資源簡介

基于核心素養(yǎng)的“跨學(xué)科主題”實踐活動 教學(xué)設(shè)計
——以“簡易吸碳機”的制作項目為例
一、課標分析
最新頒布的《義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）》在圍繞落實立德樹人的根本任務(wù)、深化課程改革、強化育人功能方面明確指出：“整體規(guī)劃學(xué)生核心素養(yǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展”，“既強調(diào)化學(xué)學(xué)科及科學(xué)領(lǐng)域的核心素養(yǎng)，又反映未來社會公民必備的共通核心素養(yǎng)”。在完善課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)上的最為突出的亮點是設(shè)置“跨學(xué)科主題”學(xué)習(xí)活動，引導(dǎo)學(xué)生在更寬廣的學(xué)科背景下綜合運用化學(xué)和其他學(xué)科的知識分析和解決真實問題的能力?！读x務(wù)教育課程方案》同時規(guī)定，各學(xué)科用不少于本學(xué)科總課時的10%開展跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)（實踐）活動。因此，“跨學(xué)科主題”實踐活動的研究迫在眉睫。
筆者嘗試基于“碳中和”理念下設(shè)計跨學(xué)科主題實踐活動，幫助學(xué)生運用跨學(xué)科知識，親身經(jīng)歷創(chuàng)意設(shè)計、動手制作“簡易吸碳機”以解決CO2過度排放造成的環(huán)境問題。在實踐過程中，學(xué)生通過整個項目的系統(tǒng)規(guī)劃和實施，體驗科技創(chuàng)造價值的過程，感受合作、協(xié)同創(chuàng)新解決問題的重要性。
二、項目主題分析及育人價值
“簡易吸碳機”的制作項目源于環(huán)境問題所引發(fā)的社會性議題，具有重要的現(xiàn)實意義，屬于化學(xué)與環(huán)境領(lǐng)域的作品制作類綜合實踐活動，具有綜合性、學(xué)科融合性和任務(wù)驅(qū)動性等特點。
該項目聚焦“物質(zhì)的化學(xué)變化”學(xué)習(xí)主題，探究二氧化碳的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化、碳酸鹽的性質(zhì)及復(fù)分解反應(yīng)，承載學(xué)生必做實驗“二氧化碳的實驗室制取與性質(zhì)”，涉及“化學(xué)與社會·跨學(xué)科實踐”主題中“資源、環(huán)境”的部分內(nèi)容，促進學(xué)生發(fā)展元素觀、變化觀等化學(xué)觀念，增進“系統(tǒng)與模型”“比例與定量”“可持續(xù)發(fā)展”等跨學(xué)科大概念的進一步發(fā)展。
該項目要求學(xué)生有意識地應(yīng)用化學(xué)核心知識，自主調(diào)用物理和數(shù)學(xué)等多個學(xué)科的相關(guān)知識，應(yīng)用技術(shù)與工程的方法解決實際問題，通過設(shè)計、評估解決“捕集和利用CO2”的方案，制作項目作品并進行改進和優(yōu)化。不僅能提升學(xué)生對化學(xué)學(xué)科價值的認同感和綜合的科學(xué)素養(yǎng)，而且能很好地培養(yǎng)他們的合作意識，形成學(xué)科觀念和低碳生活的理念。該項目學(xué)科育人價值如圖1所示。
圖1 “簡易吸碳機”的制作項目育人價值
三、項目任務(wù)及目標
“簡易吸碳機”雖然只是模擬工業(yè)吸碳工廠的簡易作品，但也是一個綜合、復(fù)雜、開放的實踐活動。學(xué)生在完成任務(wù)過程中，需要關(guān)注“碳中和”這樣一個社會熱點話題，學(xué)習(xí)化學(xué)、物理等學(xué)科的相關(guān)知識，還要遵從作品制作的一般過程和方法，要在整體設(shè)計的基礎(chǔ)上進行制作，在多次試驗基礎(chǔ)上優(yōu)化方案并完善作品。按照工程實踐過程，將項目拆解成兩大任務(wù)，分別是碳捕集和碳利用，再進一步拆解為四個具體子任務(wù)：捕風(fēng)（自制簡易吸風(fēng)機）、捉碳（探尋適宜的二氧化碳吸收劑）、釋碳（設(shè)計碳釋放與吸收劑再生途徑）、用碳（碳及其化合物的相互轉(zhuǎn)化）。
核心素養(yǎng)導(dǎo)向的化學(xué)教學(xué)，倡導(dǎo)基于主題整合教學(xué)內(nèi)容，發(fā)展學(xué)生化學(xué)課程核心素養(yǎng)。因此，在進行該項目主題設(shè)計時，將二氧化碳的性質(zhì)與制備、碳酸鹽的性質(zhì)及復(fù)分解反應(yīng)等新授課內(nèi)容納入其中，讓學(xué)生學(xué)習(xí)“有用的化學(xué)”。共設(shè)計了9課時的教學(xué)計劃，完成了課程標準提出的“跨學(xué)科主題”活動的課時要求。
四、項目學(xué)習(xí)的實施過程及成果展示
項目學(xué)習(xí)實施過程以子任務(wù)2“捉碳”（1課時）為例，記錄活動中的師生行為和成果展示。本節(jié)課的內(nèi)容是在回顧“捕風(fēng)”的吸風(fēng)機的基礎(chǔ)上重點完成“捉碳”的任務(wù)，即探尋適宜的二氧化碳吸收劑。
［課堂調(diào)查］你采用哪種交通方式上學(xué)？你們知道什么是“碳中和”嗎？
［學(xué)生匯報］碳中和就是指碳的排放與吸收達到平衡，基本實現(xiàn)碳的零排放。自從工業(yè)革命以來，全球二氧化碳排放量每年以驚人的速度增長，遠遠超出了大自然所能吸收的上限。碳循環(huán)失去平衡，全球變暖，氣候異常，實現(xiàn)碳中和已經(jīng)刻不容緩！
［教師小結(jié)］碳減排和碳捕集利用是實現(xiàn)碳中和的兩條途徑。
設(shè)計意圖：從低碳出行這一身邊的小事引出“碳中和”這一大概念，提高學(xué)生對于綠色、低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型的理解和認識。
［項目任務(wù)］特斯拉創(chuàng)始人馬斯克就直接發(fā)布1億美元的懸賞令，尋找“最佳”碳捕集利用技術(shù)。教師帶領(lǐng)學(xué)生組建“碳捕集”攻關(guān)小組，將“碳捕集”拆解為“捕風(fēng)”“捉碳”“釋碳”三個活動。設(shè)想自制一臺能夠捕捉煙氣中的二氧化碳的裝置，能使空氣中的二氧化碳被濾網(wǎng)上的物質(zhì)吸收固定，吸滿后只需拆下濾網(wǎng)，借助一定工藝釋放出純凈的二氧化碳，就能封存或再利用。這個能夠捕風(fēng)捉碳再釋碳利用的裝置，我們把它稱為“吸碳機”。前期，已完成了簡易吸風(fēng)機的制作。
活動一 回顧簡易吸風(fēng)機的制作
［展示階段成果］小組同學(xué)利用小馬達、扇葉、電池、廢棄飲料瓶、雪糕棍等材料和物理學(xué)知識完成捕風(fēng)裝置——簡易吸風(fēng)機。左側(cè)是利用負壓吸風(fēng)動力裝置、右側(cè)是濾網(wǎng)。打開開關(guān)通電，吸風(fēng)機開始工作，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生內(nèi)外壓強差將空氣自右向左吸進簡易吸風(fēng)機，完成捕風(fēng)任務(wù)。
［問題1］吸風(fēng)機如何“捉碳”呢？
［學(xué)生討論］要在吸風(fēng)機的濾網(wǎng)涂上適宜的CO2吸收劑，便形成一款簡易的吸碳機。
設(shè)計意圖：以學(xué)生熟悉的物品——捕蚊拍為情境做類比，激趣的同時有助于學(xué)生理解吸風(fēng)機的組成結(jié)構(gòu)、工作流程，并引出本節(jié)課所要完成的項目子任務(wù)。
活動二 探尋適宜的CO2吸收劑之初尋
［問題2］你們已經(jīng)知道哪些能做吸收CO2的試劑？如何設(shè)計實驗比較吸收劑的效果？
［討論與匯報］根據(jù)學(xué)生的知識基礎(chǔ)，可選的吸收劑有水和澄清石灰水，通過兩種方案比較吸收的效果。
［學(xué)生實驗1］采用振蕩吸收法比較不同吸收劑的吸收效果。
實驗試劑：30mL水、澄清石灰水［30mL水+0.05g Ca（OH）2］、石灰乳［30mL水+2g Ca（OH）2］、 2g Ca（OH）2固體、CO2氣體（2瓶）、無色酚酞試劑。
實驗方法：分別向吸收劑中先滴入2～3滴無色酚酞試液，然后再將吸收劑倒入裝有CO2氣體的塑料瓶中充分振蕩，觀察實驗現(xiàn)象。
［問題3］由酚酞退色的軟塑料瓶不再繼續(xù)變癟的現(xiàn)象推測：試劑具有怎樣的性質(zhì)更有利于吸收CO2氣體？
［學(xué)生］堿性溶液有利于對二氧化碳的吸收。
［展示］用氫氧化鈣固體吸收二氧化碳、放置一天后完全變癟的塑料瓶。
［結(jié)論］從吸收速率與吸收效果來看，上述吸收劑中效果最好的是石灰乳。
［設(shè)疑］石灰乳適宜于吸碳機嗎？
設(shè)計意圖：以任務(wù)驅(qū)動，在探究多因素問題時，通過控制變量法，不斷找到吸收效果更好的吸收劑，引導(dǎo)學(xué)生在實驗過程中找到影響吸收效果的因素。
活動三 初探吸碳機吸碳性能
［學(xué)生實驗2］將吸風(fēng)機過濾網(wǎng)倒扣在石灰乳中，蘸取一定量的石灰乳后，觀察吸風(fēng)效果，并結(jié)合吸收反應(yīng)的生成物分析吸風(fēng)效果變差的原因（見圖4）。
［結(jié)論］微溶的氫氧化鈣和生成物碳酸鈣會堵塞過濾膜，導(dǎo)致吸風(fēng)效果變差。
［過渡］顯然對這款簡易吸碳機而言，石灰乳還不是最適宜的吸收劑，我們還要繼續(xù)尋覓。
設(shè)計意圖：讓學(xué)生在真實的情境中解決現(xiàn)實的問題。一方面，學(xué)生在項目學(xué)習(xí)中體會到知識的簡單運用往往不能滿足現(xiàn)實的需要。另一方面，學(xué)生對找到其他替代物解決碳酸鈣堵塞過濾膜的問題充滿了探究欲望。
活動四 適宜的CO2吸收劑之再覓
［問題4］適宜的吸收劑應(yīng)具有什么性質(zhì)？從產(chǎn)物的角度分析，應(yīng)具有什么性質(zhì)？根據(jù)下列資料預(yù)測更為適宜的CO2吸收劑。
［提供資料］（1） 常見物質(zhì)的溶解性（20℃）和堿性性質(zhì)表。（2） 常見物質(zhì)與CO2反應(yīng)的產(chǎn)物情況：
［交流匯報］閱讀資料，交流討論，找出可能的吸收劑：KOH、 K2CO3、 NaOH、 Na2CO3、 Ba（OH）2、 （NH4）2CO3。再根據(jù)產(chǎn)物溶解性及穩(wěn)定性，進一步排除Ba（OH）2、 （NH4）2CO3。
［方法小結(jié)］我們發(fā)現(xiàn)從物質(zhì)類別角度進行篩選，能夠讓我們的研究事半功倍！
設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)研究方向收集資料、利用資料獲取信息的能力。引導(dǎo)學(xué)生采用分類比較的思維模式，根據(jù)物質(zhì)類別合理篩選吸收劑，同時也為后續(xù)堿類物質(zhì)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。
［問題5］如何比較KOH、 K2CO3、 NaOH、 Na2CO3這四種物質(zhì)的溶液誰更適宜用于吸碳機？
［交流討論］與吸碳機吸收過程最相似的是動態(tài)吸收法，需要運用該方法對上述物質(zhì)進行對比實驗，所用裝置如圖2所示。
圖2 動態(tài)吸收法所用裝置
［展示裝置］將氣瓶中CO2先經(jīng)過穩(wěn)壓分流器分成等速等量的四股氣流再通入四個霧化吸收管中，吸收CO2后的剩余氣體通入澄清石灰水中，通過觀察燒杯中石灰水變渾濁的快慢判斷吸收劑的吸收效果。
［實驗視頻］對比等濃度、等體積KOH、 K2CO3、 NaOH、 Na2CO3溶液的動態(tài)吸收效果（見圖3）。
圖3 自制穩(wěn)壓裝置測試不同吸收劑的吸收效果
［結(jié)論］KOH更適合用于簡易吸碳機。
活動五 成果展示——再測吸碳機吸碳性能
［設(shè)問］KOH溶液的實際吸收效果如何？
［演示實驗］借助CO2傳感器測定裝置內(nèi)氣體中CO2濃度的變化。
［實驗結(jié)果］400s時CO2濃度已經(jīng)減少了600ppm，隨著時間增加，還有減少趨勢。
設(shè)計意圖：利用數(shù)字傳感器定量論證吸碳機的實際捕碳能力，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理意識和實事求是的科學(xué)精神。
［階段成果］通過本節(jié)課的課堂活動，我們認識到CO2能與堿性溶液反應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)，找到了適宜的吸收劑氫氧化鉀溶液，初步完成了簡易吸碳機的制作，并成功捕集了空氣中的CO2。
［展望世界］這種碳捕集方法與哈佛大學(xué)Keith教授的研究非常相似。他正是利用氫氧化鉀作為大型吸碳機的吸收劑，成立了吸碳工廠。看來大家已基本學(xué)會像科學(xué)家一樣思考了。
設(shè)計意圖：通過總結(jié)提升，將項目研究內(nèi)容與學(xué)科知識體系聯(lián)系起來，讓學(xué)生體會到化學(xué)學(xué)科在資源保護和改善人類生存環(huán)境等方面的重要作用和意義。同時，通過項目學(xué)習(xí)的完整過程，學(xué)生慢慢學(xué)會像科學(xué)家一樣進行深度思考，培養(yǎng)科學(xué)精神和社會責(zé)任感。
五、教學(xué)實踐反思與啟示
通過跨學(xué)科主題實踐活動——“簡易吸碳機”的制作，將“碳中和”這一熱點話題在課堂中落地，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和跨學(xué)科能力。
（1） 跨學(xué)科實踐活動選題要接地氣。明確該主題的教學(xué)定位，選擇密切聯(lián)系學(xué)生的生活經(jīng)驗和社會熱點問題，體現(xiàn)跨學(xué)科知識內(nèi)容的運用，激發(fā)學(xué)生探究的興趣，幫助學(xué)生了解科學(xué)、技術(shù)與社會的相互關(guān)系，對某些社會問題作出積極的思考和決策，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
（2） 跨學(xué)科實踐活動是發(fā)展思維的重要途徑。完成一個具有挑戰(zhàn)性的實踐任務(wù)，通常運用逆向思維來拆解問題，將復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為簡易問題。本項目拆解的逆向思維過程如圖9所示。讓學(xué)生經(jīng)歷調(diào)研、創(chuàng)意設(shè)計、動手制作、展示表達、方案評價、反思改進等多樣化活動，促進學(xué)生形成運用多學(xué)科知識、技術(shù)、工程等融合解決問題的系統(tǒng)思維。
（3） 跨學(xué)科實踐活動設(shè)計體現(xiàn)大單元思想。每個學(xué)習(xí)主題以大概念為統(tǒng)領(lǐng)，注重多維度選取課程內(nèi)容，既包括核心知識，又包括對思維方法、探究實踐和情感態(tài)度價值觀等方面的要求，充分發(fā)揮跨學(xué)科實踐活動對課程內(nèi)容和教學(xué)實施的整合功能。
（4） 跨學(xué)科實踐活動促進師生共同成長?！昂喴孜紮C”的制作中用到了空氣動力學(xué)、氣壓差等物理知識，設(shè)計產(chǎn)品用到了機械工程知識，“捉碳、釋碳和用碳”則需要用到物質(zhì)轉(zhuǎn)化與守恒的化學(xué)學(xué)科觀念。如果進一步分析，吸碳機適用于風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，則需要借助地理知識。這就給師生提供了發(fā)展實踐、創(chuàng)新綜合素養(yǎng)的空間，同時也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，對比常規(guī)課堂，跨學(xué)科主題實踐活動更能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的課堂參與度和學(xué)習(xí)效果。在“雙減”背景下，跨學(xué)科主題實踐活動是一種以發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方式，具有推廣價值。同時需要關(guān)注的是，這種完整的學(xué)習(xí)研究過程需要協(xié)調(diào)各學(xué)科的教學(xué)計劃，合理分解學(xué)習(xí)任務(wù)，安排教學(xué)內(nèi)容，對師生提出了更高的要求。

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