跨學科融合視角下的項目教學實踐：制作橋梁模型

［摘 要］文章以“制作橋梁模型”為項目主題，設置“選擇制作材料”“制作橋梁模型”和“展示橋梁模型”等任務，將金屬的性質(zhì)與利用、鐵的冶煉和鋼鐵的防護等核心知識融入實際問題的解決過程中。該項目綜合了化學、物理、歷史、工程、技術(shù)等學科知識，有助于學生深化學科理解，形成應用化學系統(tǒng)性思維解決問題的思路，構(gòu)建物質(zhì)選擇和利用的一般模型，進而發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］跨學科；項目教學；初中化學

［中圖分類號］" " G633.8" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）23-0054-05

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）指出，開展跨學科實踐教學要結(jié)合實例，從物質(zhì)及其變化的視角，認識資源的綜合利用與新材料的研發(fā)，認識化學在解決資源與材料的相關(guān)問題中的作用[1]?？鐚W科實踐是圍繞真實而復雜的情境問題設計和開展挑戰(zhàn)性實踐任務的過程，包括動手制作、展示表達、方案評價和反思改進等多樣化活動。本文的項目教學實踐以“制作橋梁模型”為項目主題，將金屬以及金屬礦物的學習與實際應用融合起來，取得了較好的教學效果。

一、項目內(nèi)容分析

（一）主題內(nèi)容分析

“金屬與金屬礦物”是初中化學體系的重要組成部分，屬于《課程標準》中“物質(zhì)的性質(zhì)與應用”專題的內(nèi)容。通過前面的學習，學生已經(jīng)知道可以從物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與變化、用途和制法等不同視角認識某一物質(zhì)，但是尚未學會同一類別物質(zhì)的認識方法。設置“制作橋梁模型”項目主題，通過初步分析并解決“金屬材料的選擇”“鐵的冶煉”“鋼鐵的銹蝕與防護”等關(guān)鍵性問題，使學生形成對金屬的綜合性認識，初步形成元素觀、轉(zhuǎn)化觀等化學觀念。通過實驗探究收集實驗證據(jù)，基于實驗事實總結(jié)金屬的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)的共性與差異性，提升學生科學探究的關(guān)鍵能力。通過運用金屬的核心知識對社會實際問題作出判斷和決策，引導學生樹立合理利用資源的理念，培養(yǎng)其社會責任感。

（二）拓展內(nèi)容分析

橋梁是人類利用自然資源和科學技術(shù)改變生活的偉大成就，其建材和結(jié)構(gòu)的變遷凝結(jié)了勞動人民的杰出智慧。橋梁的建材歷經(jīng)了木材、磚石、鋼鐵和復合材料的發(fā)展演變，橋梁結(jié)構(gòu)也逐漸發(fā)展出梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等不同橋型[2]?！爸谱鳂蛄耗Ｐ汀毙枰獙W生利用金屬的性質(zhì)和變化等核心知識來選擇金屬材料，融合力學、建筑結(jié)構(gòu)等物理和工程學的知識設計橋梁結(jié)構(gòu)，引導學生運用跨學科知識解決綜合性的問題。

二、項目教學目標

1.通過查閱資料了解橋梁的發(fā)展演變歷史，感受化學對于開發(fā)資源和促進人類發(fā)展的意義。

2.通過實驗探究歸納金屬的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)的共性與差異性，能綜合考慮金屬的性質(zhì)和價格等因素來選擇合適的橋梁建材。

3.能用化學方程式表示從鐵的氧化物到鐵單質(zhì)的轉(zhuǎn)化，能分析煉鐵的反應原理。

4.能利用對比實驗探究鐵銹蝕的條件和影響因素，能舉例說出鐵的防護方法。了解金屬回收利用的價值，設計初步的金屬回收方案。

5.能從冶煉方法、防護和回收等視角認識金屬的性質(zhì)與利用，從化學、歷史、物理、工程技術(shù)等學科融合視角認識人類對自然資源的開發(fā)和利用。

三、項目教學流程

“制作橋梁模型”項目教學流程如圖1所示。

四、項目教學實施

（一）確定項目任務

【課前布置任務】查閱資料，了解我國橋梁發(fā)展的歷史和代表性橋梁。

【學生活動】小組分享查閱的資料。

【教師引導】橋梁建材的發(fā)展演變是我國科技發(fā)展的縮影。從性能和獲取方式等角度分析橋梁的主要建材逐漸從木材向磚石和金屬材料轉(zhuǎn)變的原因。

【學生匯報】從性能的角度分析，木材的硬度小、易腐爛且容易在火災中被損壞，因此逐步被磚石取代；鋼鐵的硬度等性能又優(yōu)于磚石，進而逐步取代磚石成為橋梁的主要建材。從獲取方式的角度分析，木材和石材可以從自然界直接獲取，因此最早被用于建造橋梁，而隨著金屬冶煉技術(shù)的發(fā)展，金屬逐漸成為橋梁的主要建材。

【教師引導】從橋梁發(fā)展歷史來看，金屬具有優(yōu)良的機械性能且易于加工，是目前建筑橋梁最適宜的材料。金屬材料種類眾多，哪種金屬最適合建橋？什么橋型最穩(wěn)固？我們不妨通過設計和制作橋梁模型來探求問題的答案。制作橋梁模型需要思考和解決哪些問題？

【學生匯報】需要思考和解決“如何選擇制作材料”“如何制作橋梁模型”和“如何測試橋梁承重”等三個問題。

設計意圖：通過查閱我國橋梁建設的成就，激發(fā)學生的民族自豪感，并從中自然引出要探究的問題，激發(fā)學生的學習興趣。通過將“制作橋梁模型”的實際問題轉(zhuǎn)化為“金屬的獲取與利用”等化學問題，明確項目任務，完成任務拆解。

（二）選擇制作材料

1.金屬的選擇

【問題1】橋梁的建筑材料需要具備哪些性質(zhì)？

【學生匯報】橋梁建材需要具有一定的強度和韌性以支撐橋梁結(jié)構(gòu)，化學性質(zhì)相對穩(wěn)定，耐久性強。此外，橋梁建材用量大，還需要綜合考慮價格等因素。

【學生活動】閱讀相關(guān)資料，了解常見金屬的物理性質(zhì)及市場價格，并選擇適合的金屬作橋梁建材。

【學生匯報】橋梁建材主要考慮的物理性質(zhì)是硬度。金屬中，鉻、鐵的硬度較大，銀、銅、金和鋁等金屬的硬度差異不大?？紤]到市場價格，可以排除金和銀。鉻、鐵、銅和鋁等金屬需要結(jié)合其他因素作進一步選擇。

【問題2】橋梁的金屬材料需要考慮哪些化學性質(zhì)？

【資料1】

（1）二氧化硫等酸性氣體向空氣中排放會導致雨水酸性增強。

（2）夏季高溫天氣，橋面溫度可達60 ℃以上。

【學生匯報】酸雨可能會腐蝕金屬材料。夏季的高溫天氣雖然沒有達到很多金屬的熔點，但是加熱條件下，金屬可能會與空氣中的氧氣反應。

【分組實驗1】在空氣中分別加熱鎂條、鋁片、鐵片和銅片，對比實驗現(xiàn)象。

【學生匯報】鎂在空氣中可燃，鋁片加熱后產(chǎn)生“熔而不落”現(xiàn)象，鐵、銅在空氣中加熱后表面顏色變黑。加熱條件下，幾種金屬均能與氧氣發(fā)生氧化反應。

【教師引導】結(jié)合上述實驗結(jié)果分析哪些金屬不適合作橋梁建材。

【學生匯報】金屬鎂易燃，不適合作橋梁建材。鋁、鐵、銅等金屬有待進一步探究。

【分組實驗2】分別將等體積等濃度的稀鹽酸（或稀硫酸）注入盛有相同大小且經(jīng)過打磨的鋁、鋅、鐵和銅等金屬片的培養(yǎng)皿中，對比反應現(xiàn)象；蓋上培養(yǎng)皿上蓋，觀察放熱現(xiàn)象；將火柴靠近小孔，點燃氣體，檢驗氣體成分。實驗內(nèi)容如圖2所示。

【學生匯報】鋁與稀鹽酸（或稀硫酸）反應劇烈，鋅反應速率適中，鐵反應緩慢，銅不能反應。除銅的培養(yǎng)皿外，其余培養(yǎng)皿的上蓋內(nèi)部均出現(xiàn)了無色液滴，說明反應放熱。產(chǎn)生的無色氣體可燃并發(fā)出爆鳴聲，從元素組成角度分析，生成的氣體是氫氣。由此可見，活潑金屬能與稀鹽酸（或稀硫酸）反應生成氫氣，金屬不同，反應的劇烈程度不同。

【教師引導】從元素組成角度分析金屬與稀鹽酸反應的另一種生成物并書寫化學方程式。

【學生活動】書寫鋁、鋅、鐵與稀鹽酸反應的化學方程式。

【教師歸納】鐵與稀鹽酸（或稀硫酸）反應生成氯化亞鐵（或硫酸亞鐵）和氫氣。上述反應的反應物和生成物均為一種單質(zhì)和一種化合物，屬于置換反應。依據(jù)上述金屬與稀鹽酸（或稀硫酸）反應的快慢，可以推測出四種金屬的活動性順序為：鋁gt;鋅gt;鐵gt;銅。

【分組實驗3】將鐵釘置于硫酸銅溶液中，觀察現(xiàn)象。

【學生活動】書寫鐵與硫酸銅反應的化學方程式并判斷其基本反應類型。

【問題3】綜合資料和實驗證據(jù)分析，哪種金屬適合作橋梁建材？

【學生匯報】從化學性質(zhì)角度看，鐵和銅的化學性質(zhì)相對穩(wěn)定。雖然銅的金屬活動性更弱，但是鐵在硬度和價格方面的優(yōu)勢更明顯。綜合分析，鋼鐵是最適合用來建造橋梁的金屬。

設計意圖：引導學生分別通過信息閱讀加工和實驗探究的方式對金屬的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)形成系統(tǒng)性認識，解決金屬材料的選擇問題，進一步強化性質(zhì)決定用途的觀念。

2.鐵的冶煉

【情境創(chuàng)設】鐵在自然界中通常以化合物的形式存在，需要通過冶煉才能獲取其單質(zhì)。元朝末年，鋼鐵被用作橋梁建材。

【資料2】早在春秋戰(zhàn)國時期，我國就開始冶煉和使用鋼鐵。早期的冶煉方法是將鐵礦石與木炭混合加熱進行冶煉，木炭作燃料和還原劑。木炭作燃料有兩個缺陷：一個是溫度不能升得太高，另一個是木炭耐燃的時間比較短。冶煉時需要不斷補充木炭，煉爐的開閉和燃料更替都會影響爐內(nèi)溫度，因此，固體還原法的產(chǎn)物中夾雜物較多，此法又稱“塊煉法”[3]。

【資料3】高溫條件下，一氧化碳、氫氣等物質(zhì)可奪去金屬氧化物中的氧元素，生成金屬單質(zhì)和對應的非金屬氧化物，即“熱還原法”。

【問題4】閱讀資料，從煉鐵的原理及產(chǎn)物性質(zhì)的角度分析為何直到元朝才將鋼鐵用作橋梁建材。

【學生匯報】“塊煉法”中木炭作燃料和還原劑，爐內(nèi)溫度較低，生鐵不易熔化，固體雜質(zhì)不易分離除去，得到的鐵雜質(zhì)多，性能較差，不宜作橋梁建材。改用一氧化碳或者氫氣等氣體作還原劑可能會改善鐵的成分。

【問題5】現(xiàn)代工業(yè)煉鐵中用鐵礦石、焦炭、石灰石、富氧熱空氣等作原料煉鐵。能否用工業(yè)流程圖來表示煉鐵高爐內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程？

【學生活動】結(jié)合煉鐵高爐結(jié)構(gòu)，分組討論并繪制工業(yè)流程圖（如圖3）。

【分析與評價】從燃燒的影響因素角度分析，A區(qū)域氧氣充足，焦炭完全燃燒生成二氧化碳；在B區(qū)域二氧化碳與焦炭反應產(chǎn)生一氧化碳；在C區(qū)域一氧化碳作還原劑，將氧化鐵或四氧化三鐵還原為鐵。

【資料4】2023年全球與能源相關(guān)的二氧化碳排放量達到歷史最高值374億噸。在所有工業(yè)部門中，鋼鐵行業(yè)是二氧化碳排放量最大的行業(yè)之一［4］。

【問題6】結(jié)合資料4分析鋼鐵行業(yè)應如何向綠色低碳方向發(fā)展。

【學生匯報】要減少二氧化碳的排放則需要用氫氣等還原劑替代一氧化碳。目前，氫氣的制取成本較高、儲存運輸困難，未來只有解決了這兩個問題才能實現(xiàn)低碳煉鐵。

設計意圖：引導學生通過分析鐵的冶煉原理，構(gòu)建還原法冶煉金屬的物質(zhì)轉(zhuǎn)化流程；通過對比不同還原劑對鋼鐵性質(zhì)以及環(huán)境的影響，辯證認識科技發(fā)展對于推動社會發(fā)展的意義。

（三）制作橋梁模型

【學生活動】分組討論，繪制橋梁模型設計稿（如圖4）。小組互評并進行優(yōu)化。

【教師活動】引導學生依據(jù)改進后的設計稿制作橋梁模型。

（四）展示橋梁模型

1.測試和評價橋梁模型

【學生活動】分組展示并介紹橋梁模型，進行橋梁承重大比拼（如圖5）。

【教師活動】引導學生進行橋梁模型稱重、承重實驗等，并填寫橋梁模型評價表（如表1）。

2.探究鋼鐵橋梁的防護方法

【教師引導】如何防止鋼鐵橋梁銹蝕？真實的鋼鐵橋梁銹蝕情況又如何呢？

【資料5】根據(jù)中國腐蝕與防護網(wǎng)資料顯示，全世界每年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失高達4萬億美元，約占全球GDP的6%，腐蝕造成的鋼損耗占全球鋼損耗量的10%。鋼拱橋、斜拉橋等不同橋型在服役年限內(nèi)因腐蝕造成不同程度的損傷[5]。

【問題7】閱讀資料5，從物質(zhì)組成角度分析哪些物質(zhì)與鐵的銹蝕有關(guān)，并設計探究實驗。

【資料6】鐵銹是一種疏松多孔的物質(zhì)，主要成分是Fe2O3·xH2O。

【學生活動】分組討論并設計實驗（如圖6）。

【分析與評價】從鐵銹的元素組成分析可知，鐵生銹與氧氣、水有關(guān)。圖6（a）中的①②組對比探究水是否是鐵銹蝕的必要條件，①③組對比探究氧氣是否是鐵銹蝕的必要條件。但是②組無法排除空氣中水蒸氣的干擾。③組無法排除空氣中的氧氣溶于水造成的干擾。

【實驗改進】在②組中加干燥劑，保證試管內(nèi)干燥；在③組中注滿冷卻的沸水并塞緊橡皮塞，隔絕外界空氣；補充④⑤組探究海水中的氯化鈉、酸雨中的硫酸等物質(zhì)對鐵銹蝕的影響。改進方案見圖6（b），一周后的實驗現(xiàn)象見圖6（c）。

【學生匯報】觀看實驗視頻并對比鐵釘一周銹蝕程度后得出結(jié)論：氧氣與水是鐵銹蝕的必要條件，氯化鈉和硫酸等物質(zhì)會加快鐵的銹蝕。因此，在酸雨頻發(fā)地區(qū)和沿海地區(qū)鋼橋銹蝕會更加嚴重。

【問題8】從反應條件的角度分析如何防銹。

【學生匯報】鋼鐵防銹需要避免與水、氧氣等物質(zhì)同時接觸。鋼橋的不同部位可以采用涂油漆、涂油等不同方法隔水，螺母等部位可以采用不銹鋼等耐腐蝕材料。還需定期檢修和維護，防止出現(xiàn)油漆脫落等問題。此外，橋面需要設計排水槽，避免雨水蓄積。

【問題9】嚴重銹蝕并報廢的鋼鐵橋梁如何處理？

【學生匯報】報廢的鋼鐵可以回收利用，重新冶煉成生鐵。

3.構(gòu)建物質(zhì)選擇和利用的一般模型

【問題10】真實橋梁建設還需要考量哪些因素？

【學生匯報】鋼橋除了考慮承重，還需要綜合考慮當?shù)氐拇髿赓|(zhì)量、降水、溫度等多方面因素。真實橋梁的建設跨度大，對建材的性能和橋梁的結(jié)構(gòu)設計要求更高，需要綜合運用化學、物理、工程等多學科的知識。

【問題11】選擇和利用金屬等物質(zhì)的時候，需要考慮哪些因素？

【學生活動】分組討論，建構(gòu)模型（如圖7），小組互評。

【問題12】橋梁未來會向什么方向發(fā)展？

【學生匯報】橋梁的建材可能會進一步向復合材料方向發(fā)展，以提高橋梁的承重和使用壽命。同時，橋梁會向功能復合型方向發(fā)展，AI等新興技術(shù)也將廣泛應用于橋梁的設計、建設和維護。

設計意圖：引導學生通過實驗探究鐵的銹蝕的條件和影響因素，經(jīng)歷確定探究目標、設計并進行實驗、搜集證據(jù)、進行推理、形成結(jié)論等科學探究過程；通過建構(gòu)物質(zhì)選擇和利用的一般模型，體會模型構(gòu)建是化學科學研究的基本方法。

五、項目教學反思

跨學科項目是培育化學系統(tǒng)性思維的有效途徑，項目主題創(chuàng)造培育情境，學科知識是培育載體[6]。本教學實踐通過設計和開展具有挑戰(zhàn)性的實踐任務“制作橋梁模型”，引導學生經(jīng)歷查閱資料、實驗探究、方案設計、動手制作、展示表達、反思評價等多種活動，促進學生形成跨學科融合解決問題的系統(tǒng)思維。

跨學科項目教學的開展需要驅(qū)動性問題的引發(fā)和推動，“選擇什么金屬”“金屬如何獲得”“金屬如何防護”等關(guān)鍵性問題貫穿于整個項目并不斷推進項目，從金屬的性質(zhì)、制法、用途等多個角度建立金屬的結(jié)構(gòu)化知識體系。在學生形成金屬的系統(tǒng)性認識的基礎上，師生共建物質(zhì)選擇和利用的一般模型。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準：2022年版[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]" 丁媛.中國古代橋梁文化專題研究[D].武漢：華中師范大學，2013.

[3]" 張子高.中國化學史稿[M].北京：北京出版社，2021.

[4]" 董文亮，袁天祥，李海波，等.煉鋼廠廢氣中二氧化碳的資源化利用技術(shù)及工業(yè)實踐[J/OL].鋼鐵，1-16[2024-03-25].https：//doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240284.

[5]" 王獻東.鋼橋易腐蝕構(gòu)造細節(jié)研究[D].西安：長安大學，2023.

[6]" 陳俏，王心怡，耿雁冰，等.初中跨學科項目式學習中融入化學系統(tǒng)性思維的探索：校運會火炬設計[J].化學教育（中英文），2023（17）：72-78.

（責任編輯 羅 艷）