化學(xué)跨學(xué)科實踐的實施流程與教學(xué)策略

周莉敏 凌一洲

摘要：? 跨學(xué)科實踐是實現(xiàn)課程綜合化、實踐化的重要舉措。以“供氧器的制作”為例，圍繞如何選擇過氧化氫溶液的濃度和體積、如何確定混合方式和混合氣體的濃度、如何控制混合氣的流速三個核心問題開展探究實踐，提出“啟動任務(wù)”“形成方案”“優(yōu)化方案”“成果展示”四個基本流程，以及“問題變換”“范例啟發(fā)”“思維設(shè)計”三種教學(xué)策略。通過開放性的實踐活動以及多元化的成果展示，凝練出可借鑒的具有泛科學(xué)性的實踐流程與策略，以期為推進(jìn)跨學(xué)科實踐活動的高質(zhì)量開展，提供理論與實踐參考。

關(guān)鍵詞：? 跨學(xué)科實踐； 供氧器制作； 實施流程； 教學(xué)策略

文章編號： 1005-6629（2024）05-0036-06

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 引言

跨學(xué)科實踐是基于某一學(xué)科的跨界學(xué)習(xí)，需要學(xué)生在分工合作過程中，運用多學(xué)科知識共同完成任務(wù)。相比于一般的綜合實踐，跨學(xué)科實踐活動具有情境性、開放性和真實性等特點［1］，同時具備目的性、計劃性，需要教師采取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，助推學(xué)生調(diào)動多學(xué)科知識，解決現(xiàn)實生活中較為復(fù)雜的任務(wù)或問題。

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》注重發(fā)揮協(xié)同育人的理念，提出跨學(xué)科實踐活動所用課時不少于本學(xué)科總課時數(shù)的10%［2］，并給出10個具有代表性的活動案例，“基于特定需求設(shè)計和制作簡易供氧器”就是其中之一。張虹利［3］、高凌蕊［4］、陳思滔［5］等開展了關(guān)于“供氧器制作”的探究，通過展示真實的供氧器產(chǎn)品（氧立得），給學(xué)生直觀的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生設(shè)計的靈感。黃萬沙［6］、孔志剛［7］、孫興華［8］、王雨［9］等分別從任務(wù)驅(qū)動、教學(xué)評價、教學(xué)內(nèi)容、情境創(chuàng)設(shè)等視角提出教學(xué)策略。已有研究側(cè)重于對產(chǎn)品原理、裝置結(jié)構(gòu)、制作產(chǎn)品的評估，尚缺乏基于學(xué)生視角對制作過程的討論，未涉及具體的、系統(tǒng)化的跨學(xué)科實踐教學(xué)策略。本文結(jié)合供氧器的制作過程，基于學(xué)生視角提出“啟動任務(wù)”“形成方案”“優(yōu)化方案”“成果展示”四個基本流程，以及“問題變換”“范例啟發(fā)”“思維設(shè)計”三種跨學(xué)科實踐策略，以期為一線教師開展化學(xué)跨學(xué)科實踐活動提供具體的教學(xué)策略參考。

2? 跨學(xué)科實踐的實施流程

有效的跨學(xué)科教學(xué)活動要圍繞具體目標(biāo)而展開，同時需要關(guān)注活動為學(xué)生帶來的學(xué)習(xí)體驗、學(xué)習(xí)成果以及能力培養(yǎng)。本次跨學(xué)科教學(xué)活動的目標(biāo)如下：

（1） 綜合運用化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)等多學(xué)科知識，制作簡易的操作性強(qiáng)的家用供氧器，在實踐活動中體會系統(tǒng)思維的意義。

（2） 在實踐活動中不斷總結(jié)反思方案中存在的問題，并嘗試用多種方法解決，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)精神。

（3） 積極參與小組合作，靈活調(diào)用生活中常見的材料進(jìn)行裝置設(shè)計，在問題解決過程中逐步形成自主、合作、探究的能力。

本研究以“供氧器的制作”為主題，采用學(xué)生自愿與自主相結(jié)合的方式組成若干活動小組，下面選擇有代表性的三個組（每組5人）予以詳細(xì)闡述。三個小組共同經(jīng)歷了啟動任務(wù)、形成方案、優(yōu)化方案、成果展示四個環(huán)節(jié)，各組的實踐方案特點、優(yōu)化過程及操作說明如表1所示。

2.1? 啟動任務(wù)

在啟動任務(wù)環(huán)節(jié)，教師簡單介紹目前市場上所售制氧機(jī)的制氧原理（主要以空氣為原料，通過運用分子篩對空氣進(jìn)行層層過濾的方式獲取氧氣，并非化學(xué)制氧），提出本次活動要求采用化學(xué)制氧的方式，所制氧氣可用于各種人群的氧療與氧保健。學(xué)生反饋的化學(xué)原理中主要有兩種：過氧化氫制氧和高錳酸鉀制氧。經(jīng)討論，學(xué)生一致認(rèn)為高錳酸鉀是一種強(qiáng)氧化劑，家庭中不易獲得，且加熱制氧存在較大風(fēng)險，最終選擇過氧化氫分解制氧法。確定制氧方法后，教師引導(dǎo)學(xué)生以“孕婦缺氧”為情境，將用戶的需求進(jìn)一步具體化。學(xué)生通過查閱資料，明確適合孕婦的吸氧濃度為27%～29%，流速為1～2L/min，每次吸氧的時間在20分鐘左右。

明確制氧方法和用戶需求后，各組主要圍繞“如何選擇過氧化氫溶液濃度和體積”“如何確定混合方式和混合氣體的濃度”“如何控制混合氣的流速”三個核心問題展開。為了幫助學(xué)生突破核心問題，教師通過問題變換等教學(xué)策略，在恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思考。其中，與核心問題１相關(guān)的子問題主要包括：（1）不同濃度的過氧化氫溶液，制氧效果如何？（2）是否可以采用其他催化劑？（3）如何根據(jù)所需氧氣流速、時間，確定過氧化氫溶液體積？與核心問題２相關(guān)的子問題主要包括：（1）采用何種方式收集產(chǎn)生的氧氣？（2）氣體的發(fā)生、收集以及排出裝置是一體化設(shè)計，還是分開設(shè)計？（3）如何保證混合氣的濃度，有效百分含量是多少？與核心問題３相關(guān)的子問題主要包括：（1）選用何種裝置或方式促進(jìn)混合氣的排出？（2）如何保證混合氣以穩(wěn)定流速排出？

2.2? 形成方案

在形成方案階段，各組在解決核心問題1有關(guān)反應(yīng)速率問題時，選擇了不同的自變量進(jìn)行探究。A組選擇的自變量為過氧化氫溶液的濃度，在保證二氧化錳質(zhì)量（均為3g）、過氧化氫溶液體積（均為120mL）及其他條件相同情況下，經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)濃度為3%的過氧化氫溶液，速率適合，更易收集；B組選擇的自變量為催化劑的質(zhì)量，小組成員通過實驗發(fā)現(xiàn)，二氧化錳的用量能夠影響反應(yīng)速率，當(dāng)二氧化錳的用量較少時，增加二氧化錳的用量可以加快反應(yīng)速率。如果持續(xù)增加用量，速率變化不再明顯；C組選擇的自變量為催化劑的種類，小組成員通過實驗發(fā)現(xiàn)，也可運用動物肝臟研磨液替代二氧化錳加快反應(yīng)的進(jìn)行。

2.3? 優(yōu)化方案

在優(yōu)化方案階段，各組均進(jìn)一步對核心問題2有關(guān)氣體的混合方式進(jìn)行分析。A組在初始方案中，采用直接在含空氣的硬質(zhì)水桶中收集氧氣的方式。經(jīng)過改進(jìn)，將收集方法優(yōu)化為用排水法收集一定體積的純氧的方式；B組將在軟質(zhì)自封袋中同步鼓入純氧和空氣的方式優(yōu)化為異步操作，通過同一打氣筒向自封袋中鼓入空氣；C組拆除了在自封袋中收集氧氣的裝置，將其優(yōu)化為將純氧導(dǎo)出后與呼吸面罩連接的方式。

在解決核心問題2有關(guān)混合后氣體濃度問題時，各組都進(jìn)行了定量分析。A組首先確定所需純氧的體積，然后將純氧與空氣混合。通入純氧的體積由硬質(zhì)水桶的容積決定，存儲裝置的容積為20L，需要先用排水法收集約1.8L的純氧，可控制混合氣濃度為適宜值；B組在軟質(zhì)自封袋混合氧氣和空氣，為了控制混合氣濃度為適宜值，氧氣和空氣的體積比需要控制約為1∶7；C組采用收集與排出裝置一體化的設(shè)計方式，小組成員需要結(jié)合用戶單次吸氧所需的時間、流速、濃度，計算所需純氧的體積，從而確定3%過氧化氫溶液的體積。

2.4? 成果展示

在成果展示階段，教師引導(dǎo)學(xué)生從裝置的功能、原理、創(chuàng)新點和未來改進(jìn)方向四個方面進(jìn)行匯報，裝置的功能可通過實物和實驗視頻來展示，裝置的原理可結(jié)合方案圖講解。學(xué)生全面展示作品成果后，教師對各組在解決核心問題時的不同表現(xiàn)進(jìn)行評價，并通過提問的形式，引導(dǎo)學(xué)生開展組間交流。比如在解決核心問題3有關(guān)混合氣的排出時，A組和B組雖然都借助外界壓強(qiáng)促使混合氣的排出，但操作方式不同。A組通過注入自來水排出混合氣，B組通過用手?jǐn)D壓自封袋促使混合氣排出，C組利用反應(yīng)自然產(chǎn)生的壓強(qiáng)推動氣體排出，學(xué)生在展示匯報時，逐步呈現(xiàn)方案的細(xì)化與優(yōu)化過程。各組的初始、優(yōu)化方案如圖1所示。

3? 跨學(xué)科實踐的教學(xué)策略

教師可以采用“問題變換”“范例啟發(fā)”“思維設(shè)計”等策略激發(fā)學(xué)生的靈感，助推實踐活動的順利開展。本文以“供氧器的制作”為例，具體闡述三種教學(xué)策略的含義，以及在跨學(xué)科實踐中的運用。

3.1? 問題變換

供氧器的制作是一項具有較強(qiáng)綜合性和開放性的跨學(xué)科實踐活動，因此在解決問題的過程中需要學(xué)生整合化學(xué)、物理、工程學(xué)等多學(xué)科知識。問題變換不只是在相同情境下的簡單變換，而是需要教師提供跨學(xué)科支持，運用明晰問題、探討提問、提供思路等方式助推學(xué)生進(jìn)行問題變換，逐步解決來源于外部需求或內(nèi)部生成的問題。問題變換的主體是學(xué)生，目的是實現(xiàn)從情境問題到學(xué)科問題的轉(zhuǎn)化，在實踐中提高科學(xué)思維能力。在各組啟動或優(yōu)化方案階段，學(xué)生提出的問題相對龐雜、抽象。運用問題變換的教學(xué)策略，可幫助學(xué)生將復(fù)雜情境的問題逐步變換成學(xué)科問題，實現(xiàn)從抽象到具體、從龐雜到簡約、從定性到定量的認(rèn)知轉(zhuǎn)變。

第一，從抽象到具體。在A組優(yōu)化方案階段，學(xué)生提出“制得的氧氣是否可以直接給孕婦使用”，實際上該問題比較抽象，教師便通過提問“孕婦吸入的氧氣是純氧嗎”，引導(dǎo)學(xué)生將問題變換為“如何控制氧氣和空氣的比例以及混合氣的流速”。經(jīng)過第一輪變換，抽象的問題已逐步轉(zhuǎn)為具體，但仍不具備操作性。教師在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提問“思考怎樣的裝置，可以實現(xiàn)該功能”，引導(dǎo)學(xué)生將問題進(jìn)一步變換為“是否可以運用水流來實現(xiàn)”。經(jīng)過第二輪變換，學(xué)生提出的問題已逐步具備可操作性，最終選擇運用水流來實現(xiàn)對混合氣排出速率的控制，按照1～2L/min的流速注入自來水，使氣體以相同的速率從另一根導(dǎo)管導(dǎo)出到孕婦鼻腔。

第二，從龐雜到簡約。在B組優(yōu)化方案階段，學(xué)生提出的問題“裝置比較復(fù)雜，密封性難以保證，如何簡化方案”，該問題較為龐雜，無法給予明確的回答。于是教師通過提問“相同功能的裝置是否可以精簡”，引導(dǎo)學(xué)生從裝置設(shè)計角度進(jìn)行分析。學(xué)生經(jīng)過思考后將問題變換為“是否可以在自封袋中直接制取氧氣”“儲存空氣的自封袋似乎沒必要存在，能否拆去”等，經(jīng)過變換后的問題更加簡潔明了，學(xué)生對方案的可行性進(jìn)行判斷后，選擇拆去多余的分液漏斗、1個自封袋以及1個打氣筒，實現(xiàn)了方案的簡約化，進(jìn)一步保證裝置的密封性。

第三，從定性到定量。在C組啟動任務(wù)階段，學(xué)生提出問題“分液漏斗容積較小，自制儲液容器的容積該如何選擇”，該問題體現(xiàn)了學(xué)生的思考角度仍停留在定性層面上。教師通過引導(dǎo)學(xué)生查閱孕婦吸氧需求的相關(guān)資料，幫助學(xué)生實現(xiàn)對問題的變換。學(xué)生計算出所需反應(yīng)物的量后，提出問題“如何控制過氧化氫溶液的滴加速率調(diào)節(jié)氧氣的流速”，教師也通過提問“能否假設(shè)反應(yīng)物滴落下來后迅即參與反應(yīng)”，幫助學(xué)生將所需反應(yīng)物的量與流速建立聯(lián)系，從定量角度對問題進(jìn)行進(jìn)一步變換。學(xué)生經(jīng)過思考后提了“能否通過估算并調(diào)節(jié)每分鐘需要消耗過氧化氫溶液的體積來控制流速”的問題，經(jīng)過變換后的問題已由定性提升到定量，有利于推動方案的形成。

3.2? 范例啟發(fā)

范例啟發(fā)是通過典型的內(nèi)容和方式，使學(xué)生從個別到一般掌握具有規(guī)律性的知識和方法。已有研究側(cè)重探討“范例啟發(fā)”在教學(xué)中的應(yīng)用，但較少基于分類的視角，系統(tǒng)闡述“范例啟發(fā)”策略在跨學(xué)科實踐活動中的應(yīng)用。從類型上分，本研究提供的范例主要包括學(xué)科概念范例、工程設(shè)計范例和同時具備學(xué)科屬性、工程設(shè)計屬性的綜合型范例。在初步形成與優(yōu)化方案階段，學(xué)生對于反應(yīng)物用量的確定以及裝置的改進(jìn)感到頗為困難。教師可為學(xué)生提供范例進(jìn)行啟發(fā)，通過所給范例，學(xué)生聯(lián)想到來源于物理、工程學(xué)等跨學(xué)科領(lǐng)域的原型，并能夠從原型升華到解決問題的一般模型。本文以三種類型的范例為典型，具體闡述范例啟發(fā)教學(xué)策略在跨學(xué)科實踐活動中的應(yīng)用。

第一，基于學(xué)科概念的范例。B組形成方案階段，學(xué)生對如何確定過氧化氫溶液的取用量存在疑問。教師通過給學(xué)生提供“流速”這一來源于物理學(xué)科的概念范例，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想到“密度”“化學(xué)方程式”等相關(guān)概念原型。學(xué)生綜合運用數(shù)學(xué)、化學(xué)等跨學(xué)科知識，通過氧氣的質(zhì)量推算出純凈物過氧化氫的質(zhì)量，結(jié)合濃度、密度，推算出所需要的過氧化氫溶液的體積，并構(gòu)建出基于跨學(xué)科的理論運算模型（見圖2），逐步解決反應(yīng)物的用量問題。

第二，基于工程設(shè)計的范例。裝置的設(shè)計需要考慮藥品的儲存以及流速的控制，在C組優(yōu)化方案階段，學(xué)生提出分液漏斗的容量較小，加入液體操作不適宜，自制裝置又無法保證密封性?；诠こ淘O(shè)計視角，教師以“注射器”為范例，提出問題“是否有類似的常見用品，可實現(xiàn)家用供氧器的制備”。學(xué)生通過啟發(fā)后，聯(lián)想到橡膠手套、輸液袋等來自生活的裝置原型，并運用工程與技術(shù)知識對原型進(jìn)行加工，比如在橡膠手套上戳個小孔，通過擠壓的方式使液體勻速滴落以及改進(jìn)配有流速調(diào)節(jié)器的輸液袋等，形成同時具備儲存液體和控制液體滴加速率的一般模型。工程設(shè)計型范例的提出，為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程思維奠定了基礎(chǔ)［10］。

第三，基于綜合型的范例。在A組優(yōu)化方案階段，學(xué)生提出問題“水桶中的混合氣體如何排出”，教師為學(xué)生提供了“給予一定壓強(qiáng)的自封袋”這一同時具備學(xué)科屬性和工程設(shè)計屬性的綜合型范例。學(xué)生結(jié)合范例聯(lián)想到“給予一定壓強(qiáng)的氣球”“打開的水龍頭”等原型。通過比較發(fā)現(xiàn)，氣球的尺寸較難符合要求，而且難以固定，運用一定速率的水流排出混合氣體的方式更為合適。通過范例啟發(fā)，可以培養(yǎng)學(xué)生敢于提問的意識以及跨學(xué)科知識的調(diào)動能力，學(xué)生在實踐中不斷尋找問題解決的多種方法，逐步構(gòu)建出可以隨時控制氣體的排出與停止，而且能夠提供穩(wěn)定壓強(qiáng)的恒速排氣模型。

3.3? 思維設(shè)計

思維設(shè)計是致力于培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計思維的一種教學(xué)策略，通過為學(xué)生提供適當(dāng)?shù)乃季S支架與方法支持，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計思考的能力，提高思維的效率和準(zhǔn)確性。供氧器的制作屬于設(shè)計類跨學(xué)科實踐活動，教師在實踐過程中需要重視對學(xué)生設(shè)計思維的培養(yǎng)。斯坦福設(shè)計研究院提出的EDIPT模型是一種思維設(shè)計策略，主要包括五個階段：同理心（Empathize）：指站在用戶的立場上體會他人情緒和需求的能力；定義問題（Define）：是對看似無序、雜亂的信息進(jìn)行思維加工的過程；構(gòu)想（Ideate）：指通過各種方式激發(fā)靈感的過程；原型（Prototype）：指調(diào)動身邊材料快速進(jìn)行問題解決的過程；測試（Test）：指對設(shè)計方案進(jìn)行實踐的過程，在過程中獲得更多潛在的信息［11］?？鐚W(xué)科實踐活動具有較高的難度，EDIPT模型為教師提供了比較系統(tǒng)的方法策略，教師可以根據(jù)實際需求，在任何時間段重復(fù)整個過程或特定的階段。

在方案的形成、優(yōu)化階段，學(xué)生在解決核心問題２和３時，會提出較多的子問題，主要分為理解型、分析型、應(yīng)用型、評價型、綜合型五個方面，教師可基于思維設(shè)計教學(xué)策略，運用EDIPT模型進(jìn)行指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維（見表2）。

4? 反思與啟示

跨學(xué)科實踐活動是分科設(shè)置背景下實現(xiàn)課程綜合化、實踐化的重要方法，也是提升人才質(zhì)量的重要舉措。通過實踐活動，學(xué)生能夠像科學(xué)家一樣參與知識的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用過程，自發(fā)地從多角度思考問題，綜合運用多學(xué)科知識制作簡易、可操作性強(qiáng)的產(chǎn)品。在實踐活動中，師生關(guān)系遵循主體間性交互關(guān)系，不存在優(yōu)先性或主導(dǎo)性的問題，雙方都是積極的、能動的，在解決問題過程中將知識共享升華為責(zé)任和情感的共享。

發(fā)揮主體間性交互關(guān)系，必須遵循平等性、共享性的原則，平等性意味著真誠和理解。在啟動任務(wù)階段，學(xué)生會提出一些生成性問題，設(shè)計的方案也存在明顯的缺陷，教師要真誠地傾聽學(xué)生提出的設(shè)想，通過問題變換、范例啟發(fā)、思維設(shè)計等多種教學(xué)策略，培養(yǎng)學(xué)生實踐的自發(fā)性和能動性。同時啟發(fā)學(xué)生運用輸液袋、注射器、打氣筒、水桶、自封袋等生活中的常見材料，將其設(shè)計為制備氧氣的發(fā)生裝置或收集裝置。運用醫(yī)用流速調(diào)節(jié)器、熱熔膠、高溫導(dǎo)管等材料，保證裝置的可調(diào)控性和密封性，最終實現(xiàn)整體裝置的可調(diào)控設(shè)計。除化學(xué)學(xué)科外，基于跨學(xué)科實踐的教學(xué)策略，也可有效促進(jìn)基于其他學(xué)科的跨學(xué)科活動實施。在實踐過程中，學(xué)生的評價、創(chuàng)造、質(zhì)疑、駁斥等高階思維能力得到進(jìn)一步的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］郭華. 跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的意義與特征［J］. 中國基礎(chǔ)教育， 2022，（4）： 17～20.

［2］中華人民共和國教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2022： 31～32.

［3］張虹利， 魏銳， 黃鳴春. 研究型實驗活動——設(shè)計與制作家用制氧機(jī)［J］. 化學(xué)教育， 2023，（43）： 90～94.

［4］高凌蕊， 韓建豐. 基于化學(xué)新課標(biāo)的跨學(xué)科項目教學(xué)探索——以“設(shè)計和制作簡易制氧機(jī)”為例［J］. 教育與裝備研究， 2023，（4）： 57～61.

［5］陳思滔. 開展跨學(xué)科實踐活動實現(xiàn)學(xué)科育人價值——以“自制制氧器”項目化學(xué)習(xí)為例［J］. 中學(xué)化學(xué)， 2023，（2）： 12～13.

［6］黃萬沙， 趙宇鸞， 蘇蘭蘭. 基于跨學(xué)科的五育融合教學(xué)案例實踐探索——以“花樣·生活”為例［J］. 地理教育， 2023，（5）： 29～32.

［7］孔志剛， 孟玉珍. 信息技術(shù)環(huán)境下的初中歷史跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)初探［J］. 中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)， 2023，（5）： 58～62.

［8］孫興華， 劉曉莉， 郭昕雨. 跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)實施路徑的探尋——以數(shù)學(xué)學(xué)科為例［J］. 教育科學(xué)研究， 2023，（4）： 73～78.

［9］王雨， 畢華林. 跨學(xué)科實踐活動的特征及其教學(xué)評價——基于《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的分析［J］. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2022，（7）： 9～13.

［10］吳鍶敏， 錢揚義， 溫金菊等. 技術(shù)素養(yǎng)視域下《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》課程內(nèi)容分析［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2023，（7）： 8～12.

［11］閆寒冰， 鄭東芳， 李笑櫻. 設(shè)計思維： 創(chuàng)客教育不可或缺的使能方法論［J］. 電化教育研究， 2017，（6）： 34～39.