初中化學金屬材料教學的三維創(chuàng)新實踐

在《義務教育化學課程標準（2022年版）》的推動下，初中化學教學正經(jīng)歷從“知識本位”向“能力本位”的深層轉(zhuǎn)型。以“金屬和金屬材料”單元為例，其教學需突破傳統(tǒng)知識傳遞框架，將科學探究、跨學科思維與社會責任培養(yǎng)納入核心目標。然而，當前實踐存在三重矛盾：其一，碎片化實驗設計（如孤立探究金屬導電性或酸反應）割裂了學科知識與真實應用場景（如新能源電池研發(fā)）的關(guān)聯(lián)，導致學生認知系統(tǒng)性缺失；其二，學科壁壘阻礙了物理（電化學機制）地理（資源分布）與工程（材料優(yōu)化）的深度融合，限制復合思維發(fā)展；其三，同質(zhì)化作業(yè)依賴機械訓練，在加重學業(yè)負擔的同時抑制創(chuàng)新實踐能力。

項目式學習（PBL）依托情境驅(qū)動的知識整合特性，成為破解上述矛盾的可行路徑。研究表明，PBL不僅能提升問題解決能力，更契合“雙減”政策的結(jié)構(gòu)性減負訴求。然而，現(xiàn)有研究多聚焦單一維度，對PBL與跨學科整合、作業(yè)優(yōu)化的協(xié)同機制及其對學業(yè)效能的影響缺乏系統(tǒng)探索。

本研究創(chuàng)新構(gòu)建“項自驅(qū)動一跨學科融合一作業(yè)重構(gòu)”三位一體教學框架，以人教版“金屬和金屬材料”單元為載體，選取“新能源汽車電池金屬材料設計\"為項目主題，實現(xiàn)三方面突破：其一是知識建構(gòu)場景化：將金屬的物理性質(zhì)（如導電性、活動性）嵌入電池性能優(yōu)化的產(chǎn)業(yè)問題鏈，通過虛擬仿真實驗建立“性質(zhì)一功能\"關(guān)聯(lián)認知；其二是跨學科圖譜重構(gòu)：融合物理（能量轉(zhuǎn)換效率）地理（鋰礦可持續(xù)開發(fā)）與生物學（可降解電解質(zhì)）多學科邏輯，形成材料科學整體認知；其三是分層作業(yè)精準化：設計彈性任務（如基礎(chǔ)層流程圖繪制、拓展層成本一效益建模），借助數(shù)字化工具實現(xiàn)減負增效協(xié)同。

本模式首次系統(tǒng)性整合知識建構(gòu)、能力培養(yǎng)與學業(yè)減負目標，為素養(yǎng)導向的化學教學提供可操作范式，其創(chuàng)新價值體現(xiàn)在：突破學科壁壘的深度整合機制、基于真實問題的認知腳手架設計，以及數(shù)字化賦能的差異化作業(yè)體系，對推進課程改革具有理論與實踐雙重意義。

一、項目式學習在金屬材料教學中的系統(tǒng)化實施

（一）項目式學習（PBL）的核心內(nèi)涵

項目式學習（Project-BasedLearning，PBL）是一種以學生為中心的教學模式，引導學生積極探究、討論和協(xié)作，圍繞真實而復雜的驅(qū)動問題開展項目，并嘗試開發(fā)可證明的成果。其主要特點是：

1.真實情境驅(qū)動：以真實問題為中心進行學習，如金屬的防腐和材料選擇的優(yōu)化。2.跨學科融合：化學、物理、工程、社會等多學科知識與技能的融合。3.持續(xù)探索：通過實驗、研究、設計等逐步提升解決問題的能力。

4.結(jié)果導向：最終開發(fā)出模型、原型或生成報告。

（二）項目式學習在金屬材料教學中的應用價值

項目式學習在金屬材料教學中的應用價值在于它突破傳統(tǒng)教學的痛點。傳統(tǒng)教學中，金屬材料的物理和化學性質(zhì)以零散碎片形式呈現(xiàn)，學生難以建立系統(tǒng)性認知。項目式學習通過設計真實情境（如“新能源汽車電池金屬材料設計\"），引導學生評估材料性能，基于產(chǎn)品需求進行多維度對比，從而構(gòu)建不同金屬性能之間的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡。例如，在“金屬導熱性大賽\"中，學生通過實驗比較銅、鐵、鋁的導熱系數(shù)，并繪制排序圖；在“金屬廢料回收價值評估\"中，學生通過實驗測定金屬與酸反應的氫氧生成量，分析其經(jīng)濟性。這種教學方式將課本知識轉(zhuǎn)化為動態(tài)的解決問題工具，顯著提升了學生的知識遷移能力和深度理解能力。

（三）項目式學習與傳統(tǒng)教學的對比及優(yōu)勢（如表1所示）

（四）項目式學習案例：基于金屬材料設計新能源汽車電池

驅(qū)動問題：如何基于金屬材料的性質(zhì)，設計一種高性能、低成本且環(huán)保的新能源汽車電池？

1.項目設計框架，問題定義與背景研究（2課時）

（1）教學目標：

① 理解新能源汽車電池的基本結(jié)構(gòu)與核心金屬材料需求。② 分析現(xiàn)有電池（如鋰離子電池）的性能瓶頸與環(huán)保問題。

（2）活動設計：

① 情境導入：播放視頻《新能源汽車的“心臟”電池技術(shù)挑戰(zhàn)》，展示電池爆炸、續(xù)航短、重金屬污染等現(xiàn)實問題。

② 文獻調(diào)研：分組查閱資料，整理常用電池金屬材料（鋰、鈷、鎳、鋁、銅）的優(yōu)缺點。

③ 示例問題：

a.鈷的高成本與采礦的論理爭議。

b.鋰的高反應性引發(fā)的安全隱患。

c.為什么常規(guī)的鋰電池容易存在安全問題？

提出需求：制定電池材料的理想標準（如高能量密度、高安全、低污染和低成本）。

2.實驗探究與數(shù)據(jù)分析（3課時）

（1）教學目標：① 通過實驗對比金屬的導電性、密度、耐腐蝕性等關(guān)鍵性質(zhì)。② 理解金屬活動性順序?qū)﹄姵胤€(wěn)定性的影響。（2）關(guān)鍵實驗設計（如表2所示）：

（3）數(shù)據(jù)分析任務：

繪制“金屬特性雷達圖”，綜合評估導電性、密度、成本、環(huán)保性等指標。

（4）示例結(jié)論：鋁的輕量化（密度 2.7g/cm³ 和銅的高導電性 （5.9×10⁷S/m） 可互補，但需解決兩者接觸時的電化學腐蝕問題。

3.方案設計與工程優(yōu)化（2課時 + 課外）

（1）教學目標：

綜合實驗數(shù)據(jù)，設計新型電池金屬材料方案。培養(yǎng)工程思維（成本、環(huán)保、可行性權(quán)衡）。

（2）設計任務：

材料選擇：從以下方向任選其一：

a.合金優(yōu)化：設計鋁一鋰合金，減輕質(zhì)量b.結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：用銅箔涂層技術(shù)防止鋁腐蝕c.環(huán)保替代：用磷酸鐵鋰 LiFePO₄ 替代鈷酸鋰

（3）方案要求：

用概念圖解釋材料特性如何滿足電池需求（如高導電性 $$ 減少能量損耗），制作成本估算表（參考金屬現(xiàn)貨市場價格），提出廢舊電池回收方案。

4.成果展示與評價（1課時）

（1）展示形式：

① 模型/海報展示：用3D打印模型或手繪海報解釋材料結(jié)構(gòu)設計。

② 模擬答辯：扮演“電池公司技術(shù)顧問”，回答評委提問：

a.如何解決鋁與電解液的副反應問題？

b.你的方案比現(xiàn)有技術(shù)環(huán)保在哪里？

（2）評價標準（如表3所示）：

5.項目總結(jié)

以新能源汽車電池設計為情境載體，除了金屬的物理性質(zhì)（導電性、密度）和化學性質(zhì)（活性、耐腐蝕性），更能深刻領(lǐng)悟材料科學的核心思想一一性質(zhì)決定用途。當學生試圖用鋁的輕量化來彌補銅的高密度不足時，其實是在重走人類材料創(chuàng)新的經(jīng)典路徑，即以情境問題為引導，以項目式學習的方式，關(guān)注材料科學知識的動態(tài)建構(gòu)與遷移應用，讓知識在問題解決的發(fā)現(xiàn)過程中有機發(fā)展

二、跨學科視域下的金屬知識體系重構(gòu)

（一）多學科滲透路徑（如表4所示）

（二）教學實施建議

本研究以“如何解決新能源汽車電池污染問題？”為貫穿性驅(qū)動問題，構(gòu)建多維度探究框架。在項目實施中，通過角色模擬實踐深化跨學科協(xié)作：學生分組承擔“材料科學家”“環(huán)境工程師”“經(jīng)濟學家”等職業(yè)角色，分別從材料性能優(yōu)化、環(huán)境風險管控及經(jīng)濟成本核算等視角展開論證，形成多學科協(xié)同解決方案。評價體系采用三級結(jié)構(gòu)化指標：其一，科學嚴謹性維度建立數(shù)據(jù)驅(qū)動的結(jié)論驗證機制，要求實驗證據(jù)與理論推導形成閉環(huán)；其二，跨學科深度維度設置知識整合度評估標準，重點考察物理（電化學原理）地理（資源分布圖譜）與工程（工藝流程設計）等領(lǐng)域的有機融合；其三，創(chuàng)新性維度引入可持續(xù)發(fā)展導向的賦分規(guī)則，優(yōu)先支持具備環(huán)境友好特征（如廢舊金屬電極再生技術(shù)）與成本可控優(yōu)勢的原創(chuàng)方案。該模式通過真實問題引領(lǐng)、角色認知建構(gòu)與多維度評估的聯(lián)動機制，有效實現(xiàn)了知識應用能力與系統(tǒng)思維能力的協(xié)同發(fā)展，為核心素養(yǎng)導向的STEM教育實踐提供新范式。

三、基于“減負增效”的初中化學項目式學習作業(yè)設計

傳統(tǒng)教學，機械訓練與知識碎片化加重學業(yè)負擔，抑制高階認知發(fā)展。本研究提出“減負\"需摒棄低效重復，“增效”應依托真實問題驅(qū)動知識遷移。以“新能源汽車電池設計\"項目為例，作業(yè)設計聚焦金屬材料核心屬性，構(gòu)建分層實踐任務：如通過導電/環(huán)保性實驗對比鋁、鋅特性，或模擬礦產(chǎn)資源分布進行成本一效益建模。此類任務突破學科壁壘，整合化學（材料性能）物理（電導機制）與地理（資源可持續(xù)性）多維度分析框架，引導學生在解決“性能一成本一環(huán)保\"協(xié)同優(yōu)化問題中實現(xiàn)深度學習。

（一）預習階段作業(yè)：知識導圖構(gòu)建

初中化學課后作業(yè)采用結(jié)構(gòu)化知識體系和分層任務設計實現(xiàn)減負增效。在“金屬材料物理性質(zhì)與電池設計\"作業(yè)中設置兩大核心任務：

1.繪制金屬導電性、反應性、成本及環(huán)保屬性的關(guān)聯(lián)思維導圖（20分鐘完成），構(gòu)建金屬特性與電池性能的認知框架。

2.基于材料物理性質(zhì)分析推薦三種電池材料：鋁（輕質(zhì)導電）鋅（易回收價優(yōu)）鐵（儲量大低毒），并說明選擇依據(jù)。

該模式通過精簡體量、可視化思維和個性化設計，解決傳統(tǒng)作業(yè)負擔重、趣味性不足的問題

（二）探究階段作業(yè)：實驗記錄與數(shù)據(jù)分析

實踐導向的化學作業(yè)設計優(yōu)化研究 一以“鋁—

檸檬電池實驗\"為例

本研究提出實踐性探究作業(yè)模式，通過自制“鋁一檸檬電池實驗\"實現(xiàn)減負增效。設計包含：

結(jié)構(gòu)化實驗記錄：制作含電極組合、開路電壓、負載電流與LED發(fā)光時間的標準化記錄表，引導系統(tǒng)性數(shù)據(jù)采集。

變量分析任務：基于鋁/鋅/鐵電極實驗數(shù)據(jù)，繪制電壓差異柱狀圖并解析金屬特性（如活動性）對電池輸出的影響規(guī)律。

這種“實驗操作一數(shù)據(jù)分析”雙輪驅(qū)動框架，既可深化化學概念理解，又能平衡探究深度與學業(yè)負擔，為實驗類作業(yè)設計提供可推廣范式。

（三）深化階段作業(yè)：環(huán)保方案設計

跨學科融合視角下初中化學作業(yè)優(yōu)化實踐一以廢舊電池金屬回收方案設計為例

本研究構(gòu)建“跨學科一彈性化\"作業(yè)模式，通過“廢舊電池金屬回收方案設計\"任務實現(xiàn)效能提升。核心設計包含：

流程可視化表達：繪制金屬回收工藝流程圖（酸浸溶解 $$ 電解提純），整合化學（電化學提純）工程（工藝設計）知識。

綠色創(chuàng)新提案：提出如\"植物提取液替代化學電解質(zhì)\"等環(huán)保方案，結(jié)合生物（有機酸提?。┰黻U釋環(huán)境效益。

此設計通過學科交叉與任務彈性化，在深化金屬回收原理認知的同時，強化可持續(xù)發(fā)展素養(yǎng)，為化學作業(yè)改革提供可遷移范式。

（四）總結(jié)階段作業(yè)：成果展示與反思

多元表達與精準反饋融合的化學作業(yè)設計研究一以新能源汽車電池設計項目為例

本研究構(gòu)建“多元一精準\"型作業(yè)模式，通過“新能源汽車電池設計\"項目實現(xiàn)效能優(yōu)化。核心設計包含：

多模態(tài)成果展示：采用PPT或手抄報整合電池設計方案、實驗數(shù)據(jù)及環(huán)保策略

靶向反思撰寫：要求100字以內(nèi)，聚焦“設計創(chuàng)新點\"與“核心挑戰(zhàn)”，形成結(jié)構(gòu)化自評報告。

該設計通過表達形式多元化與反饋機制精準化的協(xié)同，在減輕作業(yè)負擔的同時強化高階思維能力，

為項目式學習評價體系創(chuàng)新提供實證案例。

（五）作業(yè)設計優(yōu)化策略總結(jié)（如表5所示）

為提升作業(yè)設計的實施效能，本研究提出以下策略：首先，通過課程整合實現(xiàn)課內(nèi)外協(xié)同，將實驗數(shù)據(jù)記錄與分析納入課堂教學環(huán)節(jié)，有效壓縮課外任務時長，減輕學生學業(yè)負荷。其次，依托數(shù)字化資源支持，開發(fā)結(jié)構(gòu)化模板（如思維導圖框架、PPT設計指南），為學生提供標準化工具，以優(yōu)化任務執(zhí)行路徑，降低技術(shù)性操作門檻。此外，引入小組協(xié)作互評機制，鼓勵學生通過同伴評估與反饋迭代優(yōu)化方案，既強化合作學習能力，又分散教師批改壓力。上述策略通過任務情境化、資源可視化與評價多元化，促使作業(yè)從傳統(tǒng)機械訓練轉(zhuǎn)向項目式學習的有機延伸。學生在完成適量且富有挑戰(zhàn)性的實踐任務過程中，不僅能緩解學業(yè)壓力，還能通過跨學科探究深化知識理解與能力遷移，契合“雙減\"政策下減負增效的核心訴求。

四、總結(jié)

總之，通過項目式學習構(gòu)建深度學習場域，借助跨學科整合打破知識壁壘，依托精準作業(yè)設計促進知識內(nèi)化，這種三維聯(lián)動的教學模式，不僅深化了學生對金屬材料的本質(zhì)理解，更培養(yǎng)了核心素養(yǎng)時代的復合型問題解決能力。后續(xù)研究可進一步探索多元評價體系構(gòu)建及教師跨學科教學能力發(fā)展路徑。

（作者單位：貴港市港南區(qū)教師培訓中心）

編輯：孫守春