基于核心素養發展的初中化學跨學科主題學習實踐

薛磊 王偉群

摘要： 隨著《義務教育課程方案（2022年版）》出臺，旨在培養學生核心素養的課程改革進入了深化階段，明確提出了進行跨學科主題學習（實踐）活動的要求。選取初中化學（滬教版）中有關“金屬的冶煉與應用”內容，以“從人類社會發展看金屬的冶煉與應用”為主題，分析義務教育階段化學課程與歷史課程相關內容，尋找兩者在核心素養要求方面的融合點，探索跨學科主題學習的實踐路徑。

關鍵詞： 初中化學； 核心素養； 跨學科； 教學設計

文章編號： 10056629（2023）07005206

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

隨著《義務教育課程方案（2022年版）》出臺，以聚焦培養學生核心素養，體現正確價值觀、必備品格和關鍵能力的義務教育教學改革進入深化階段。課程的綜合化、實踐化是本次課程方案修訂的一個重要內容，要求教學中“注重真實情境的創設，增強學生認識真實世界、解決真實問題的能力”［1］。

學生遇到的真實問題往往比較復雜，大部分情況下無法用單一的學科觀點來理解或解決，需要運用兩個或更多的學科知識，采用多種思維方式、研究方法來解決綜合性的問題［2］?？鐚W科主題學習是指為培養跨學科素養而整合兩種及兩種以上學科內容開展學習的教學活動，具有綜合性、實踐性、探究性、開放性、操作性等特點［3］?？梢?，在初中化學教學中選擇合適的情境素材，將其他學科的內容融入教學活動中，開展以促進學生掌握并運用學科觀念，助力學生解決實際問題能力提升的跨學科主題學習是教學改革的必然趨勢。

跨學科主題學習，不應停留在各學科知識內容的簡單堆積，而在于落實學科素養的內在融合。對待同一個問題，盡管不同學科會從各自角度進行探討研究，但其在學科素養方面卻具有高度統一性。如歷史學科核心素養為“唯物史觀”“時空觀念”“史料實證”“歷史解釋”“家國情懷”五個方面，與化學科學素養的“化學觀念”“科學思維”“科學探究與實驗”“科學態度與責任”存在相應的內在關聯，如圖1所示。鑒于此，研究選取滬教版《九年級化學（上）》第五章有關“金屬的冶煉與應用”相關內容，將人類社會發展過程中有關我國古代勞動人民冶金技術的史實融入教學活動，探索初中化學與歷史的跨學科主題學習的實踐路徑。

2 教學內容分析

對義務教育階段化學學科與歷史學科的課程標準以及相關教學內容進行分析，能夠發現兩者之間存在緊密聯系，如表1所示。將“金屬冶煉的需求及工藝發展歷程”作為引線，進行“人文科學角度理解人類社會的演進”與“自然科學角度理解科學技術發展的進程”結合的跨學科教學具有良好的可操作性。

3 教學目標

（1） 結合有關考古事實的記載與金屬性質的了解，對人類早期發現與利用金屬材料進行合理推測，發展對物質世界的好奇心、想象力與探究欲。

（2） 利用考古文獻記錄推測并模擬古代火法煉銅，探究古代冶煉金屬的原理，并進行基于實驗事實的證據推理，認識勞動在人類社會發展中的重要作用，增強民族自豪感。

（3） 通過對比、歸納、整理等活動，體會外界環境及反應條件對物質變化的影響，初步形成條件控制意識，初步樹立資源循環使用、綠色環保的發展理念。

4 教學思路

本節課圍繞金屬的冶煉，以“從人類社會發展看金屬的冶煉與應用”為主題，按照如圖2所示的教學思路將整個學習過程分為四個環節：從金屬應用認識金屬冶煉的意義、從物質轉化認識金屬冶煉的原理、從反應條件認識金屬冶煉的工藝、從社會進步認識金屬冶煉的發展。教學環節內在邏輯為“我們為什么要冶煉（金屬冶煉的意義）”“我們可以從哪里獲得金屬（金屬冶煉的原理）”“我們可以怎樣獲得金屬（金屬冶煉的工藝）”，“我們如何理解科技發展史（金屬冶煉的發展）”。

5 教學流程

環節1：從工具使用認識金屬冶煉的意義

［情境創設］約公元前4600年，我國開始冶煉銅。

［問題1］請同學們根據金屬的性質進行合理推測，原始人類有可能是怎樣發現第一塊金屬銅的？

［學生回答］可能是因為金屬銅具有的顏色與其他石材不同，也可能是金屬銅敲打后不是碎裂而是形變吸引他們。

［追問］你認為，早期的人類會將這些天然存在的金屬加工成什么？

［學生回答］把它加工成小飾品，也可能是小刀片……說不準。

［小結］金屬的無意發現是人類歷史發展進程中的一個偶然事件，但人類對金屬的認識從外觀到內在、從表層到深入卻是一個必然的過程，最終導致人類的生產工具發生變化。

設計意圖： 歷史學是在一定的歷史觀指導下敘述和闡釋人類歷史進程的學科［6］。義務教育階段要求學生能夠根據真實可靠的史料進行解讀，客觀、正確地認識歷史。教師通過引導學生對早期人類“發現銅”和“加工銅”作合理推測：一方面，學生思考金屬材料比天然石材具備更優良的性能以及提高農業耕作的生產力的原因，增進學生對于“物質性質決定物質用途”的化學觀念的理解；另一方面，通過金屬材料的應用引發生產工具的變革，幫助學生對“勞動在推動人類社會發展中的重要作用”的唯物史觀的建立。

環節2：從物質轉化認識金屬冶煉的原理

［情境創設］根據20世紀70年代的考古發現，我國湖北大冶銅綠山古銅礦新石器時期的炊火遺跡中有銅珠這一事實。

［問題2］根據現有考古證據與化學知識，我們能否推測出古人是如何將銅綠山附近的土轉化為銅的？

［學生討論］由于是在炊火遺跡中發現銅，推測反應條件應該是加熱或高溫，而銅綠山附近的土含有堿式碳酸銅，受熱分解能夠產生氧化銅。

［設問］滿足這些條件，堿式碳酸銅能轉變為銅嗎？我們不妨做一個實驗看一看。

［小組實驗1］將一定量的木炭粉與氧化銅粉末混合后，放入試管中加熱，裝置如圖3所示。各小組學生通過實驗發現，加熱固體一段時間后，澄清石灰水變渾濁，冷卻后發現試管內的黑色粉末變為紅色固體。

［學生討論］澄清石灰水變渾濁，說明有二氧化碳生成。紅色固體具有金屬光澤，說明有銅產生。因此能夠初步推斷出加熱情況下，木炭能與氧化銅反應生成銅和二氧化碳。

［展示］《天工開物》等古籍中有關火煉法冶煉金屬的記載。

［小結］古代金屬冶煉大部分均利用礦物與木炭混合加熱的方法進行冶煉，這也是符合當時科技發展的實際情況的。從現代化學角度來看，這些冶煉方法都是在高溫條件下，利用碳、一氧化碳、氫氣等物質將金屬氧化物中的氧元素奪去，形成金屬單質和對應的氧化物（CO、 CO2或H2O），我們稱為“熱還原法”。

［問題3］人類最早冶煉金屬的歷史年代，如表2所示。請你推測一下，為什么銅器大量使用的時期早于黃金、鐵器？

［學生討論］銅的冶煉年代比金早，可能是因為在地殼中金的含量遠比銅要小，所以很難被發現并使用。鐵的冶煉年代比銅晚，可能是因為銅的熔點比鐵的熔點低，容易冶煉和鑄造；銅的含量遠比金的含量高，容易大量獲取礦石；金屬銅的化學性質比鐵穩定，冶煉難度比鐵低等。

［追問］為什么說熔點低的金屬容易冶煉？

［學生討論］金屬熔化后能夠從原來的混合物中流出來，熔點低的金屬就容易與其他雜質分離。

設計意圖： 借用“炊火遺跡發現金屬銅”這一考古發現，引發學生對金屬礦物轉化為金屬的方法思考；利用古籍中有關金屬火煉法的記載并通過實驗模擬火法煉銅，使學生感受到古代勞動人民冶煉金屬的智慧和不易。通過對物質元素組成的分析探討物質轉化的方式，引導學生從反應本質層面理解金屬冶煉原理。同時，引導學生對金屬冶煉年代的先后順序的思考，使他們理解實現物質轉化是一個多因素影響的復雜系統，受到金屬性質、地理分布、客觀需求等條件的影響或制約。

環節3：從反應條件認識金屬冶煉的工藝

［情境創設］青銅冶煉技術的發展，冶煉金屬的爐溫得到了提高。春秋戰國時期，人們在冶煉銅的過程中發現了鐵，從而使煉鐵成為了可能。煉鐵技術由塊煉法轉變為熔煉法，鐵制農具使用范圍的擴大，使得社會生產力顯著提高，我國從而進入了鐵器時代。

［問題4］從煉銅到煉鐵，關鍵技術是爐溫提高。請大家思考一下，我們可以通過哪些方式提高爐溫、依據是什么？

［學生討論］可以改用熱值更高的燃料，使等量燃料完全燃燒時釋放的熱量更多；可以增加空氣（氧氣）的量或者增大反應物之間的接觸面積，有利于燃料的完全燃燒；可以通過密封或隔熱等方式減少反應過程中熱量的散失。

［講解］結合圖片資料的展示對學生提出的方案作了肯定：（1）進風系統改進：西漢時期，我國已使用皮橐作為鼓風工具，之后出現水排等；（2）燃料種類改變：五代時期開始使用煤（石炭），明朝時期已開始使用焦炭作為熔爐煉鐵的燃料；（3）通過粉碎礦石與燃料，并且相互混合，增大反應物接觸面積；（4）高爐中密封體系的實現以及隔熱材料的應用等；（5）現代高爐中使用的空氣為熱空氣。

［問題5］現代高爐煉鐵是在古代煉鐵高爐的基礎上逐漸發展起來的。請思考原料中的焦炭作用有哪些？

［學生討論］焦炭是可燃物，點燃后能與空氣中的氧氣反應釋放出大量的熱，為高爐煉鐵提供高溫條件；在高溫條件下，焦炭能夠與二氧化碳化合形成一氧化碳，一氧化碳是還原劑，能夠奪取鐵的氧化物中的氧元素；高爐冶煉出的產品是生鐵，生鐵中碳元素的含量是焦炭提供的。

［追問］焦炭和一氧化碳都是還原劑，為什么生鐵冶煉原理主要是一氧化碳與鐵的氧化物反應而不是焦炭直接與鐵的氧化物反應？

［學生討論］焦炭是固體，一氧化碳是氣體，氣體和固體之間的接觸面積要比固體和固體之間的接觸面積大，反應更加容易且充分。

［追問］一氧化碳作為冶煉金屬的還原劑，為什么需要通過兩步反應產生，而不是直接由碳和氧氣直接化合而得？

［學生討論］高爐煉鐵需要高溫，而碳和氧氣反應生成一氧化碳，是碳的不完全燃燒，燃燒速度慢，釋放熱量少。同時，從高爐示意圖上可知，焦炭燃燒部位附近有大量熱空氣通入，屬于氧氣充足的富氧狀態，發生的是完全燃燒。

設計意圖：通過引發學生思考并解決“如何提高爐溫”這一問題，引導學生從化學反應條件的角度思考如何控制化學反應，增強學生利用化學知識解決實際問題的意識，提高學生從化學學科的角度對金屬冶煉技術發展的認識與理解。結合歷史資料的呈現和閱覽，使學生能在特定時空條件下考查歷史和理解歷史，增進對廣大勞動人民在勞動中積累經驗、創造價值的認同。

環節4：從社會進步認識金屬冶煉的發展

［情境創設］隨著現代社會的高速發展，現代高爐煉鐵不但需要考慮經濟效益，更需要兼顧環境效益。我國研究與應用高爐大數據，推動智能煉鐵技術的發展。

［問題6］對照分析古代高爐與現代高爐的裝置構造（如圖4）、投料方式以及產物種類等，思考現代高爐煉鐵工業如何實現兼顧經濟效益與環境效益的高質量生產模式。

［學生討論］爐身提高使得原料投放量增多，生鐵的日生產量也相應得到提高；投料方式由堆放法改為頂部添加，固體下落過程中與上升的熱氣流相遇能夠使得反應物之間充分接觸；生鐵取出方式由砸爐取鐵改為開閘放鐵，不但能夠實現連續生產，而且能夠節約能源與資源；高爐煤氣和爐渣由直接排放改為回收利用，能夠充分利用資源與能源等。

［小結］在現代工業中，經濟效益與環境效益同等重要?，F代社會的進步，微觀技術的突破以及大數據的發展，讓我們的冶煉金屬工藝愈加綠色環保、節能高效。

設計意圖： 人類社會的進步推動科學技術的革新，科學技術的發展同時也對人類社會的發展提供更大的推力。在現代社會中，在生產過程中對于“環境問題”“資源問題”等方面的考慮是不可回避的。通過古今高爐煉鐵工藝對比，利用實際問題的分析過程增強學生的時代責任感、歷史使命感與民族自豪感。

6 教學效果與反思

以“從人類歷史發展角度看金屬的冶煉”為主題的跨學科學習，借助文獻及史實創設的歷史情境拉近學生與科學和歷史之間的距離，幫助學生從學科本原上理解學科知識，將學科知識與生活、社會融合而進行意義建構，通過真實情境下的問題思考，促進學生學科知識的遷移與應用，提升思維的廣度與深度，從而達到知識的結構化、立體化、素養化。

6.1 依托冶金考古發現，增強證據推理意識

無論是化學學習，還是歷史研究，學生均需具備重證據的意識，能夠基于可信事實或證據以驗證猜想、假設是否合目的合規律的事實性材料、原理性知識、學科性觀念等［7］。通過創設沉浸式的歷史場景，以“根據湖北大冶銅綠山附近發現銅珠推測古代冶煉銅的方式”等問題，引發學生結合當時人類社會發展水平以及附近環境條件等因素進行思考，推測出冶煉的原料及反應條件等，并且通過模擬實驗收集的證據來對推測進行驗證。學生在實際問題的解決過程中，真正感受到科學探究中的“假設”并不是毫無根據的猜測，而是基于證據的科學推測。

6.2 借助可信史料文獻，完善概念認知結構

史料是認識歷史進程的主要依據，也是了解科學技術的重要載體。在教學活動中，學生通過對真實可信的史料文獻進行學科性的解碼加工，并運用比較、分類、分析、綜合、歸納等科學分析手段將各信息片段建立邏輯聯結，從而達到理解文本信息的目的［8］。該跨學科主題學習中分別安排了“人類使用金屬的歷史年代”和“古今煉鐵高爐示意圖”分析的學生活動，不但能夠引導學生基于事實與邏輯進行獨立思考，對不同信息、觀點與結論進行質疑和判斷，而且能提高學生對于史料的識讀能力，對在特定的歷史背景下的對事物的認識作出客觀評價。通過突破學科壁壘為學生提供一個嶄新視角認識“物質的轉化與應用（化學學科）”與“社會變革（歷史學科）”這兩個大概念，完善跨學科概念的認知結構。

6.3 結合歷史發展進程，理解科學發展路徑

任何事物都是在特定的、具體的時間和空間條件下存在的，只有在特定的時空框架中，才可能對史實有準確的理解［9］。英國惠威爾曾提出“科學史教育可以有效地融合人文科學和自然科學”［10］?！敖饘俚囊睙捙c應用的歷史發展”不僅讓學生體會人類認識物質、利用物質以及創造物質的歷程，感受材料應用過程中經歷“從無到有”“從有到精”“從精到新”這幾個階段，更能理解科學研究所經歷的“觀察思考”“實驗論證”“理論研究”“突破創新”等關鍵步驟。學生從人類社會發展進程的角度認識到歷史偶然性與必然性之間的聯系，增進對廣大勞動人民是物質生成的主要承擔者和歷史的創造者的歷史唯物觀的理解。

6.4 拓展學科理解視野，賦能師生共同成長

學生接觸跨學科主題學習時，明顯感受到與“分科教學”的不同：在問題解決的過程中需要融合多學科知識，適時切換學科視角，綜合運用多種學科的核心知識、學科觀念、思維方式等。如課堂中對于“博物館中有較多青銅禮器和兵器收藏”討論中，很多學生從化學角度考慮容易得出“青銅耐腐蝕，比鐵器等耐腐蝕”的結論，而也有學生從歷史學科角度回答“國之大事，在祀與戎”。在這個意義上來看，跨學科主題學習能夠培養學生多視角觀察和思考問題的品質。同時跨學科主題教學對于教師也提出了新的要求：主題內容的確立與設計、教學活動的組織與進行、學生表現的反饋與評價等環節，都需要教師能夠真正提高認識，加強對學習課程標準的理解，深入了解學生背景，及時更新教育理念，主動開發教育資源。在課程開發的過程中，通過單學科及多學科等多種形式的教研活動的開展，提升教師對課程資源的整合力、開發力和創造力，不斷提高教師的業務能力與專業素養。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部. 義務教育課程方案（2022年版）［M］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［2］杜慧潔. 德國跨學科教學理念與教學設計分析［J］. 全球教育展望， 2005， （8）： 28～32.

［3］吳剛平. 跨學科主題學習的意義與設計思路［J］. 課程·教材·教法， 2022， （9）： 53～55.

［4］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［5］［6］［9］中華人民共和國教育部制定. 義務教育歷史課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［7］范夢怡， 劉鸝. 聚焦“證據推理與模型認知”： 內涵探析及其培育案例——以“葡萄糖”教學為例［J］. 化學教學， 2022， （5）： 33～39.

［8］［美］科拉·巴格利·馬雷特等. 裴新寧，王 美， 鄭太年譯.人是如何學習的Ⅱ： 學習者、境脈與文化 ［M］. 上海： 華東師范大學出版社， 2021： 96.

［10］單超， 關明. 化學史教育與核心素養研究進展［J］. 教育觀察， 2019， （15）： 9～11.