跨学科融合视角下的项目教学实践：制作桥梁模型

［摘 要］文章以“制作桥梁模型”为项目主题，设置“选择制作材料”“制作桥梁模型”和“展示桥梁模型”等任务，将金属的性质与利用、铁的冶炼和钢铁的防护等核心知识融入实际问题的解决过程中。该项目综合了化学、物理、历史、工程、技术等学科知识，有助于学生深化学科理解，形成应用化学系统性思维解决问题的思路，构建物质选择和利用的一般模型，进而发展学生的学科核心素养。

［关键词］跨学科；项目教学；初中化学

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）23-0054-05

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）指出，开展跨学科实践教学要结合实例，从物质及其变化的视角，认识资源的综合利用与新材料的研发，认识化学在解决资源与材料的相关问题中的作用[1]。跨学科实践是围绕真实而复杂的情境问题设计和开展挑战性实践任务的过程，包括动手制作、展示表达、方案评价和反思改进等多样化活动。本文的项目教学实践以“制作桥梁模型”为项目主题，将金属以及金属矿物的学习与实际应用融合起来，取得了较好的教学效果。

一、项目内容分析

（一）主题内容分析

“金属与金属矿物”是初中化学体系的重要组成部分，属于《课程标准》中“物质的性质与应用”专题的内容。通过前面的学习，学生已经知道可以从物质的组成与结构、性质与变化、用途和制法等不同视角认识某一物质，但是尚未学会同一类别物质的认识方法。设置“制作桥梁模型”项目主题，通过初步分析并解决“金属材料的选择”“铁的冶炼”“钢铁的锈蚀与防护”等关键性问题，使学生形成对金属的综合性认识，初步形成元素观、转化观等化学观念。通过实验探究收集实验证据，基于实验事实总结金属的物理性质和化学性质的共性与差异性，提升学生科学探究的关键能力。通过运用金属的核心知识对社会实际问题作出判断和决策，引导学生树立合理利用资源的理念，培养其社会责任感。

（二）拓展内容分析

桥梁是人类利用自然资源和科学技术改变生活的伟大成就，其建材和结构的变迁凝结了劳动人民的杰出智慧。桥梁的建材历经了木材、砖石、钢铁和复合材料的发展演变，桥梁结构也逐渐发展出梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等不同桥型[2]。“制作桥梁模型”需要学生利用金属的性质和变化等核心知识来选择金属材料，融合力学、建筑结构等物理和工程学的知识设计桥梁结构，引导学生运用跨学科知识解决综合性的问题。

二、项目教学目标

1.通过查阅资料了解桥梁的发展演变历史，感受化学对于开发资源和促进人类发展的意义。

2.通过实验探究归纳金属的物理性质和化学性质的共性与差异性，能综合考虑金属的性质和价格等因素来选择合适的桥梁建材。

3.能用化学方程式表示从铁的氧化物到铁单质的转化，能分析炼铁的反应原理。

4.能利用对比实验探究铁锈蚀的条件和影响因素，能举例说出铁的防护方法。了解金属回收利用的价值，设计初步的金属回收方案。

5.能从冶炼方法、防护和回收等视角认识金属的性质与利用，从化学、历史、物理、工程技术等学科融合视角认识人类对自然资源的开发和利用。

三、项目教学流程

“制作桥梁模型”项目教学流程如图1所示。

四、项目教学实施

（一）确定项目任务

【课前布置任务】查阅资料，了解我国桥梁发展的历史和代表性桥梁。

【学生活动】小组分享查阅的资料。

【教师引导】桥梁建材的发展演变是我国科技发展的缩影。从性能和获取方式等角度分析桥梁的主要建材逐渐从木材向砖石和金属材料转变的原因。

【学生汇报】从性能的角度分析，木材的硬度小、易腐烂且容易在火灾中被损坏，因此逐步被砖石取代；钢铁的硬度等性能又优于砖石，进而逐步取代砖石成为桥梁的主要建材。从获取方式的角度分析，木材和石材可以从自然界直接获取，因此最早被用于建造桥梁，而随着金属冶炼技术的发展，金属逐渐成为桥梁的主要建材。

【教师引导】从桥梁发展历史来看，金属具有优良的机械性能且易于加工，是目前建筑桥梁最适宜的材料。金属材料种类众多，哪种金属最适合建桥？什么桥型最稳固？我们不妨通过设计和制作桥梁模型来探求问题的答案。制作桥梁模型需要思考和解决哪些问题？

【学生汇报】需要思考和解决“如何选择制作材料”“如何制作桥梁模型”和“如何测试桥梁承重”等三个问题。

设计意图：通过查阅我国桥梁建设的成就，激发学生的民族自豪感，并从中自然引出要探究的问题，激发学生的学习兴趣。通过将“制作桥梁模型”的实际问题转化为“金属的获取与利用”等化学问题，明确项目任务，完成任务拆解。

（二）选择制作材料

1.金属的选择

【问题1】桥梁的建筑材料需要具备哪些性质？

【学生汇报】桥梁建材需要具有一定的强度和韧性以支撑桥梁结构，化学性质相对稳定，耐久性强。此外，桥梁建材用量大，还需要综合考虑价格等因素。

【学生活动】阅读相关资料，了解常见金属的物理性质及市场价格，并选择适合的金属作桥梁建材。

【学生汇报】桥梁建材主要考虑的物理性质是硬度。金属中，铬、铁的硬度较大，银、铜、金和铝等金属的硬度差异不大。考虑到市场价格，可以排除金和银。铬、铁、铜和铝等金属需要结合其他因素作进一步选择。

【问题2】桥梁的金属材料需要考虑哪些化学性质？

【资料1】

（1）二氧化硫等酸性气体向空气中排放会导致雨水酸性增强。

（2）夏季高温天气，桥面温度可达60 ℃以上。

【学生汇报】酸雨可能会腐蚀金属材料。夏季的高温天气虽然没有达到很多金属的熔点，但是加热条件下，金属可能会与空气中的氧气反应。

【分组实验1】在空气中分别加热镁条、铝片、铁片和铜片，对比实验现象。

【学生汇报】镁在空气中可燃，铝片加热后产生“熔而不落”现象，铁、铜在空气中加热后表面颜色变黑。加热条件下，几种金属均能与氧气发生氧化反应。

【教师引导】结合上述实验结果分析哪些金属不适合作桥梁建材。

【学生汇报】金属镁易燃，不适合作桥梁建材。铝、铁、铜等金属有待进一步探究。

【分组实验2】分别将等体积等浓度的稀盐酸（或稀硫酸）注入盛有相同大小且经过打磨的铝、锌、铁和铜等金属片的培养皿中，对比反应现象；盖上培养皿上盖，观察放热现象；将火柴靠近小孔，点燃气体，检验气体成分。实验内容如图2所示。

【学生汇报】铝与稀盐酸（或稀硫酸）反应剧烈，锌反应速率适中，铁反应缓慢，铜不能反应。除铜的培养皿外，其余培养皿的上盖内部均出现了无色液滴，说明反应放热。产生的无色气体可燃并发出爆鸣声，从元素组成角度分析，生成的气体是氢气。由此可见，活泼金属能与稀盐酸（或稀硫酸）反应生成氢气，金属不同，反应的剧烈程度不同。

【教师引导】从元素组成角度分析金属与稀盐酸反应的另一种生成物并书写化学方程式。

【学生活动】书写铝、锌、铁与稀盐酸反应的化学方程式。

【教师归纳】铁与稀盐酸（或稀硫酸）反应生成氯化亚铁（或硫酸亚铁）和氢气。上述反应的反应物和生成物均为一种单质和一种化合物，属于置换反应。依据上述金属与稀盐酸（或稀硫酸）反应的快慢，可以推测出四种金属的活动性顺序为：铝>锌>铁>铜。

【分组实验3】将铁钉置于硫酸铜溶液中，观察现象。

【学生活动】书写铁与硫酸铜反应的化学方程式并判断其基本反应类型。

【问题3】综合资料和实验证据分析，哪种金属适合作桥梁建材？

【学生汇报】从化学性质角度看，铁和铜的化学性质相对稳定。虽然铜的金属活动性更弱，但是铁在硬度和价格方面的优势更明显。综合分析，钢铁是最适合用来建造桥梁的金属。

设计意图：引导学生分别通过信息阅读加工和实验探究的方式对金属的物理性质和化学性质形成系统性认识，解决金属材料的选择问题，进一步强化性质决定用途的观念。

2.铁的冶炼

【情境创设】铁在自然界中通常以化合物的形式存在，需要通过冶炼才能获取其单质。元朝末年，钢铁被用作桥梁建材。

【资料2】早在春秋战国时期，我国就开始冶炼和使用钢铁。早期的冶炼方法是将铁矿石与木炭混合加热进行冶炼，木炭作燃料和还原剂。木炭作燃料有两个缺陷：一个是温度不能升得太高，另一个是木炭耐燃的时间比较短。冶炼时需要不断补充木炭，炼炉的开闭和燃料更替都会影响炉内温度，因此，固体还原法的产物中夹杂物较多，此法又称“块炼法”[3]。

【资料3】高温条件下，一氧化碳、氢气等物质可夺去金属氧化物中的氧元素，生成金属单质和对应的非金属氧化物，即“热还原法”。

【问题4】阅读资料，从炼铁的原理及产物性质的角度分析为何直到元朝才将钢铁用作桥梁建材。

【学生汇报】“块炼法”中木炭作燃料和还原剂，炉内温度较低，生铁不易熔化，固体杂质不易分离除去，得到的铁杂质多，性能较差，不宜作桥梁建材。改用一氧化碳或者氢气等气体作还原剂可能会改善铁的成分。

【问题5】现代工业炼铁中用铁矿石、焦炭、石灰石、富氧热空气等作原料炼铁。能否用工业流程图来表示炼铁高炉内的物质转化过程？

【学生活动】结合炼铁高炉结构，分组讨论并绘制工业流程图（如图3）。

【分析与评价】从燃烧的影响因素角度分析，A区域氧气充足，焦炭完全燃烧生成二氧化碳；在B区域二氧化碳与焦炭反应产生一氧化碳；在C区域一氧化碳作还原剂，将氧化铁或四氧化三铁还原为铁。

【资料4】2023年全球与能源相关的二氧化碳排放量达到历史最高值374亿吨。在所有工业部门中，钢铁行业是二氧化碳排放量最大的行业之一［4］。

【问题6】结合资料4分析钢铁行业应如何向绿色低碳方向发展。

【学生汇报】要减少二氧化碳的排放则需要用氢气等还原剂替代一氧化碳。目前，氢气的制取成本较高、储存运输困难，未来只有解决了这两个问题才能实现低碳炼铁。

设计意图：引导学生通过分析铁的冶炼原理，构建还原法冶炼金属的物质转化流程；通过对比不同还原剂对钢铁性质以及环境的影响，辩证认识科技发展对于推动社会发展的意义。

（三）制作桥梁模型

【学生活动】分组讨论，绘制桥梁模型设计稿（如图4）。小组互评并进行优化。

【教师活动】引导学生依据改进后的设计稿制作桥梁模型。

（四）展示桥梁模型

1.测试和评价桥梁模型

【学生活动】分组展示并介绍桥梁模型，进行桥梁承重大比拼（如图5）。

【教师活动】引导学生进行桥梁模型称重、承重实验等，并填写桥梁模型评价表（如表1）。

2.探究钢铁桥梁的防护方法

【教师引导】如何防止钢铁桥梁锈蚀？真实的钢铁桥梁锈蚀情况又如何呢？

【资料5】根据中国腐蚀与防护网资料显示，全世界每年因腐蚀造成的经济损失高达4万亿美元，约占全球GDP的6%，腐蚀造成的钢损耗占全球钢损耗量的10%。钢拱桥、斜拉桥等不同桥型在服役年限内因腐蚀造成不同程度的损伤[5]。