討論］高爐煉鐵需要高溫，而碳和氧氣反應(yīng)生成一氧化碳，是碳的不完全燃燒，燃燒速度慢，釋放熱量少。同時，從高爐示意圖上可知，焦炭燃燒部位附近有大量熱空氣通入，屬于氧氣充足的富氧狀態(tài)，發(fā)生的是完全燃燒。

設(shè)計意圖：通過引發(fā)學(xué)生思考并解決“如何提高爐溫”這一問題，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)反應(yīng)條件的角度思考如何控制化學(xué)反應(yīng)，增強學(xué)生利用化學(xué)知識解決實際問題的意識，提高學(xué)生從化學(xué)學(xué)科的角度對金屬冶煉技術(shù)發(fā)展的認識與理解。結(jié)合歷史資料的呈現(xiàn)和閱覽，使學(xué)生能在特定時空條件下考查歷史和理解歷史，增進對廣大勞動人民在勞動中積累經(jīng)驗、創(chuàng)造價值的認同。

環(huán)節(jié)4：從社會進步認識金屬冶煉的發(fā)展

［情境創(chuàng)設(shè)］隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，現(xiàn)代高爐煉鐵不但需要考慮經(jīng)濟效益，更需要兼顧環(huán)境效益。我國研究與應(yīng)用高爐大數(shù)據(jù)，推動智能煉鐵技術(shù)的發(fā)展。

［問題6］對照分析古代高爐與現(xiàn)代高爐的裝置構(gòu)造（如圖4）、投料方式以及產(chǎn)物種類等，思考現(xiàn)代高爐煉鐵工業(yè)如何實現(xiàn)兼顧經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的高質(zhì)量生產(chǎn)模式。

［學(xué)生討論］爐身提高使得原料投放量增多，生鐵的日生產(chǎn)量也相應(yīng)得到提高；投料方式由堆放法改為頂部添加，固體下落過程中與上升的熱氣流相遇能夠使得反應(yīng)物之間充分接觸；生鐵取出方式由砸爐取鐵改為開閘放鐵，不但能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，而且能夠節(jié)約能源與資源；高爐煤氣和爐渣由直接排放改為回收利用，能夠充分利用資源與能源等。

［小結(jié)］在現(xiàn)代工業(yè)中，經(jīng)濟效益與環(huán)境效益同等重要?，F(xiàn)代社會的進步，微觀技術(shù)的突破以及大數(shù)據(jù)的發(fā)展，讓我們的冶煉金屬工藝愈加綠色環(huán)保、節(jié)能高效。

設(shè)計意圖： 人類社會的進步推動科學(xué)技術(shù)的革新，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展同時也對人類社會的發(fā)展提供更大的推力。在現(xiàn)代社會中，在生產(chǎn)過程中對于“環(huán)境問題”“資源問題”等方面的考慮是不可回避的。通過古今高爐煉鐵工藝對比，利用實際問題的分析過程增強學(xué)生的時代責(zé)任感、歷史使命感與民族自豪感。

6 教學(xué)效果與反思

以“從人類歷史發(fā)展角度看金屬的冶煉”為主題的跨學(xué)科學(xué)習(xí)，借助文獻及史實創(chuàng)設(shè)的歷史情境拉近學(xué)生與科學(xué)和歷史之間的距離，幫助學(xué)生從學(xué)科本原上理解學(xué)科知識，將學(xué)科知識與生活、社會融合而進行意義建構(gòu)，通過真實情境下的問題思考，促進學(xué)生學(xué)科知識的遷移與應(yīng)用，提升思維的廣度與深度，從而達到知識的結(jié)構(gòu)化、立體化、素養(yǎng)化。

6.1 依托冶金考古發(fā)現(xiàn)，增強證據(jù)推理意識

無論是化學(xué)學(xué)習(xí)，還是歷史研究，學(xué)生均需具備重證據(jù)的意識，能夠基于可信事實或證據(jù)以驗證猜想、假設(shè)是否合目的合規(guī)律的事實性材料、原理性知識、學(xué)科性觀念等［7］。通過創(chuàng)設(shè)沉浸式的歷史場景，以“根據(jù)湖北大冶銅綠山附近發(fā)現(xiàn)銅珠推測古代冶煉銅的方式”等問題，引發(fā)學(xué)生結(jié)合當(dāng)時人類社會發(fā)展水平以及附近環(huán)境條件等因素進行思考，推測出冶煉的原料及反應(yīng)條件等，并且通過模擬實驗收集的證據(jù)來對推測進行驗證。學(xué)生在實際問題的解決過程中，真正感受到科學(xué)探究中的“假設(shè)”并不是毫無根據(jù)的猜測，而是基于證據(jù)的科學(xué)推測。

6.2 借助可信史料文獻，完善概念認知結(jié)構(gòu)

史料是認識歷史進程的主要依據(jù)，也是了解科學(xué)技術(shù)的重要載體。在教學(xué)活動中，學(xué)生通過對真實可信的史料文獻進行學(xué)科性的解碼加工，并運用比較、分類、分析、綜合、歸納等科學(xué)分析手段將各信息片段建立邏輯聯(lián)結(jié)，從而達到理解文本信息的目的［8］。該跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)中分別安排了“人類使用金屬的歷史年代”和“古今煉鐵高爐示意圖”分析的學(xué)生活動，不但能夠引導(dǎo)學(xué)生基于事實與邏輯進行獨立思考，對不同信息、觀點與結(jié)論進行質(zhì)疑和判斷，而且能提高學(xué)生對于史料的識讀能力，對在特定的歷史背景下的對事物的認識作出客觀評價。通過突破學(xué)科壁壘為學(xué)生提供一個嶄新視角認識“物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用（化學(xué)學(xué)科）”與“社會變革（歷史學(xué)科）”這兩個大概念，完善跨學(xué)科概念的認知結(jié)構(gòu)。

6.3 結(jié)合歷史發(fā)展進程，理解科學(xué)發(fā)展路徑

任何事物都是在特定的、具體的時間和空間條件下存在的，只有在特定的時空框架中，才可能對史實有準(zhǔn)確的理解［9］。英國惠威爾曾提出“科學(xué)史教育可以有效地融合人文科學(xué)和自然科學(xué)”［10］?！敖饘俚囊睙捙c應(yīng)用的歷史發(fā)展”不僅讓學(xué)生體會人類認識物質(zhì)、利用物質(zhì)以及創(chuàng)造物質(zhì)的歷程，感受材料應(yīng)用過程中經(jīng)歷“從無到有”“從有到精”“從精到新”這幾個階段，更能理解科學(xué)研究所經(jīng)歷的“觀察思考”“實驗論證”“理論研究”“突破創(chuàng)新”等關(guān)鍵步驟。學(xué)生從人類社會發(fā)展進程的角度認識到歷史偶然性與必然性之間的聯(lián)系，增進對廣大勞動人民是物質(zhì)生成的主要承擔(dān)者和歷史的創(chuàng)造者的歷史唯物觀的理解。

6.4 拓展學(xué)科理解視野，賦能師生共同成長

學(xué)生接觸跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)時，明顯感受到與“分科教學(xué)”的不同：在問題解決的過程中需要融合多學(xué)科知識，適時切換學(xué)科視角，綜合運用多種學(xué)科的核心知識、學(xué)科觀念、思維方式等。如課堂中對于“博物館中有較多青銅禮器和兵器收藏”討論中，很多學(xué)生從化學(xué)角度考慮容易得出“青銅耐腐蝕，比鐵器等耐腐蝕”的結(jié)論，而也有學(xué)生從歷史學(xué)科角度回答“國之大事，在祀與戎”。在這個意義上來看，跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)能夠培養(yǎng)學(xué)生多視角觀察和思考問題的品質(zhì)。同時跨學(xué)科主題教學(xué)對于教師也提出了新的要求：主題內(nèi)容的確立與設(shè)計、教學(xué)活動的組織與進行、學(xué)生表現(xiàn)的反饋與評價等環(huán)節(jié)，都需要教師能夠真正提高認識，加強對學(xué)習(xí)課程標(biāo)準(zhǔn)的理解，深入了解學(xué)生背景，及時更新教育理念，主動開發(fā)教育資源。在課程開發(fā)的過程中，通過單學(xué)科及多學(xué)科等多種形式的教研活動的開展，提升教師對課程資源的整合力、開發(fā)力和創(chuàng)造力，不斷提高教師的業(yè)務(wù)能力與專業(yè)素養(yǎng)。

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