核心素养视域下的初中化学跨学科项目式学习的设计与实施

邓海英 张智

【摘要】本文对跨学科项目式学习模式在初中化学的应用进行实践探索，以“模拟自来水厂净水器的制作”为项目主题，运用系统思维挖掘项目背后承载的学习目标和任务安排，通过探究水质影响因素、学习净水的方法和自来水厂净水过程、明确净水方法和净水材料、模拟自来水厂净水器的制作、测试净水器的净水效果等项目活动的学习，提高学生解决真实情境问题的能力。

【关键词】核心素养 初中化学 跨学科项目式学习 净水器的制作

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）01-0051-04

《义务教育化学课程标准（2022年版）》把科学探究与实践作为化学学科所要培养的学生核心素养之一。科学探究与实践是指经历化学课程中的实验探究，基于学科和跨学科实践活动形成学习能力；是综合运用化学等学科的知识和方法，通过一定的技术手段，在解决真实情境问题和完成综合实践活动中展现能力与品格。在实践活动中，对真实的情境问题，学生可以综合运用不同学科的知识进行探究，从而得出问题的解决方法或一系列结论。

项目式学习是一种围绕真实而复杂的情境问题进行项目设计，以实验探究、小组合作等方式实施项目，以构建学生知识体系、提升学生必备的学科技能、实现学生全面发展为目标的学习方式。项目式学习致力于提高学生探究问题和解决问题的能力。在单一的学科背景下，学生很难得到在复杂情境中解决问题的体验。因此，为学生创造一个能自觉运用多门学科知识解决实际问题的学习情境，是设计与实施项目式学习的关键。跨学科项目式学习是一种融合跨学科知识的综合性、探究性深度学习方式。在项目实施过程中，学生运用所学多学科知识解决问题，从而建立整体知识观、生活观和世界观，最终达到培养核心素养的目的。本文以“模拟自来水厂净水器的制作”项目式学习为例，阐述核心素养视域下的初中化学跨学科项目式学习的设计与实施。

一、项目内容的选定

开展项目式学习，首要环节是构建一个有质量的项目。项目的质量直接影响学生在项目活动中的参与程度，也将影响学生对项目所承载的核心知识的掌握情况。在初中化学学科内开展项目式学习，必须围绕初中化学的核心知识进行项目构建，体现化学学科的思想方法和学生核心素养的发展。在项目构建过程中，教师主导项目的整体方向：既要引导学生积极参与，对项目进行深入思考，发现自己的兴趣点和疑问点，又要帮助学生从海量的素材中提取出适合学生学习的项目内容。项目内容的选定应符合初中化学综合实践活动的特征、初中生的心理特点、所实施学校学生的基本学情以及资源保障条件等，确保项目的可操作性。项目内容还要符合初中阶段化学学科知识的背景，保证来源于教材并高于教材，同时考虑多学科内容的相互渗透。

例如，学生在学习了人教版化学九年级上册教材中的静置沉淀、过滤、吸附、蒸馏四种净水方法后，对水的净化知识有了一个较为全面的认识，并大致了解了自来水厂的生产流程。初中生有很强的好奇心和探究欲，对化学实验的兴趣浓厚，具有一定的知识基础和探究能力。针对水的净化这一生活实际问题，教师可以设计化学与生活紧密联系的实践活动项目——模拟自来水厂净水器的制作，巩固学生对水的净化知识的理解，引导学生在实践活动中逐渐形成保护和节约水资源的可持续发展意识和社会责任。该项目以水的净化为主要探究内容，涉及水中污染物的分析、水质的分析与检测、水的净化方法的选择、净水材料的测试与选择、净水器的设计与制作、水净化后的水质再分析、动力学系统设计等内容，融合化学、生物学和物理课程的相关知识。学生在项目实践中可以发展合作、创新、多角度分析和解决问题的能力，在运用多学科知识和简单工程技术的方法解决问题的过程中促进深度学习和知识的系统构建。

二、项目设计思路和学习流程

（一）项目设计思路

项目式学习首先要明确该项目的元认知和项目成果之间的发展区，把主项目拆分成一系列子项目，引导学生合作学习，解决问题。“模拟自来水厂净水器的制作”项目的具体拆分思路如图1所示。

（二）项目学习流程及其多学科知识基础

“模拟自来水厂净水器的制作”项目式学习包括明确项目、设计项目和评价项目三个核心流程。在项目实施过程中，学生将综合运用多学科知识，以核心素养达成为终极目标进行活动。“模拟自来水厂净水器的制作”项目学习流程如图2所示。

“模拟自来水厂净水器的制作”信息量大、跨学科且实践性强，需要学生进行深入学习和系统探究，对学生的知识基础和实验操作要求较高。该项目使学生置身于真实情境中，先运用生物学知识对自来水进行“把脉诊断”，再以化学知识模拟制作自来水厂净水器的探究活动为主线，最后运用物理知识解决“多次净化”问题。教师根据学生已学知识，设计如表1所示“水的净化”多学科融合实验。

三、项目实施

项目实施环节是教师按计划有序开展项目，学生积极参与项目学习的过程。项目实施中要注意以下两点：第一，要严格按照计划有序推进项目实施，若出现问题，要及时记录和分析，以便进一步改善项目；第二，要注重项目实施的过程性评价。项目评价从学生参与项目主题的确定和驱动性问题的商讨到最终项目成果的呈现，贯穿整个项目实施的过程。

“模拟自来水厂净水器的制作”项目包含“分析影响水质的因素”“科技馆和水厂研学”“净水方法和净水材料的选择”“设计水净化模拟器的制作方案”“制作净水器和成果展示”五个子项目，这些项目引导学生经历完整的探究过程，将生物学、化学和物理知识融入问题解决的全过程，帮助学生更深刻地理解化学与技术、工程、健康、环境和经济等领域的密切联系，实现“知、情、意、行”相统一的学科育人目标，切实提高学生的化学学科核心素养。

（一）分析影響水质的因素

教师创设“自来水生病”情境引发学生思考和讨论，引导学生通过阅读教材、实验观察深入了解水质的情况，从多学科角度分析影响水质的因素：通过生物实验“用生物显微镜观察自来水”了解水质情况，通过化学知识“用肥皂水检验水的硬度”了解水的硬度。教师把生活实际问题带进项目学习当中，引导学生通过实验探究得出水质报告，为制作净水器做好铺垫。

（二）科技馆和水厂研学

教师组织项目学习小组利用周末去广西科技馆和大王滩污水处理厂进行研学，利用文字、照片详细记录研学过程，汇总成两篇有价值的研学报告并回归课堂做分享汇报。师生先去广西科技馆参观水净化模拟器，学生脑海中初步形成实体化的净水模型；再去大王滩污水处理厂参观各种大型净水设备，了解自然界中的水质情况和实际生产生活中的净水过程，从中培养学生关注生产生活的意识，学会运用所学知识解决实际问题。学生在整理和形成研学报告的过程中学会了查阅资料、汇总信息，提高了信息处理能力，并在小组学习活动中培养了合作意识和沟通交流能力。

（三）净水方法和净水材料的选择

项目学习小组在经过污水处理厂的研学后，得到了一份水质报告。教师引导学生联系生活和化学知识分析水质报告，讨论和选择净水的方法和材料，达到净化水的效果。

师：同学们在报告中列出了水中的主要污染物，用什么方法可以除掉水中的污染物？

生：沉淀、过滤、吸附、消毒、蒸馏。

师：生活中我们可以用哪些物质作为净水材料呢？

生：小石子、棉花、纱布、木炭、活性炭等。

（四）设计水净化模拟器的制作方案

从明确项目到实验探究再到实地研学，进阶至构建净水模型，學生在教师的“问题引导”下化学观念和科学思维得到培养。教师在整个过程中主要起引导和辅助作用，激励学生结合研学经历查阅资料或进行头脑风暴，大胆提出设计方案，培养综合考虑多种因素分析和解决实际问题的能力。

师：净水的方法和材料找到了，同学们可以根据所学的净水方法设计出净水器的制作方案。净水的方法那么多种，先进行哪一个？普通净水的五种方法都需要用到吗？

生：可以参考自来水厂的净水过程，按照净水程度由低到高对水质进行净化，先沉淀再过滤，然后是吸附消毒。生产生活中用不到蒸馏这一净水方法。

师：那怎样使每一步净水方法连贯相通呢？

生：科技馆的净水模型采用阶梯式设计，是不是可以利用水自身的重力使水流经每一步净水装置？

师：若采用重力过滤，怎么控制水的流速？流速越慢净水效果越好吗？但是流速太慢也不符合生产需求。

生：要控制水的流速可以利用水泵进行调节。

学生分组活动，从材料选择、净水效果、节能环保等方面展开讨论，得出了三种水净化模拟器的制作方案，如图3所示。第一种，重力过滤方案，如图3（1）所示：6支具支试管和1支具支玻璃管呈阶梯形排列，6支具支试管的支管向上横放，试管与试管之间用导管连接，最上方的试管与水泵连接；最下方的具支玻璃管直立，支管连接漏斗，玻璃管下方连接接水池。试管从上往下依次放入净水材料：颗粒状大理石、石英砂、棉花、木炭、活性炭、二氧化氯。第二种，正压过滤方案，如图3（2）所示：6瓶试剂瓶竖直水平放置，用玻璃管和橡胶塞相连，玻璃管长端进水、短端出水。左侧试剂瓶与水泵相连，右侧试剂瓶塞上三孔胶塞，塞上分液漏斗，一端连接其他试剂瓶，一端与接水池相连。试剂瓶从左往右依次放入净水材料颗粒状大理石、石英砂、棉花、木炭、活性炭、二氧化氯。第三种，缸（盒）式梯级过滤方案，如图3（3）所示：有机玻璃水缸左端上方连接水泵，右端下方连接接水池。有机玻璃水缸中一共分为6个池，隔板为两层设计，靠近水泵一侧的隔板一层由缸顶延伸向缸底，下方留有空隙，相隔一厘米的另一层则是由缸底延伸向缸顶，上方留有空隙，5处的两层隔板留有的空隙从左至右逐渐增大。6个池中从左往右依次放入净水材料颗粒状大理石、石英砂、棉花、木炭、活性炭、二氧化氯。

（五）制作净水器和成果展示

学生融合多学科知识和工程技术手段，通过动手操作把方案转化成实体成果。学生在动手操作过程中，体会到水的净化原理的实践应用，反思方案设计的不足和改进措施，总结制作净水器的关键要素。项目学习小组根据准备的相关仪器和净水材料，选择设计方案进行净水器的制作，得到如图4所示的成果一和如图5所示的成果二。

生：我们组按照设计方案进行仪器组装制作净水器，组装完毕后测试净水效果，发现水还是浑浊的。

师：你们的净水器设计很不错，但是净水效果不佳，是什么原因造成的？

生：我觉得应该是水流太快，净水效果不明显。

师：经过处理后的水仍然有些许浑浊又该如何解决？

生：我们组打算把净化后的水进行二次净化。

师：制作出的净水器如果要实现多次对水自动循环净化，不用手动重新操作，还应该添加一个什么装置？

生：增加一个水泵，实现水的循环流动。

在制作和成果展示过程中，学生遇到问题及时反思与纠正，通过反复测试对净水器进行修正、补充和完善，科学探究与实践核心素养得到有效提升。在以上项目学习过程中，教师注重学生自评、学生互评和教师点评的多维评价，从中突显学生学习的主体地位，提高了学生的学习效能。

四、项目反思

项目反思是教师和学生都需要参与的重要环节，是再一次改进和完善项目式学习过程的过程。项目反思让师生回顾整个项目的每一个环节，从实践经验中积累经验，改进不足，加深对项目式学习的认识和理解，为下一次设计与实施更有质量的项目奠定基础。

在“模拟自来水厂净水器的制作”项目中，学生讨论和选择生活中不同的净水材料，教师没有给予足够的时间让学生分析选择的理由，也没有给学生搭建选择更优净水材料的模型，以至于未能在实验中对净水材料进行对比选择。生活中可用于净水的材料很多，学生最后主要参考人教版化学九年级上册第四单元课题2中的课外实验——简易净水器，可见学生创新思维受到限制。在成果展示环节，净水效果只能靠学生主观感受，没有准确的数据支撑。如果设备条件允许，可加入电导率的测试检验净水效果，在方便净水材料选择的同时也可以更直观地了解可溶性杂质的最终去除效果，有数据的直观比对，更有利于分析，也更有利于培养学生的科学态度与责任。

在初中化学教学中实施跨学科项目式学习，教师引导学生结合所学的生物学和物理知识，阅读相关资料并从中提取信息，进行多学科融合的项目方案设计和优化。在项目实施的过程中，教师始终坚持情境化问题解决的教学方式，设计有层次的问题驱动，引导学生带着问题进行深度学习。学生在不同的情境中灵活运用多学科知识解决问题，认识到知识的应用可源于教材并高于教材。项目式学习以学生为中心，尊重学生的探究活动，学生在知识的获取、整合、再处理以及对项目成果不断完善的过程中培养了沟通交流、团结协作、创新思维、分析和解决问题的能力，实现了化学观念、科学思维、科学探究与实践、科学态度与责任等核心素养的全面提升。

参考文献

［1］满霞，秦晋，杨燕，等.核心素养导向下的“跨学科—项目式”教学设计：以“我帮稻农选好种”为例［J］.化学教学，2020（10）：50-55.

［2］张鹏.如何在初中化学课堂教学中实施项目式学习［J］.天津教育，2020（33）：88-89.

［3］张昕，叶燕珠.STEM视域下中学化学项目式学习的思考与实践：以“84消毒液的科学使用与制备”为例［J］.福建教育，2020（37）：60-61.

作者简介：邓海英（1983— ），广西柳州人，一级教师，研究方向为初中化学教学；张智（1984— ），广西北海人，高级教师，研究方向为初中化学教学。

（责编 韦榕峰）