指向学生发展核心素养的高中跨学科主题课程的实施

      当前，世界各国已经基于核心素养培育开展了相应的课程和教学改革，我国高中各学科课程标准的颁布和教材的修订为学生发展核心素养的落地提供了支持。为满足未来学习的需求，指向学生发展核心素养的高中跨学科主题课程致力于让学生充分运用和关联不同学科的知识，创造性地解决跨学科问题，并在解决问题的过程中增进对学科知识的理解。[1]

      一、跨学科主题课程和教学的特征

      发散、联想、比较、结构化的思维是创新的利器，这些思维的培养需要打破学科界限，实际生产和生活问题的解决也需要各类相关知识的交叉与互补。研究表明，跨学科主题教学不同于一般的学科教学[2]，其实施条件和教学特征如图1所示。跨学科主题课程的实施有助于引发学生的学习兴趣和参与意识，培养他们的高层次认知能力、合作能力和解决问题能力。[3]

      二、理科跨学科主题课程的设计

      在我国高中理科实施分科课程的背景下，建立跨学科概念虽面临重重挑战，但对我国理科课程、教材的开发具有积极意义。[4-5]跨学科课程要在跨学科主题内容与学科主题内容的分配比例上寻求平衡，跨学科主题认识框架的确定要始终关注学科内容本体和学生认知特点。[6]学生对概念的认知需求来源于与日常生活相关的情境，他们对概念的认识与概念发展的历史进程具有相似性。[7]下文分别以化学、物理跨学科概念电动势和化学、生物跨学科概念氢键为例，说明建立跨学科概念的课程设计。

      

      （一）化学、物理跨学科概念——电动势的建立

      系统是由相互联系、相互作用的若干部分组成并具有一定功能的整体。基于系统思想的研究方法，强调注重分析与综合、局部与整体、结构与功能、系统与环境等方面的相互联系和作用。原电池就可看作一个系统，涉及电极上发生的氧化还原反应及电解质溶液中阴、阳离子的定向迁移。

      【学习任务1】人教版高中化学教材必修2“化学反应与电能”中讨论和实施Zn-Cu-稀硫酸原电池实验，揭示原电池工作原理的本质；人教版高中物理教材选修3-1“电动势”讨论电动势概念的建立（见图2）。[8]由此设计化学、物理跨学科主题课程“电动势”，二者的整合教学可以让学生从本质上认识电化学过程的系统思想与方法，整合得到的认识模型能够有效促进学生对概念的理解和认识。

      

      利用图2甲，在化学课中完成“原电池的形成和电极反应式的书写”的知识构建。

      问题1：金属电极是金属晶体，从微粒种类的角度出发，金属晶体的组成微粒有哪些？

      问题2：从微粒运动角度出发，将金属电极插入溶液中，存在着怎样的溶解平衡？达到动态平衡时，金属表面的电荷层与溶液中相反电荷离子形成一个厚度约的稳定双电层，产生电势差，即金属的电极电势。金属越活泼，电势越低。那么，锌和铜分别是什么极？

      问题3：从微粒竞争角度出发，铜的电势比锌高，两极存在电势差。电路接通后立即在两极建立电场，电场以光速传递，外电路中的电子整体定向移动，负极失电子的物质和正极得电子发生还原反应的微粒各是什么？

      问题4：从微粒变化角度出发，溶液中在电场作用下通过怎样的定向移动最终达到电荷平衡？

      问题5：从宏观现象角度出发，观察正、负两极现象并用电极反应式表示。

      问题6：从知识迁移角度出发，分析其他金属做电极、其他溶液做电解质溶液时微粒的放电顺序及电极反应式。

      利用图2乙，在物理课中完成“电源电动势概念建立”的知识构建。

      探究1：电源外部正电荷受到电场力作用从正极移动到负极，电场力做正功。

      探究2：为保持电势差，需不断地把堆积在负极的正电荷移送到正极。

      探究3：电源内部存在把正电荷从负极搬运到正极的力，这个力对正电荷做正功，其化学实质是阳离子不断迁移到正极。

      探究4：从能量角度看，电源是通过非静电力做功，把其他形式的能转化为电能。

      探究5：物理学用非静电力做功W与被移动电荷q的比值来反映非静电力做功的本领，将其定义为电动势E，即E=W/q，单位为伏。

      探究6：电动势越大，电路中每通过1C电荷时，电源将其他形式的能转化为电能的数值越多。电动势是电源的一种特性，其大小与W、q以及电源的体积无关。

      【学习任务2】教师展示“暖宝宝”及其说明书。“暖宝宝”的原料是铁、蛭石、活性炭、无机盐、水等，蛭石是一种铁镁质铝硅酸盐矿物，受热时能迅速膨胀。学生将此生活情境迁移至化学实验中，用导线连接铁片和碳棒作为两个电极，并在导线间接入灵敏电流计，将两个电极平行插入盛有5% NaCl溶液的原电池反应槽中，电流计指针偏转，铁片上出现红褐色物质。从化学层面而言，“暖宝宝”的工作实质是铁在潮湿空气中的吸氧腐蚀。铁和碳形成原电池加速铁的氧化反应，从而更快地释放热量。从物理层面而言，该原电池的电动势就是电路中每通过1C电荷时，电源将化学能转化为电能所做的功W。