STEM视域下初中化学跨学科实践活动的项目化设计与实践
2023-07-11田沛瑶丘月婷柏��范艳花
田沛瑶 丘月婷 柏�� 范艳花
摘要：项目将人教版九年级化学第四单元“自然界的水”的相关内容和课标中的跨学科实践活动“水质检测及自制净水器”相结合。通过项目的实施，促进学生真实情境下的核心概念理解；培养学生运用跨学科知识解决复杂问题的科学思维；活动设计强调技术的应用和工程设计元素的融入，突出化学学科中“科工”整合的有效途径，实现学科统整，为发展学生的核心素养作铺垫。
关键词：STEM教育；跨学科实践活动；初中化学；污水处理厂
文章编号：10056629（2023）06004007中图分类号：G633.8文献标识码：B
《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）明确指出设立跨学科实践活动，加强学科间联系，带动课程综合化实施［1］。如何设计和开展跨学科实践活动已成为备受关注的主题。STEM是融合科学、技术、工程和数学四门学科的一个有机整体，它强调基于活动和项目，把学生置身于真实情境中，以问题驱动培养其知识应用能力和动手实践能力［2］。这与提倡以探究性问题刺激学生掌握各类技能的项目化学习有异曲同工之处，且和课标倡导的跨学科实践活动不谋而合。因此将STEM教育和项目化学习相结合设计跨学科实践活动，以项目为框架整合STEM内容，可以激发学生对科技理工学科的兴趣，发展学生利用多学科知识解决实际问题的能力，进而培养跨学科复合型人才［3］。
基于以上背景，根据人教版九年级化学第四单元“自然界的水”确定“走近污水处理厂”的项目主题，设计广域课程融合模式的STEM项目，试图体现STEM综合解决问题的优势，尤其注重培养学生的“工程思维”能力。该内容与课标规定的跨学科实践活动中的“水质检测及自制净水器”相对应，本项目的设计和实施能为一线教师提供参考。
1 跨学科实践活动和STEM教育
1.1 跨学科综合实践活动的内涵、特征和意义
关于跨学科实践活动的含义，中小学综合实践活动课程指导纲要［4］、课程标准等国家文件都对其做出过解释［5］。综合各方观点，本研究将跨学科实践活动定义为：以化学学科视角为原点，以核心素养的发展为导向，以任务、议题为设计形式，以跨学科大概念为统领，以课程内容综合性、学生操作实践性和生成性为根本属性的跨学科实践性活动。
跨学科实践活动包括跨学科和实践两个组成部分，用实践将不同学科间的知识聯系起来，体现其综合性、实践性和生成性的基本特征。在完成学习任务的过程中，学生所遇到的问题往往是复杂、综合的，需要多学科知识的迁移整合才能解决。此外，大部分活动要求学生亲自体悟和操作，共同完成既定任务和产品制作，具有很强的实践性。另外，在教学实施中，教师遵循学生的认知发展规律，关注学生的发展需求，以弹性的预设为前提，引导学生主动进行知识建构，这也体现出其独特的生成性。
相对于传统的初中化学教学，跨学科实践活动驱动学生整合知识体系，加速了课程内容体系的重新建构，是课程综合化发展的路径［6］。同时，素养为本的化学教学要求洞察学科核心概念，实施学科整合，展开学科实践［7］，这样的课程符合素养导向的课程改革。此外，活动的问题解决过程也促进学生化学观念的形成，培养学生的科学思维，帮助学生掌握科学探究的基本方法，探寻科学本质，树立正确的科学态度与社会责任感［8］，这体现了对于化学课程理念中育人导向的价值关切。总之，无论从加速综合课程发展、推动素养导向的课程变革和体现育人导向的学科价值等各方面来看，跨学科综合实践活动的开展都有重要意义。
1.2 STEM视域下的跨学科综合实践活动
STEM教育是一种以培养学生工程创新素养为目标、以学科整合为基本特征的理念运动，旨在培养学生整合跨学科知识解决现实问题的能力［9］。其核心理念是学科整合和工程教育，因此将STEM教育与跨学科实践活动相结合，有助于将工程与技术等实践要素更好地融入实践活动的问题解决和科学探究过程中，激活学生的跨学科知识，培养学生的科学与技术素养［10，11］。目前在中学阶段，最适合的STEM整合方式是通过活动或项目将解决某一个项目问题所需要的跨学科知识形成连贯的、有组织的课程结构，帮助学生整合掌握不同学科中的相近知识，提升学生的问题解决能力。因此基于STEM理念设计项目化的跨学科实践活动，可以充分发挥STEM教育的优势，使学生整合跨学科知识与技能，在真实的项目情境中开展科学探究和各类工程实践活动，进而发展学生的核心素养。
2 STEM视域下初中化学跨学科实践活动项目化设计的基本流程
课程教学的四项基本要素为教学目标、教学内容、教学实践和教学评价，这也为跨学科实践活动教什么和怎么教提供了基本的逻辑框架［12］。STEM视域下的初中化学跨学科实践活动课程遵循教育教学的基本规律，强调基于真实的项目情境设计教学活动，通过学生之间的合作探究实践，促进学生对跨学科知识的建构和能力、素养的提升。因此可将其活动设计过程分为内容设计、目标设计、方案制定和评价设计四项基本要素（图1）。
跨学科实践活动的项目内容构建包括主题选取和内容组织。课标倡导跨学科主题选取中华优秀传统文化或社会科学议题进行探究实践。对于课程内容的组织，跨学科大概念是连接学科内和学科间知识的桥梁［13］，因此教师需要基于跨学科大概念整体设计单元教学。
明确内容建构之后，就要设计跨学科实践活动的目标。课标要求学习目标以素养为导向，强调学科基本观念、科学思维、探究实践和态度责任［14］。因此，本研究将目标划分为“双基—跨学科思维—学科价值”三个层次。
活动方案的设计包括问题链设计和项目拆解两点。问题设计应具备针对性、挑战性、逻辑性、递进性和应用性等特征［15］，向上反映核心素養总体要求，向下可延伸为具体任务。其次，以项目为主体构建子项目群有助于实践过程的进一步细化，可以让学生更好地参与到实践中。
对于跨学科实践活动的评价，要建立素养为导向的发展性评价。评价内容可以是对学生实践过程的评价；活动表现或成果评价；还可以是捕捉学生学习证据的综合素质档案袋评价。在评价方法上，应针对不同的学习内容制定多种评价量表，用于学生自我诊断、组间评价以及教师评价等。
3 “走近污水处理厂”目标设计和项目内容
3.1 育人指向的教学目标
根据课标对于跨学科实践活动目标设计体现育人价值的要求（图2）、预设项目参与对象（正在学习或已学习过“自然界的水”的学生）已有的跨学科知识和“双基—跨学科思维—学科价值”的三层目标设计方法，本项目的教学目标如下：
（1） 通过前期学习和搜集资料，深化吸附、沉淀、蒸馏、过滤等水的净化的常用方法，了解自来水的净化原理；通过计算污水处理程度学会运用数学等多方面知识和技术解决实际问题。
（2） 根据已有知识自制净水器并体验污水处理工艺设计过程，发展化学观念；通过实验探究和讨论设计出最节省空间、效率更高、更优化的污水处理工艺，体验探究的一般过程，培养知识整合能力、对周围环境的调查能力和布局设计能力等。
（3） 通过对水污染的了解和对水处理项目的参与，感受化学对改善人类生活和促进社会发展的积极作用，树立珍惜、爱护水资源的意识。
3.2 项目内容与教学流程
“走近污水处理厂”项目与九年级化学上册第四单元“自然界的水”内容互补，由浅入深设计了“地球的水循环”“认识污水”“从水的净化到污水处理”和“污水处理厂的设计”4个子项目。子项目1揭示了污水处理对环境保护的重要作用，主要目的是展示项目背景，激活学生的跨学科知识。在子项目2中，教师通过多种教学素材帮助学生初步认识污水和水质，为后续的工程技术活动奠定理论基础。子项目3要求学生在小组合作、交流讨论的基础上制作净水器进行净水，体会污水处理与净水的差异，归纳污水处理的工艺流程。子项目4赋予学生污水处理工程师的角色，引导各小组在探究污水处理厂的选址、布局等问题的基础上，设计一个污水处理厂。这部分内容旨在提升学生的方案设计与优化能力、动手实践能力和探究能力，实现工程问题的解决。活动的实施形式包括课内探究（4课时）与课外活动，体现对STEM素养的培养。具体的教学内容与流程见表1。
4 实施过程
4.1 创设情境——地球的水循环
［课前活动］搜集信息，了解地球上的水循环，污水的来源、分类和水质指标等。
［驱动性问题1］地球中的水循环是怎样的？
［学生］回忆相关地理知识，画出水循环示意图（图3）。
［驱动性问题2］随着工业和城市的发展，生活污水量急剧上升，污染程度加重。这时仅靠水循环中的自然净化还可以吗？
［小组讨论、交流］完善新的水循环示意图（图4），总结污水处理在地球水循环中的作用，明确污水处理的重要性。
4.2 初步感知——认识污水
［驱动性问题1］污水是如何被处理的？在了解净化原理之前，我们需要先认识什么是污水。
［小组讨论、交流］根据课前搜集的资料进行交流。（污水包括人类洗衣服、做饭和上厕所等产生的生活污水，化工厂流出的工业废水和城市径流污水等）
［驱动性问题2］如何判断这些污水的污染程度？
［小组讨论、展示］根据课前收集整理的资料进行讨论，总结水质常用指标，形成表格（表2）。
［驱动性问题3］某县准备建设一个污水处理厂，调查发现该处理厂的进水水质如表3。此时，作为一名水质分析师，你认为该水厂的水处理到什么程度才能排放呢？
［信息］已知：污水处理程度计算公式：
（E处理的程度，%；Ci某物质进水平均浓度，mg/L；Ce允许排入水体的该物质的平均浓度，mg/L）
［交流展示］随机挑选一组学生展示问题解决思路与结果（图5）。
4.3 深入探究——从水的净化到污水处理
4.3.1 第一课时
［课前活动］参观自来水厂，了解其净水过程。
［驱动性问题1］若现在有一杯河水需要净化，你会如何处理？
［实验探究1］分别在剪裁后的矿泉水瓶内填入石英砂、小卵石、活性炭或蓬松棉，注入河水并对其进行净化，观察、对比现象并讨论不同材料产生差异的原因。
［小组讨论、交流］根据实验结果和课前了解的自来水厂净水流程进行讨论，得出净水程度不同的原因可能由净水材料的颗粒度不同或用量的不同所导致。阅读课本可知活性炭是一种多孔性的物质，能够吸附色素、气味等小分子，分析可能是由于这个原因使水中颜色去除。
［实验探究2］采用控制变量法完善实验并验证假设。得出结论：在等量过滤材料的条件下，颗粒度较低时过滤效果较好。在同种材料的情况下，用量越多过滤效果越好。活性炭具有吸附性，可以除去水中溶解的气体和可溶性色素。
［追问］材料用量和种类对净水效率有影响吗？
［学生讨论］材料用量过多时净水速度会慢；颗粒度较小的材料水流速度也慢。
［追问］怎么解决这个问题？
［学生思考］或许可以叠加使用不同材料。
［小组讨论，交流］讨论，得出几种材料叠加的最优方法（上层选用颗粒度较大的，快速过滤大部分大颗粒杂质，下层选用颗粒度小的过滤剩余少量杂质；活性炭应放于最下层吸附颜色和气味，以防其表面附着较多固体颗粒，降低吸附作用）。
［师生交流］建立净水材料的选择与其结构、性质、用途间的关联，感悟控制变量思想的应用。
4.3.2 第二課时
［课前活动］
（1）各小组完善净水器设计方案，制作简易净水器进行净水。
（2）查阅资料，了解污水处理与净水的区别和污水处理的基本步骤。
［情境引入］分享自制的净水器，展示净水步骤。
［驱动性问题2］当处理城市污水时，我们的净水器还能用吗？污水处理与净水有区别吗？
［学生讨论，总结］对课前查阅的资料进行分享（净水是为了改善饮用水和生活用水的水质。污水处理则是使其达到排放标准后排放到自然水系中，避免污染水环境。相比自来水来说，城市污水中存在大量的微生物病原菌、有机物和固体悬浮物，如果采用净水方法进行处理，会影响效益）。
［追问］污水处理如何保证效益？
［小组讨论、总结］需结合物理、化学和生物等多种方法进行。污水处理中，为了降解有机物、COD、 BOD5，往往会选择成本较低的活性淤泥。活性淤泥是一种微生物，以有机物作为食物，并由此大量繁殖，可有效除掉水中的有机物。
［驱动性问题3］除活性淤泥外，污水处理还需经过哪些环节？
［信息］污水处理科普视频——如何进入江海旅行。
［小组讨论、展示］根据视频和课前收集的学习资料总结各环节的作用（表4）。
［迁移应用］一起走进亚洲最大的污水处理厂——上海白龙港污水处理厂，看看里面的污水是如何处理的。
［信息］上海白龙港污水处理厂相关资料。
［师生交流］进一步了解处理过程用到的污水处理流程。
4.4 迁移应用——污水处理厂的设计
4.4.1 污水处理厂的布置
［课前活动］参观身边的污水处理厂，了解它们的位置、规模和内部布局。
［驱动性问题1］一个新的污水处理厂，它该建到哪里呢？需要建设多大规模？
［小组讨论、交流］根据课前活动，讨论总结污水处理厂选址和规模设计注意点。如根据污水量确定建设规模；考虑污水来源、种类、季节变化和城市工业发展情况；远离人群；选址与城市发展分区相协调；考虑地貌地质，避免洪水等自然灾害；与周围水系关联，确保收水便利性和后尾水的排放等。
［驱动性问题2］工厂内部的布置需要注意什么？
［小组讨论、交流］根据课前活动，讨论总结污水处理厂内部设计要点。如按照功能分区；工艺流程排列有序；尽量少占地；各建筑物数量要合理等。
［迁移应用］分析污水处理厂布置和选址的优缺点（提供不同污水处理厂的平面布置图供学生讨论）。
［驱动性问题3］大家是否了解过其他特色污水处理厂？
［交流分享］上海吴淞污水处理厂（绿化率58%，建设成科普基地）；天府国际生物城地下污水厂（全地下式，地上为景观公园）。
4.4.2 设计污水处理厂
［工程设计］近期建设规模2.0万m3/d（立方米/每天），远期建设规模4.0万m3/d。以符合国家一级A排放标准为目标。计划设置主要构筑物粗、细格栅各两座、曝气沉砂池一座分二格、水解酸化池、生物曝气池和二沉池各一座。
［任务］由于污水中工业废水比重大，在进入二级处理之前，增设水解酸化池，应设几座？
［信息］已知Qmax（每秒最大流量）=0.255m3/s，单座池尺寸为18×7.8×7.9m，有效水深为7.4m，水力停留时间（污水在反应器中的平均停留时间）为4.4h［18］。
［学生］独立计算（示例如图6所示）。
［课外小组活动］现在你是工程师，请设计一个污水处理厂（不考虑三级处理情况，只需要规划一、二级处理的构筑物及设施）。
［学生汇报、互评及交流反思］对各自的设计图进行展示分享（示例如图7）。
5 总结与反思
为实现STEM视域下初中化学综合实践活动的教学创新，本研究探讨了跨学科实践活动的内涵、特点和基本要素，提出了与其相适应的初中化学跨学科实践活动的项目化设计的基本要素与程序，并融合真实的工程情景设计了“走近污水处理厂”STEM项目。在项目的设计中，着重创设了探究环节与情景任务，赋予学生以小组的力量挑战各种真实问题，培养学生搜集信息的能力和合作交流能力。在教学实践中，教师提供了相应的学习支架，如发放学生任务表和提供资料查询途径等。在整个教学过程中，学生学习兴趣较为浓厚，预设的问题也通过合作探究得到了很好的解决。此外，对于课外活动，学生也积极参与并及时进行了交流与展示。
本案例在实施时也遇到了一些困难。如课堂设计中包含大量探究活动，因此以小组为形式安排座位，部分内向的学生一开始较为拘束，这增加了教师的工作负担。此外，由于本案例提供了较丰富的教学资源，要求学生进行大量的实践活动，因此课程结束后仍有部分学生想对同伴展示的污水处理厂设计作品进行探讨与评价。但时间有限，未能允许所有学生逐一发言，而是让他们在课下进行交流。今后，针对本项目在课堂上的作品展示和学生合作兴趣调动等方面将做进一步的改进与完善。
参考文献：
［1］［5］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社，2022.
［2］中国教育科学研究院. 中国STEM教育白皮书［R］. 北京： 中国教育科学研究院，2017.
［3］Hanif S.，Wijaya A. F. C.，Winarno N.. Enhancing Students' Creativity through STEM Project-Based Learning ［J］. Journal of Science Learning，2019，2（2）： 50～57.
［4］中华人民共和国教育部. 中小学综合实践活动课程指导纲要［EB/OL］. 20170925. http：//www.gov.cn/xinwen/2017-10/30/content_5235316.htm.
［6］戴羽明，范英軍. 初中跨学科主题学习的课程理解与教学转型——以《义务教育历史课程标准（2022年版）》跨学科主题学习为例［J］. 天津师范大学学报（基础教育版），2023，24（1）： 58～63.
［7］钟启泉. 课堂转型［M］. 上海： 华东师范大学出版社，2018：9192.
［8］［18］核心素养研究课题组. 中国学生发展核心素养［J］. 中国教育学刊，2016，（10）： 1.
［9］乙若梅，龚正元. 高中化学开展STEM教育的实践尝试——以“纳米Cu2O的制备及处理染料废水性能测试”为例［J］. 化学教学，2021， （12）： 43～47.
［10］Bybee R. W.. Advancing STEM education： A 2020 vision ［J］. Technology and engineering teacher，2010，70（1）： 30.
［11］English L.. Engineering education in early childhood： Reflections and future directions ［M］//Early engineering learning. Springer： Singapore，2018： 273～284.
［12］全国十二所重点师范大学. 教育学基础（第3版）［M］. 北京： 教育科学出版社，2014： 216.
［13］刘徽. “大概念”视角下的单元整体教学构型——兼论素养导向的课堂变革［J］. 教育研究，2020，41（6）： 64～77.
［14］钟柏昌，李艺. 核心素养如何落地： 从横向分类到水平分层的转向［J］. 华东师范大学学报（教育科学版），2018，36（1）： 55～63，161～162.
［15］韩琴. 课堂提问能力实训［M］. 北京： 高等教育出版社，2019： 127.
［16］中华人民共和国生态环境部制订. 城镇污水处理厂污染物排放标准［EB/OL］. （20030701）［20210418］. http：//www.mee.gov.cn/ywgz/fgbz/bz/bzwb/shjbh/swrwpfbz/200307/t20030701_66529.shtml.
［17］于博文. 苍山县某污水处理厂设计［D］. 长春：吉林大学硕士学位论文，2016.
