摘 要：以“微型空氣質(zhì)量‘檢測站’的組裝與使用”為例，闡述跨學(xué)科實踐活動在主題內(nèi)容的價值分析、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)實踐等方面的設(shè)計與實施。圍繞學(xué)習(xí)主題提出五項學(xué)習(xí)任務(wù)和十項學(xué)習(xí)活動，及時跟進學(xué)習(xí)評價，為跨學(xué)科的教學(xué)設(shè)計與實踐提供了思路與范例。

關(guān)鍵詞：微型空氣質(zhì)量檢測站；跨學(xué)科實踐；教學(xué)設(shè)計

文章編號：1005-6629（2024）09-0061-07

中圖分類號：G633.8

文獻標(biāo)識碼：B

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)”）設(shè)立了學(xué)習(xí)主題5“化學(xué)與社會·跨學(xué)科實踐”活動，明確要求原則上用不少于10%的課時設(shè)計跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)，注重培養(yǎng)學(xué)生在真實情境中綜合運用知識解決問題的能力^［1］。明確在教學(xué)設(shè)計中通過跨學(xué)科實踐活動培養(yǎng)學(xué)生從多學(xué)科視角、結(jié)合多學(xué)科知識、運用技術(shù)與工程方法分析解決真實問題的能力。本文以“微型空氣質(zhì)量‘檢測站’的組裝與使用”為例淺談化學(xué)跨學(xué)科實踐活動的設(shè)計邏輯與實施路徑。

1 主題內(nèi)容的價值分析

1.1 學(xué)習(xí)內(nèi)容的認(rèn)知層級分析

“微型空氣質(zhì)量‘檢測站’的組裝與使用”是化學(xué)

課程標(biāo)準(zhǔn)提出的10個跨學(xué)科實踐活動之一，涉及化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等多學(xué)科的核心知識，需要學(xué)生小組合作完成“微型空氣質(zhì)量‘檢測站’”的設(shè)計、組裝、使用、評價、優(yōu)化、反思，培養(yǎng)學(xué)生運用多學(xué)科知識綜合解決真實問題的能力。對學(xué)生的認(rèn)識層級的發(fā)展、內(nèi)容要點和育人價值歸納如表1所示^［2］。

1.2 學(xué)習(xí)任務(wù)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)分析

“微型空氣質(zhì)量‘檢測站’的組裝與使用”通過一系列子任務(wù)的設(shè)計與實施，促進學(xué)生核心知識結(jié)構(gòu)化的同時，有助于培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建“物質(zhì)分離與提純”的思維模型，促進學(xué)生化學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究與實踐、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任等核心素養(yǎng)的發(fā)展^［3］。學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)活動等的結(jié)構(gòu)分析如圖1所示。

2 教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中核心素養(yǎng)內(nèi)涵以及對本主題的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，“微型空氣質(zhì)量‘檢測站’的組裝與使用”共設(shè)計兩個課時，其主題教學(xué)目標(biāo)如表2所示。

3 教學(xué)實施過程

本主題教學(xué)內(nèi)容涉及空氣組成、水的凈化、碳的氧化物、酸堿鹽等核心知識，在專題復(fù)習(xí)課“物質(zhì)的分離與提純”以跨學(xué)科實踐活動形式呈現(xiàn)。

3.1 第一課時 空氣質(zhì)量檢測的原理和裝置選擇

3.1.1 任務(wù)一：依據(jù)指標(biāo)性質(zhì)選擇檢測試劑和方法

［學(xué)習(xí)素材1］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)——室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（表3）。

［學(xué)習(xí)活動1］閱讀素材1并回答下列問題。

（1） 請簡述空氣中各組分的組成、典型性質(zhì)與用途。

（2） 空氣中常見的大氣污染物有哪些？如何減少其對環(huán)境的危害？

（3） 素材1為室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，制定該標(biāo)準(zhǔn)的意義是什么？

（4） 請小組合作，將上述問題答案涉及的核心知識串聯(lián)完成思維導(dǎo)圖，與其他小組交流分享。

［成果展示］見圖2，部分學(xué)生作品展示。

［學(xué)習(xí)評價］（1）自主描述空氣的組分；（2）結(jié)合空氣質(zhì)量現(xiàn)狀談空氣質(zhì)量檢測的重要性；（3）小組合作，展示思維導(dǎo)圖，并進行討論、交流、評價。

設(shè)計意圖：帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)空氣的組成及常見大氣污染物；幫助學(xué)生理解空氣質(zhì)量檢測的意義，樹立學(xué)生愛護空氣資源、保護環(huán)境的社會責(zé)任感；通過思維導(dǎo)圖的繪制與展示，實現(xiàn)知識和認(rèn)知視角的結(jié)構(gòu)化。

［學(xué)習(xí)素材2］（1）常見空氣質(zhì)量檢測設(shè)備主要選擇6個參數(shù)特征指標(biāo)，包括空氣溫度℃、相對濕度RH、可吸入顆粒物（PM）、CO、甲醛、TVOC。前兩項屬于熱舒適指標(biāo)，對空氣品質(zhì)、氣體污染物的散發(fā)和定量影響極大。第三項為顆粒物指標(biāo)，被視為普遍和主要的環(huán)境致癌物。第四項為空氣新鮮度指標(biāo)，當(dāng)CO含量過高，對人類工作學(xué)習(xí)效率、決策能力都有顯著影響。后兩項為建材污染指標(biāo)，甲醛和TVOC過量均會引起多種不適癥狀。（2）堿石灰是生石灰與氫氧化鈉的固體混合物，可以同時吸收水和二氧化碳。

［學(xué)習(xí)活動2］小組討論：如何定量檢測水（相對濕度RH）、二氧化碳（CO）、可吸入顆粒物（PM）三個指標(biāo)？（因?qū)W習(xí)內(nèi)容的進階性，暫忽略甲醛、TVOC等指標(biāo)的檢測）。

［討論結(jié)果］見表4。

［學(xué)習(xí)評價］（1）小組合作，討論檢測指標(biāo)、檢測試劑或裝置、檢測方法的選擇及依據(jù)；（2）將討論結(jié)果在組間進行分享。

設(shè)計意圖：根據(jù)水、二氧化碳、可吸入顆粒物的性質(zhì)初步構(gòu)建“物質(zhì)分離與提純”思維模型。

3.1.2 任務(wù)二：明確空氣質(zhì)量“檢測站”的設(shè)計思路

［學(xué)習(xí)素材3］（1）市售常見空氣質(zhì)量檢測器設(shè)計圖（見圖3）。（2）可吸入顆粒物（PM）是直徑為10微米的細顆粒物，遠大于水分子和二氧化碳分子。（3）生石灰的顆粒直徑一般在0.1～4毫米之間，堿石灰的顆粒直徑一般在1～5毫米之間。

［學(xué)習(xí)活動3］小組合作根據(jù)素材3分析檢測“水、二氧化碳、可吸入顆粒物”所需試劑或裝置的種類和順序，完成微型空氣質(zhì)量“檢測站”的設(shè)計圖，并進行討論、交流與評價。

［成果展示］部分學(xué)生的設(shè)計圖作品見圖4。

［討論交流］作品1設(shè)計圖的問題是如果極細濾網(wǎng)在生石灰和堿石灰之后，風(fēng)扇的風(fēng)可能將生石灰、堿石灰顆粒吹出而被誤判為空氣中的可吸入顆粒物（PM），使得可吸入顆粒物質(zhì)量計算結(jié)果偏大。作品2設(shè)計圖的問題是生石灰和堿石灰的順序不對，因為堿石灰可以同時吸收水和二氧化碳，所以風(fēng)扇后面不能直接連接堿石灰，必須先連接生石灰，測量出水的質(zhì)量，再連接堿石灰，測量出二氧化碳的質(zhì)量。作品3設(shè)計圖最合理。

［學(xué)習(xí)評價］（1）從物質(zhì)性質(zhì)與應(yīng)用角度分析檢測試劑或裝置的種類；（2）從物質(zhì)分離與提純角度分析檢測試劑或裝置的順序。

設(shè)計意圖：通過分析檢測試劑或裝置的種類和順序，讓學(xué)生認(rèn)識到不僅需要考慮工藝流程中物質(zhì)性質(zhì)與應(yīng)用的關(guān)系，還要考慮物質(zhì)分離與提純的方法，避免

某一檢測試劑或裝置對其他檢測指標(biāo)的干擾。

［學(xué)習(xí)素材4］（1）風(fēng)扇的“風(fēng)量”，即單位時間內(nèi)鼓入空氣的體積。（2）絕對濕度是一定體積空氣內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m³。絕對濕度與溫度、相對濕度的對應(yīng)關(guān)系如表5所示。（3）氣態(tài)二氧化碳的密度為1.997g/L。

［提出問題］假設(shè)實驗成功，準(zhǔn)確測量三種被檢測物質(zhì)的質(zhì)量，又該如何與空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)值進行比較并得出空氣質(zhì)量的優(yōu)劣？

［討論結(jié)果1］水的標(biāo)準(zhǔn)值是相對濕度，可先計算出絕對濕度，再按照測量時的室溫找到相對濕度，再與采暖標(biāo)準(zhǔn)進行比較。例如：經(jīng)測量，某房間內(nèi)絕對濕度是6g/m³，溫度為20℃，此時相對濕度約為35%，符合空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中相對濕度冬季采暖的標(biāo)準(zhǔn)值（見表3）。

［討論結(jié)果2］二氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)值是體積分?jǐn)?shù)，可先用密度計算出一段時間內(nèi)二氧化碳的體積，再與這段時間內(nèi)空氣體積作比，可得二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)，最后與標(biāo)準(zhǔn)0.10%（見表3）進行比較。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生運用跨學(xué)科知識（數(shù)學(xué)、物理）處理數(shù)據(jù)的能力，學(xué)會從定量角度解決實際問題。

［學(xué)習(xí)活動4］根據(jù)空氣質(zhì)量“檢測站”設(shè)計思路，構(gòu)建“物質(zhì)分離與提純”思維模型。

［模型構(gòu)建］見圖5。

［課后作業(yè)］小組合作，利用風(fēng)扇、極細濾網(wǎng)、生石灰、堿石灰、干燥管、導(dǎo)管及其他必要材料制作微型空氣質(zhì)量“檢測站”，并對作品作簡要說明。

3.2 第二課時 空氣質(zhì)量“檢測站”的組裝與使用

3.2.1 任務(wù)三：組裝并使用空氣質(zhì)量“檢測站”

［學(xué)習(xí)活動5］小組分別展示微型空氣質(zhì)量“檢測站”并作簡要說明。

［成果展示］將風(fēng)量為26.3CFM的風(fēng)扇固定在漏斗口的外部，將N95口罩的中間層（名為熔噴層可有效過濾PM顆粒）固定在漏斗里，然后用導(dǎo)管和橡膠管將漏斗、干燥管進行連接，第一個干燥管裝生石灰，第二個干燥管裝堿石灰（見圖6）。

［學(xué)習(xí)評價］能通過小組合作組裝空氣質(zhì)量“檢測站”。

［學(xué)習(xí)活動6］小組分別使用自制空氣質(zhì)量“檢測站”并記錄和處理數(shù)據(jù)，與素材1中標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，評價此時教室內(nèi)空氣質(zhì)量。

［數(shù)據(jù)記錄］見表6。

［數(shù)據(jù)處理］經(jīng)計算：室溫為20℃左右時，相對濕度為40%，二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為0.0988%，都在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。但是濾網(wǎng)的質(zhì)量用電子天平稱量后無變化，因此無法得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

［學(xué)習(xí)評價］能使用空氣質(zhì)量“檢測站”記錄數(shù)據(jù)，應(yīng)用跨學(xué)科知識處理數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較。

［提出問題］很多小組都發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)的質(zhì)量變化不明顯，請同學(xué)們討論造成該現(xiàn)象的原因。

［討論交流］首先排除裝置氣密性不好的問題，因為后面的干燥管能得出有效的數(shù)據(jù)，所以有可能是空氣中可吸入顆粒物（PM）的質(zhì)量本來就很少，而檢測1min時間又太短，導(dǎo)致數(shù)據(jù)變化不夠明顯，可以延長檢測時間觀察數(shù)據(jù)是否有變化。

［數(shù)據(jù)記錄］風(fēng)量為26.3CFM風(fēng)扇開啟2h后得到的濾網(wǎng)質(zhì)量變化結(jié)果：0.07g-0.06g=0.01g。

［數(shù)據(jù)處理］反應(yīng)前后濾網(wǎng)質(zhì)量的變化量為0.01g，換算為標(biāo)準(zhǔn)值是0.11mg/min，且室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對可吸入顆粒物（PM）的規(guī)定是不多于0.15mg/min，所以此時教室內(nèi)空氣質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。

［學(xué)習(xí)評價］能通過討論交流尋找正確的方法測得空氣中可吸入顆粒物的質(zhì)量。

［學(xué)習(xí)活動7］針對實驗數(shù)據(jù)，小組之間進行交流，分析組間差異的原因。

［討論交流］某些小組的空氣質(zhì)量“檢測站”在原設(shè)計思路的基礎(chǔ)上，在末尾又接了一個裝有堿石灰的干燥管（見圖7），他們根據(jù)實驗數(shù)據(jù)求出的水和二氧化碳的質(zhì)量均比只有兩個干燥管的小組求出的質(zhì)量略少，分析原因可能是末尾干燥管能吸收裝置外部空氣中的水和二氧化碳，防止其對檢測結(jié)果的干擾。

［學(xué)習(xí)評價］能通過討論交流分析設(shè)計思路的優(yōu)缺點，并對空氣質(zhì)量“檢測站”進行優(yōu)化。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生在討論交流中相互學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑能力和反思能力。

［學(xué)習(xí)活動8］小組合作根據(jù)教師提供的試劑和裝置完善本組的空氣質(zhì)量“檢測站”，并再次進行實驗，記錄數(shù)據(jù)，與第一次實驗數(shù)據(jù)進行對比。

［數(shù)據(jù)記錄］見表7。

［數(shù)據(jù)分析］第一個干燥管中固體質(zhì)量變化量依舊是5.14g，第二個干燥管中固體質(zhì)量的變化量為1.48g，比改進前第二個干燥管中固體質(zhì)量的變化量少0.01g，說明對二氧化碳的質(zhì)量稱量更加準(zhǔn)確，排除了空氣中的水和二氧化碳進入第二個干燥管從而造成的實驗誤差。

［學(xué)習(xí)評價］能完善本組的空氣質(zhì)量“檢測站”；獲得更為準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)。

設(shè)計意圖：通過引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化和完善空氣質(zhì)量“檢測站”，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力、合作交流能力和語言表達能力。

3.2.2 任務(wù)四：制定空氣質(zhì)量檢測評價量表

［提出問題］基于一系列學(xué)習(xí)活動后，評選你心中的最佳小組，你的評價維度是什么？

［討論交流］首先需要完整的設(shè)計思路，能正確描述試劑的作用原理，體現(xiàn)差異性和整體性；其次需要完整的裝置組裝，作品整體美觀，數(shù)據(jù)換算準(zhǔn)確；接著還需要考慮小組成員能否積極協(xié)同完成任務(wù)；最后還需要考慮討論交流時是否思路清晰，語言流暢，邏輯完整等。

［學(xué)習(xí)活動9］以小組為單位制作空氣質(zhì)量“檢測站”評價量表，并綜合打分選擇最佳組。

［成果展示］某小組制作的評價量表（見表8）設(shè)置了五個評價維度，即作用原理、裝置組裝、展示效果、小組合作、表達交流；分為3個等級，即合格、良好、優(yōu)秀。

［評價結(jié)果］60%的小組制作的空氣質(zhì)量“檢測器”達到良好等級，20%達到優(yōu)秀等級，20%僅達到合格等級。在評價過程中，絕大多數(shù)學(xué)生能對作品的設(shè)計、組裝、使用、優(yōu)化提出獨到的見解。

設(shè)計意圖：通過設(shè)計評價量表幫助學(xué)生回顧和反思空氣質(zhì)量“檢測站”在組裝和使用過程中需要注意的各種細節(jié)和要點，達到以評促學(xué)的目的。

3.2.3 任務(wù)五：優(yōu)化并反思空氣質(zhì)量“檢測站”

［學(xué)習(xí)素材5］家用空氣質(zhì)量檢測器中配備傳感器，主要原理為基于光學(xué)傳感技術(shù)，通過光反射或光散射，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理得到污染物的指標(biāo)（見圖8）。

［學(xué)習(xí)活動10］小組合作，回答下列問題：

（1） 如何對空氣質(zhì)量進行更加準(zhǔn)確的檢測？

（2） 通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，對于空氣質(zhì)量檢測你有哪些收獲？

［討論交流1］受限于學(xué)習(xí)內(nèi)容的進階性，不能根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)對甲醛、TVOC等指標(biāo)進行檢測，但是目前已經(jīng)研制出更為精準(zhǔn)的傳感器，能對空氣質(zhì)量進行更加準(zhǔn)確的檢測。

［討論交流2］對空氣質(zhì)量檢測指標(biāo)有了更加全面的認(rèn)識，應(yīng)更加愛護地球上的空氣資源；學(xué)會運用多學(xué)科知識從定量角度解決真實問題，體會到理論知識與實際操作之間的差異性。

［學(xué)習(xí)評價］（1）能通過傳感器的介紹明確空氣質(zhì)量“檢測站”的優(yōu)化方向；（2）能流暢表達空氣質(zhì)量檢測相關(guān)的收獲與反思。

設(shè)計意圖：通過對常用傳感器的介紹，讓學(xué)生認(rèn)識到傳感器對空氣質(zhì)量檢測的重要性，為空氣質(zhì)量“檢測站”的優(yōu)化提供思路。通過對收獲進行討論交流，幫助學(xué)生進行反思和提升。

［課后作業(yè)］結(jié)合評價結(jié)果和優(yōu)化反思的內(nèi)容，繼續(xù)完善本組空氣質(zhì)量“檢測站”的設(shè)計思路與作品制作。

4 教學(xué)反思

4.1 跨學(xué)科實踐中學(xué)生完成任務(wù)情況的分析

通過對120名學(xué)生進行追蹤：（1）對于第一課時課后作業(yè)，絕大部分學(xué)生能以小組合作的形式完成。（2）只有30%的學(xué)生在不需要教師提醒的前提下關(guān)注了風(fēng)扇的風(fēng)量并能正確地進行數(shù)據(jù)換算，而50%的學(xué)生需要在教師提醒的前提下先找到風(fēng)扇的風(fēng)量再進行數(shù)據(jù)換算，剩下20%的學(xué)生由于計算能力欠缺無法完成數(shù)據(jù)換算。

4.2 跨學(xué)科實踐中需要注意的幾個問題

4.2.1 跨學(xué)科實踐的教學(xué)設(shè)計的反思

將跨學(xué)科實踐放在新授課完成之后，有利于學(xué)生對核心知識進行系統(tǒng)整合后用以解決新中考情境類問題。例如本課例中，學(xué)生通過空氣質(zhì)量“檢測站”的組裝和使用，依據(jù)“物質(zhì)性質(zhì)與變化”構(gòu)建“物質(zhì)的分離與提純”思維模型，為應(yīng)對新中考“物質(zhì)分離與提純”實驗探究類問題打下基礎(chǔ)。

4.2.2 跨學(xué)科實踐的教師行為的反思

教師需要把問題設(shè)置在學(xué)生的能力范圍內(nèi)，及時根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)進行評價反饋。例如當(dāng)學(xué)生出現(xiàn)小組合作傾向弱、反思交流不充分、方案設(shè)計不全面等問題時，教師需要立刻予以指導(dǎo)，既能幫助學(xué)生明確自身的不足和努力的方向，又能將任務(wù)目標(biāo)具體化。

4.2.3 跨學(xué)科實踐的學(xué)習(xí)成效的反思

教師需要關(guān)注不同層次的學(xué)生，要盡量保障全體學(xué)生的參與才能達到應(yīng)有的學(xué)習(xí)效果。例如本課例中，選擇將不同層次的學(xué)生分在同一小組，可讓每個學(xué)生都能發(fā)揮自身的優(yōu)勢；將邏輯能力強的學(xué)生安排參與項目作品的設(shè)計；表達能力強的學(xué)生參與項目作品的介紹；動手能力強的學(xué)生參與項目作品的組裝；質(zhì)疑能力強的學(xué)生參與項目作品的反思；創(chuàng)新能力強的學(xué)生參與項目作品的優(yōu)化等。他們在完成自己擅長工作的時候還會對其他工作充滿好奇，綜合能力較強的學(xué)生也會帶領(lǐng)綜合能力較弱的學(xué)生一起進步，最終使每個參與學(xué)習(xí)的學(xué)生的能力都會有所提高。

參考文獻：

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