化學(xué)與物理、生物學(xué)科的跨學(xué)科融合教學(xué)探索

摘 要：以“原電池的認(rèn)識與運(yùn)用”為例，綜合運(yùn)用物理、生物等其他學(xué)科資源，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，整合教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)方式，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)和核心素養(yǎng)的提升，為高中化學(xué)課堂融合教學(xué)進(jìn)行了有益的探索。

關(guān)鍵詞：融合教學(xué)；原電池；物理；生物學(xué)科；模型構(gòu)建

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

2014年3月，教育部頒發(fā)的《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》明確指出，“要統(tǒng)籌各學(xué)科，充分發(fā)揮人文學(xué)科的獨(dú)特育人優(yōu)勢，進(jìn)一步提升數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)等課程的育人價值，加強(qiáng)學(xué)科間的相互配合，發(fā)揮綜合育人功能，不斷提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2020年修訂版）》[1]中強(qiáng)調(diào)高中化學(xué)課程在教材編寫、教學(xué)內(nèi)容組織、選修課程建設(shè)上要重視跨學(xué)科內(nèi)容與知識的綜合，引導(dǎo)學(xué)生在更寬廣的學(xué)科背景下認(rèn)識物質(zhì)及其變化的規(guī)律，幫助學(xué)生拓寬視野，開闊思路，綜合運(yùn)用化學(xué)和其他學(xué)科的知識分析解決有關(guān)問題，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

以大概念引領(lǐng)、以跨學(xué)科融合為路徑，進(jìn)行多角度、多層次、全方位探究式學(xué)習(xí)，不僅有利于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，提升學(xué)生的綜合思維能力與學(xué)業(yè)質(zhì)量，更能使得學(xué)生有機(jī)會深刻理解化學(xué)不僅與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會文明的關(guān)系密切，也是材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)和信息科學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。

一、問題的產(chǎn)生

學(xué)校校園文化藝術(shù)節(jié)是學(xué)生展示自己才華和能力的大舞臺?；瘜W(xué)科技節(jié)的活動因其獨(dú)特的魅力備受學(xué)生青睞?！氨寂馨桑≤嚒钡目萍脊?jié)活動吸引了很多高一學(xué)生積極參與。每一隊參賽選手需要完成的任務(wù)：①設(shè)計原電池，做動力——盡可能產(chǎn)生更多的電量；②制作創(chuàng)意小車，展示你的個性——自己制作，不買套裝，可購買微型電動機(jī)和齒輪；③兩者的完美結(jié)合，讓它馳騁一中校園。這是一個集化學(xué)、物理、工程、技術(shù)等多個內(nèi)容的挑戰(zhàn)項目，是一個團(tuán)隊協(xié)作的項目。為了能使自己的“愛車”稱霸校園，我們的參賽選手可謂“絞盡腦汁”“煞費(fèi)苦心”。

賽后進(jìn)行總結(jié)與交流時，學(xué)生們最關(guān)心的問題是：①小車為什么能跑起來？②為什么有的參賽選手設(shè)計的水果電池有電流通過，甚至電壓達(dá)到1. 7V（超過一節(jié)干電池），小車卻沒跑？③水果做電池是因?yàn)槠渲懈缓泄岬入娊赓|(zhì)，這些電解質(zhì)是怎么產(chǎn)生的呢？

比賽之后產(chǎn)生的問題，有些問題的解答在我們高中化學(xué)課程的內(nèi)容之內(nèi)，有些還需要物理學(xué)科和生物學(xué)科知識的幫助。于是圍繞“原電池的認(rèn)識與運(yùn)用”的課題，用跨學(xué)科融合的思想，和學(xué)生們一起探究問題背后的原因。

二、融合課堂的教學(xué)設(shè)計與實(shí)踐

“原電池的認(rèn)識與運(yùn)用”融合課題基于真實(shí)情境的完整的問題，由3位不同學(xué)科教師協(xié)作完成。融合課堂進(jìn)行的基礎(chǔ)是3W方法理論：課堂融合是什么？為什么要進(jìn)行課堂融合？怎么進(jìn)行課堂融合？在充分研討學(xué)生已有的認(rèn)知、現(xiàn)階段學(xué)生的素養(yǎng)發(fā)展要求的基礎(chǔ)上，我們建立了如圖1所示的教學(xué)程序。

“原電池的認(rèn)識與運(yùn)用”的課題教學(xué)以化學(xué)課為引領(lǐng)，三科相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)方式均采用小組合作學(xué)習(xí)模式，通過科學(xué)探究的一般程序去引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識原電池、建構(gòu)原電池和運(yùn)用原電池。

（一）確立學(xué)習(xí)目標(biāo)，尋找知識的關(guān)聯(lián)

通過高中化學(xué)必修課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該知道化學(xué)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與其他能量形式的轉(zhuǎn)化，能以原電池為例認(rèn)識化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能，能從氧化還原反應(yīng)的角度初步認(rèn)識原電池的工作原理。跨學(xué)科融合教學(xué)必須以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，啟發(fā)學(xué)生從化學(xué)的角度發(fā)現(xiàn)、思考和解決“原電池的形成”的現(xiàn)實(shí)問題，通過對物理、生物學(xué)科的知識獲得，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科知識的整合，從“原電池的形成”走向“原電池的運(yùn)用”，提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的變革，努力使學(xué)生具備適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。表1為跨學(xué)科融合教學(xué)“原電池的認(rèn)識與運(yùn)用”學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（二）創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，理清學(xué)習(xí)的主線

跨學(xué)科融合教學(xué)的教學(xué)情境應(yīng)該是真實(shí)的，源自生活實(shí)踐，立足于學(xué)生的思維特點(diǎn)，遵循學(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律。因此，我們創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價值的問題情境，一方面能幫助老師們理清教學(xué)思路和主要線索，另一方面旨在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和內(nèi)驅(qū)力，并通過親自實(shí)踐來解決遇到的實(shí)際問題。表2為跨學(xué)科三科融合教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)。

（三）巧設(shè)探究活動，養(yǎng)成核心素養(yǎng)

核心素養(yǎng)是新一輪課程改革明確倡導(dǎo)的一種全新的育人觀，核心素養(yǎng)實(shí)際上是個體在面對復(fù)雜不確定的情境時，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識、原理和方法解決實(shí)際問題所表現(xiàn)出來的必備品格與關(guān)鍵能力，核心素養(yǎng)的培育離不開跨學(xué)科知識與思維的融合互通[2]。對比研究可以發(fā)現(xiàn)，化學(xué)、物理和生門三門課程都聚焦學(xué)生的科學(xué)（實(shí)驗(yàn)）探究、科學(xué)態(tài)度（責(zé)任）的培養(yǎng)。充分運(yùn)用跨學(xué)融合思想，巧妙設(shè)計探究活動，為學(xué)生對“原電池的認(rèn)識與運(yùn)用”的深入學(xué)習(xí)提供平臺和保障。下面是三科探究活動設(shè)計及實(shí)施過程。

探究活動1：你能否讓小車跑起來？ （運(yùn)用知識：化學(xué)）

師：目前新能源汽車迅速發(fā)展，其中一類新能源汽車就是純電動汽車。今天我們就可以運(yùn)用剛剛所學(xué)的內(nèi)容，利用鋅片（2片）、鐵片（2片）、銅片

（2片）、碳棒（2片）、 CuSO4溶液、硫酸溶液、無水乙醇、導(dǎo)線、電流計等實(shí)驗(yàn)用品為小車設(shè)計一個簡易電池，讓這個“新能源小車”再次跑起來。

（說明：可根據(jù)學(xué)生已有化學(xué)知識適當(dāng)增減探究活動提供的實(shí)驗(yàn)用品的種類）。

學(xué)生活動過程：①畫出自己設(shè)計的原電池的裝置圖。

②分組討論，各組匯報本組所設(shè)計的原電池的工作原理、材料選擇。說明設(shè)計意圖和理由。

③根據(jù)自己所選電極材料、電解質(zhì)溶液、導(dǎo)線連接成原電池。

④使用萬用表測定本組設(shè)計電池的工作電壓和電流，并將所測數(shù)據(jù)填入記錄表3中。

[設(shè)計意圖]學(xué)生自己設(shè)計實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)，小組總結(jié)、修正原有的方案，使學(xué)生體會探究學(xué)習(xí)的一般過程。學(xué)生通過原電池形成條件及效果的探究，總結(jié)共性和規(guī)律，形成模型化認(rèn)知，加強(qiáng)對原電池形成條件的認(rèn)識和理解。培養(yǎng)學(xué)生思維的縝密性及口頭表達(dá)能力。

探究活動2：探秘水果電池。（運(yùn)用知識：生物）

師：①你覺得可以用水果代替上述電池中的電解質(zhì)溶液嗎？

②你覺得用什么水果效果會更好？談?wù)勀愕南敕ā?/p>

③檢驗(yàn)?zāi)愕南敕ǎ豪蒙鲜鲭姌O材料和所提供的橙子，制作水果電池并測定其電壓和電流。

學(xué)生活動過程：①了解水果中電解質(zhì)的來源。

②學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，利用所給材料，連接成水果電池并測定其電壓和電流（電壓1. 5V -1. 8V，電流很微弱）（見圖2）。

[設(shè)計意圖]利用水果電池激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)會運(yùn)用所學(xué)知識，跨學(xué)科解決實(shí)際問題。通過對比實(shí)際電流值的差別，引起學(xué)生的思維沖突，激發(fā)進(jìn)一步探究水果電池電流弱的原因。

探究活動3：利用水果電池驗(yàn)證幾個猜想。（運(yùn)用知識：物理）

師：提供實(shí)驗(yàn)器材：水果電池、電阻箱（9000Ω）、電壓表（20V）；要求學(xué)生測量對象為電源電動勢、R兩端的電壓。

①R兩端的電壓小于電源電動勢嗎？

②嘗試測量內(nèi)電阻r電壓，驗(yàn)證電源內(nèi)電流方向。

③有哪些實(shí)驗(yàn)手段可以減小內(nèi)阻呢？

學(xué)生活動過程：①將水果電池（橙子電池）與9000Ω的電阻箱連接，并用電壓表測量電阻箱兩端的電壓（電壓表示數(shù)約0. 4V）。總結(jié)得出結(jié)論：電阻分得的電壓比電動勢小。推測水果電池內(nèi)阻的數(shù)量級大概幾千歐。

②改變水果電池中兩電極之間的距離，測定分壓的變化與電極距離變化之間的關(guān)系。

③削掉部分水果中間區(qū)域，內(nèi)阻橫截面減小，觀察內(nèi)阻的變化情況。

[設(shè)計意圖]通過在水果電池上外接電阻，探究水果電池的內(nèi)阻，建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。控制變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，認(rèn)識科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動，培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑、勇于探究的學(xué)科素養(yǎng)[3]。

小組討論后，每組根據(jù)討論結(jié)果實(shí)際測定原電池的電壓和電流，分析產(chǎn)生差異的原因。在總結(jié)的基礎(chǔ)上，又提出可以設(shè)計出另外3種原電池。

（四）深化學(xué)科融合，走向深度學(xué)習(xí)

跨學(xué)科融合教學(xué)不是簡單地將化學(xué)、物理和生物的學(xué)科知識進(jìn)行堆砌和羅列，而是要通過各學(xué)科知識間的邏輯關(guān)系進(jìn)行有機(jī)融合。高一的學(xué)生已經(jīng)具備的認(rèn)知含氧化還原反應(yīng)理論、電解質(zhì)及其電離理論、初中基本的電化學(xué)基礎(chǔ)、生物學(xué)中對水果的初步認(rèn)識、細(xì)胞無機(jī)鹽的種類和作用等是我們進(jìn)行融合教學(xué)的前提和基礎(chǔ)。

通過“跑動的小車”的情境引入，激發(fā)學(xué)生思考小車跑動的原因，通過與氧化還原反應(yīng)的理論知識相結(jié)合，得出形成電流的原因（見圖3）。然后學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究，對比分析，歸納出形成原電池的條件。整個活動的設(shè)計指向?qū)W生核心素養(yǎng)“證據(jù)推理與模型建構(gòu)”的養(yǎng)成。

在總結(jié)得出原電池形成條件后，物理老師就學(xué)生追問的“為什么有的小車跑不動”問題進(jìn)行深度探討。物理老師同樣設(shè)計探究實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生檢驗(yàn)“水果電池存在很大內(nèi)阻”

設(shè)想。將學(xué)生對原電池學(xué)習(xí)中存在的困惑逐一化解。并進(jìn)一步提供研究材料：化學(xué)反應(yīng)只在電極和溶液接觸的一個極薄層內(nèi)發(fā)生，這個薄層的厚度大約在10-10m，這就意味著，在銅電極附近，這個薄層靠銅一側(cè)的電壓高于靠液體一側(cè)的電壓，同樣，在鋅電極附近也有類似的電壓，這兩個電壓共同決定了電動勢。為學(xué)生理解內(nèi)阻和實(shí)驗(yàn)探究電池電動勢做了深度分析。在此基礎(chǔ)上研究了影響原電池內(nèi)阻的因素。

生物老師從學(xué)生熟悉的電解質(zhì)出發(fā)剖析了水果中電解質(zhì)的形成過程，并對生物電池的應(yīng)用做了拓展介紹，暢談生物電池未來的情景，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)探究的熱情以及樹立學(xué)好科學(xué)服務(wù)人類的遠(yuǎn)大志向。

三、反思

以“原電池的認(rèn)識與運(yùn)用”為載體，通過化學(xué)課程的引領(lǐng)，與物理、生物課程進(jìn)行跨學(xué)科融合教學(xué)活動是我們進(jìn)行融合課堂教學(xué)的一次嘗試；以“原電池的認(rèn)識與運(yùn)用”整合三門學(xué)科關(guān)聯(lián)內(nèi)容為基礎(chǔ)，打破知識內(nèi)容界限和學(xué)科壁壘，培養(yǎng)學(xué)生綜合的問題解決能力和創(chuàng)新的實(shí)踐素養(yǎng)，對我們理科老師的教學(xué)是一次突破。我們不僅做到了課堂教學(xué)形式上“創(chuàng)新”，更是在教學(xué)內(nèi)容上“求實(shí)”、教學(xué)方式上“求變”、綜合思維上“求活”。通過化學(xué)、物理、生物跨學(xué)科的融合創(chuàng)生，使得學(xué)生對于“原電池的認(rèn)識”從感性走向理性；通過有真實(shí)意義情境的創(chuàng)設(shè)，讓學(xué)生在真實(shí)問題背景下進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，真正做到“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”。通過跨學(xué)科融合教學(xué)，形成“證據(jù)推理與模型建構(gòu)”的典型教學(xué)方式。我們的老師在教學(xué)過程中有了新的收獲和理解，我們的學(xué)生也得到意想不到的增值收獲。通過跨學(xué)科融合教學(xué)的嘗試，我們還需要在教育教學(xué)實(shí)踐中不斷優(yōu)化實(shí)施路徑，將國家課程與校本課程相結(jié)合，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更多的“大課堂”，鼓勵學(xué)生綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識進(jìn)行項目探究、動手合作和實(shí)踐創(chuàng)造，以期更好地滿足學(xué)生實(shí)現(xiàn)終身發(fā)展和社會發(fā)展的需要，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]張劼.跨學(xué)科融合教學(xué)的問題與實(shí)踐[J]. 中國教師，2021（9）：67.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

（責(zé)任編輯：加順花）