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科技议题在跨学科实践中的应用图景与价值意蕴

【摘要】本文以电解硝酸盐制备氨的科技议题为研究背景设计跨学科实践，采用电化学手段实现氮元素不同价态的转化，引入日常水质检测试剂对电解产物进行定性测定，创新性地使用智能手机比色法对电解产物[NO-2]进行定量表征。借助氮元素“价-类”二维图谱分析电解过程，能促进学生理解不同价态含氮物质间转化的科学本质，发展数据分析论证等学科关键能力，养成跨学科思维和协作能力，提高科学探究和问题解决能力。

【关键词】科技议题；跨学科实践；电解

一、问题提出

随着科技的发展，如何将硝酸盐污染物转化为可利用的氨成为可持续发展的核心科技议题。据此科技议题设计探究氮元素物质转化的跨学科实践，能培养学生的跨学科思维和协作能力，培养学生的社会责任感和可持续发展理念，具有重要教育价值。

跨学科教育能够整合多个学科的知识和思维方法，突破学科壁垒，帮助学生形成全新的知识框架与思维模式，提高学生解决实际问题的能力。在化学学科氮元素的教学中，本文引入融合跨学科情境的创新实验，设计以电解硝酸盐制备氨为主题的跨学科实践，学生从化学、物理、工程、生态、社会等多个角度进行探究，深入理解氮元素的性质和变化规律，体验跨学科情境下的问题解决过程和创新思维方式。

二、跨学科实践活动设计

（一）跨学科实践模型

跨学科实践主要是指基于学生的素养发展需求，圍绕某一研究主题，以本学科课程内容为主干，运用并整合其他学科的知识与方法开展综合学习的一种活动方式。跨学科实践作为一种综合性学习活动，需要以学生为中心，围绕某个学习主题展开，将各学科内容进行重整，使其成为一个新的复杂的学习内容结构整体，让学生整体感受和理解知识的意义。［1］杜威认为，学科知识在组织过程中就已被方法化，方法并非游离于知识之外，在教学中要使学习活动本身作为一个直接的并且能被意识到的目的［2］。因此，在设计跨学科活动时，应将各学科方法融入其中，选择与特定知识相契合的主题类型，并创设学生相对熟悉、便于实践的具体情境。在实际情境中开展活动，学习或运用学科知识，也是一种学习，因此在实践活动中要实现知识和方法、理论与实践的有机结合。

科技议题是指与科学、技术密切相关，在领域中存在技术难点，需要寻找新方法取代原方法以解决真实问题的社会性议题。科技议题源自前沿科学，具有实用性、复杂性，需整合多学科知识与各学科方法才能解决某一实际问题。科技议题能够搭建起学科知识与现实情境的桥梁［3］，而跨学科实践的出发点恰好为解决综合性问题，因此科技议题适合作为跨学科实践的主题。将科技议题作为真实情境引出问题链，并围绕问题链开展跨学科实践活动，能使学生在实践中获得对知识的丰富体验和深刻感悟，进而实现跨学科知识的构建与整合。

本研究构建的跨学科实践模型如图1所示。首先，将“硝酸盐制氨”这一大科技议题作为真实情境，确定跨学科实践活动主题为“氮元素物质转化”，通过真实情境引入课堂内容，激发学生的学习兴趣。

其次，对科技议题内容进行剖析，梳理出化学、物理、生物学等各学科涉及的知识及方法，将科技议题的情境问题拆分为多个子问题，按照由浅到深、由表及里、由具体到抽象的顺序形成问题链，环环相扣，逐步深入，以问题为驱动，引导学生主动探究。

再次，借助问题链设计跨学科实践活动，针对问题中的假设提出猜想并进行跨学科实践。如以手机比色法和水质检测盒两个便捷快速的创新实验为支撑，让学生在解决问题的过程中逐步掌握知识和技能，形成自己的见解和态度，从而培养学生的批判性思维和合作意识，实现深度学习。

最后，以跨学科知识整合为模型核心，对跨学科实践中涉及的学科知识本质进行总结，引导学生对所学知识进行整合，并将其创新运用至其他情境中。

（二）跨学科实践内容分析

电解硝酸盐制备氨是一种新型制氨方法，是未来经济、环保和可持续的制氨方法之一。它利用电解池中的电流，将硝酸盐溶液中的硝酸根离子还原为氨，无须高温高压及催化剂条件，较目前工业生产中的哈勃-博斯合成法更为绿色。

本文将电解硝酸盐制备氨的科技议题研究转化为跨学科实践。跨学科实践并不是简单地将各门课程的内容结合起来，而是将教学活动中的学习任务和各种学科知识内容进行有效整合，基于真实问题驱动，建构系统的知识体系。本文以科技议题驱动化学、物理、生物学、数学等学科知识的整合应用，基于电解硝酸盐中物质转化、能量转化以及工程转化等内容设计“不同价态含氮物质转化”跨学科实践，跨学科情境内容结构如图2所示，学科知识如表1所示。

表1不同价态含氮物质转化的跨学科实践学科知识

[学科内容学科知识生物学自然界氮循环自然界中含氮物质的转化过程（固氮过程、氨化作用、硝化作用、反硝化作用及同化过程）物理化学能与电能电解过程中的能量转化为电能转变为化学能、热能等实验装置电极、导线、电压等的选择化学自然界