基于“科学态度与责任”的初中化学跨学科教学实践

［基金项目］本文系2022年度福州市教育科学规划领导小组办公室立项课题“‘双减’背景下中学化学跨学科实践教学研究”（课题编号：FZ2022ZX036）、2023年度福建省教育科学规划领导小组办公室立项课题“新课标视域下中学化学跨学科教学实践研究”（立项批准号：FJJKZX23-265）的研究成果之一。

［摘 要］文章针对二氧化碳过量排放导致气候变暖等环境问题，以碳元素在生物圈、水圈、岩石圈的循环为主要研究对象，开展“碳中和理念下的低碳行动方案设计”的跨学科教学，从化学的视角探究二氧化碳的性质与转化，在跨学科教学中促进学生发展元素观、变化观等化学观念，进一步建构“可持续发展”“系统与模型”等跨学科大概念，落实核心素养。

［关键词］跨学科实践；碳中和；学科育人；可持续发展

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）35-0071-04

一、教学主题分析

《义务教育化学课程标准（2022年版）》的“化学与社会·跨学科实践”主题中，首次提出跨学科实践活动的思路，明确了“化学与可持续发展”的概念，引导学生认识化学在解决资源、能源、材料、环境、人类健康等问题中的作用，树立建设美丽中国、为全球生态安全作贡献的信念，主动践行节约资源、环境友好的生活方式，树立人与自然和谐共生的科学自然观和绿色发展观［1］。

全球气候问题是当今人类面临的重大危机。为了应对气候变化所带来的问题，2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上宣布：中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。要想实现碳中和，需要从物质的多样性以及“化学与可持续发展”的学科大概念统摄学习内容，引导学生基于碳元素的转化、循环以及二氧化碳的性质与转化，理解碳中和思想，并能运用跨学科知识综合分析、认识碳中和的重要性，探索并践行低碳行动，从而促进学生形成科学观念，培养科学态度和社会责任感。

二、教学目标

（1）知道大气中二氧化碳的来源及对环境带来的影响，从元素守恒、物质转化的视角简单解释减少二氧化碳的产生和排放、促进二氧化碳的转化和吸收的方法，讨论实现碳中和的可行性。

（2）认识我国能源使用现状，讨论在工业生产中减少二氧化碳排放的具体方法，从化学和跨学科视角出发，从科学、技术、社会、政策等方面设计、评价低碳行动的方案，认识综合运用科学、技术、工程等解决实际问题的重要性，提高社会责任感和实践能力。

（3）通过学习活动，发展元素观、变化观、价值观，学会多角度综合分析、评价低碳行动方案的可行性；在分析、解决实际问题的过程中发展批判性思维能力，建构“化学与可持续发展”跨学科大观念［2］。

三、教学流程

“碳中和理念下的低碳行动方案设计”教学流程如图1所示。

四、教学实录

教师：大家知道什么是温室效应吗？请查阅资料，了解温室效应会造成怎样的危害。

学生1：温室效应是二氧化碳等气体吸收地面辐射的红外线所导致的地球温度上升。地球温度升高会使冰川消融、海平面上升等，对自然生态系统和地球生命系统造成严重危害。

教师：碳排放无处不在，我们的呼吸、饮食、学习、出行都会留下碳的“足迹”。图2是全球二氧化碳排放量与平均气温变化走势图，目前温室效应已成为全球性问题。为了实现控制温室气体排放的目标，碳中和已经成为国际社会普遍认同的治理方式之一。

设计意图：通过介绍温室效应的现状及全球气候变化所引发的环境问题，使学生树立保护环境的观念，培养社会责任感。

教师：大家知道二氧化碳的产生途径有哪些吗？

学生2：动植物的呼吸，有机质的溶解、发酵和腐败，石油、煤炭以及其他化石能源的燃烧，都会释放出大量的二氧化碳，对环境造成危害。

教师：既然如此，千百年来自然界中的二氧化碳含量又是怎样维持基本的平衡的呢？

学生3：绿色植物会进行光合作用，吸收二氧化碳，放出氧气。

教师：碳是构成生物的基本元素之一，虽然它在自然界中的蕴藏量极为丰富，但绿色植物能够直接利用的仅仅限于空气中的二氧化碳（CO2）。生物圈中的碳循环主要表现在绿色植物从空气中吸收二氧化碳，经光合作用转化为葡萄糖，并放出氧气（O2）。在这个过程中少不了水的参与，它可以帮助有机体将葡萄糖转换成更多的营养元素，从而满足有机体自身的需求。此外，它还可以通过食物链将营养元素转换成更多的形式，如植物、微生物、动物、微藻以及其他生命类群。因此，我们可以通过研究和探索改善碳循环，以促进生态系统的平衡。让我们通过研究二氧化碳的来源与去向，设计一个全面的生物圈碳循环图（如图3）。

设计意图：根据生物圈碳元素的转化路径，直观展示生态系统的结构与功能，探索可持续的生态系统管理策略，建构“系统与模型”跨学科概念，帮助学生跨学科认识问题的本源，提升学生解决问题的能力。

教师：除了生物圈的碳循环，自然界中还有哪些物质能吸收二氧化碳？

学生4：二氧化碳气体能溶于水，大气中的二氧化碳可与水结合生成碳酸进入海洋，同时海水中的碳酸分解又释放出二氧化碳进入大气。

教师：这种交换发生在气液交界处。海洋吸收二氧化碳的量也随着大气中二氧化碳含量的增加而增多。海洋是碳的重要贮存库，每年来自矿物燃料的二氧化碳有40%被海洋吸收。水圈的碳循环如图4所示。

学生5：查阅资料可以知道，岩石圈也存在碳循环。岩石圈中的碳来自地幔和地壳中的碳酸盐、有机物和碳酸盐岩等。地幔中的碳主要来自地壳的碳酸盐和有机物的熔融，而地壳中的碳则来自大气中的二氧化碳和陆地植物的有机物。岩石圈中的碳可以通过多种途径进行转化，其中一个重要的途径是碳酸盐岩的形成。碳酸盐岩是由碳酸盐沉淀物所形成的矿物，其中的碳来自海洋中的二氧化碳。岩石圈中的碳也可以通过火山喷发和地震等地质灾害释放到大气中。

教师：地球上两个主要的碳储备来源是岩石圈和化石燃料，它们的碳储备比例高达99.9%，其他三个储备来源分别是大气圈、水圈和生物圈。这三个圈中的碳在生物和无机环境之间迅速交换，容量小而活跃，实际上起着交换库的作用。岩石中的碳因自然和人为的各种化学作用分解后进入大气和海洋，同时死亡生物体以及其他各种含碳物质又以沉积物的形式返回地壳中，由此构成了全球碳循环的一部分。研究发现，碳循环对土壤、水、空气、陆地以及海洋的温度变化有着重要的影响。深入研究岩石圈的碳循环，有利于我们更好地理解它的机理，并且能够更好地利用这些资源。下面请大家根据岩石圈的碳循环途径，完成图5中的相关转化。

设计意图：水圈、岩石圈和生物圈的碳循环是相互联系并相互影响的。通过了解这些圈层之间的相互作用，学生能够更好地理解地球碳循环的自然规律，合理利用碳循环的转化关系，从而保护生态环境。

教师：以上我们了解了二氧化碳在自然界中的转化，那么要实现碳中和，可以通过哪些途径？

学生6：节能减排可以降低工业、交通、家庭等领域的温室气体排放，有效实现减排。比如，我们可以采取乘坐公共交通、骑自行车或者步行的方法，以减少汽油的消耗。

学生7：据统计，每公顷森林可吸收约25吨二氧化碳。植树造林是一种有效实现碳中和的方法，它能够提高森林的覆盖率，吸收大量二氧化碳。

学生8：太阳能、风能、水能等清洁能源的充分利用是未来的发展方向，通过开发和利用新能源技术可以减少化石燃料等传统能源的使用，从而减少温室气体的排放量。我了解到，在北京冬奥会上，新能源车辆的使用比例是历届冬奥会最高的。氢燃料客车和纯电动车已经成为全球交通运输的重要组成部分。在本届冬奥会上，这些车辆的应用减少了1.1万吨的二氧化碳排放量，几乎等同于5万余亩树林每年的碳汇积累量。

学生9：环境保护和污染治理也是实现碳中和的重要途径。通过提高污染排放标准、加强工业生产过程中的废气控制等手段，可以减少二氧化碳等温室气体的排放。同时，加强废弃物处理和资源回收利用，可以减少废弃物的排放，实现资源的再利用和能量的回收，有效地推进碳中和。

教师：大家都分析得很好。在实现碳中和的道路上，从植树造林、节能减排、推广新能源技术，到碳交易市场、加强环境保护和污染治理等，各种手段都可以发挥相应的作用。只有全社会的共同努力才能够推进碳中和这一伟大的事业，让地球成为更加绿色、清洁的家园。实现碳中和是一项长期而艰巨的任务。目前，多个国家政府已经制定了碳达峰和碳中和的目标，并采取了一系列政策和措施推动碳中和。例如，中国近年来发布了关于碳达峰和碳中和的重大战略决策，加大了环保执法力度，鼓励企业使用新能源技术等，为实现碳中和提供了有力的支持。可以预见，未来碳中和将会越来越普遍。不仅是国家层面，企业和个人也在积极行动，如综合利用焦炉气中的副产品氢气与从工业尾气中捕集的二氧化碳合成甲醇。目前我国建设的全球首个10万吨级绿色甲醇工厂已经投产，实现了对二氧化碳的资源化利用。努力降低温室气体的排放，不仅有利于促进可持续发展，还可为人类创造更加美好的未来。

设计意图：碳中和需要进行生产方式和消费方式的变革。落实碳中和将促进产业的转型升级，从传统的高能耗、高污染型工业向更加环保、可持续、低碳的新型工业模式转型。了解相关产业的发展，可以增强学生学习的主动性，从而积极投身碳中和事业。

五、关于跨学科教学实践的教学反思

2022年版义务教育课程方案围绕发展学生核心素养精选和设计课程内容，设置“跨学科主题”学习活动，要求跨学科主题占本学科总课时不少于10%。跨学科教学结合多个学科的知识与技术，可以让学生从中获得全面的认知，使得整个课堂的教学效果大大提升，同时还能帮助学生更好地适应未来的工作和学习。

（1）跨学科教学可以提高学生的创造力和创新能力。通过跨学科的学习，学生可以更好地理解不同领域的知识，将这些知识融合在一起，从而创造出新的想法和解决方案，激发创造力和创新能力。通过激活生活经验、数据分析、思考讨论等活动，学生了解了温室效应及其对环境的影响，提高了学习二氧化碳的产生、性质与转化等基础知识的主动性与积极性，并能依据生活经验和实验探究活动学习二氧化碳的产生、制取以及二氧化碳的性质与转化。

（2）跨学科教学可以提高学生的批判性思维能力。跨学科教学可以帮助学生学习不同学科的思考方式和学习方法，从而培养他们的批判性思维能力。学生通过讨论、交流，从多角度分析、探讨运用化学学科和跨学科知识与思维实现碳中和、实行低碳行动的必要性和可行性。

（3）跨学科教学可以帮助学生更好地适应未来的工作和生活。现代社会对人才的要求越来越高，需要人们具备多学科的知识和技能。跨学科教学可以帮助学生学习不同学科的知识和技能，从而更好地适应这种趋势。在跨学科教学中，教师通过任务驱动学生运用化学学科和跨学科知识技能，结合科学、技术、社会政策等方面设计、评价低碳行动的各种方案，从而提高学生的实践能力，培养学生的科学态度和社会责任感。

跨学科教学是一种重要的教育模式，它可以提高学生的综合能力，帮助他们更好地适应未来的工作和生活。学生开展跨学科学习的前提是教师实施跨学科教学。学校应该在教育中加强跨学科教学的实践，以培养具有创造力、批判性思维能力和未来社会适应能力的学生。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准：2022年版［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］  胡久华，褚童，王静波，等.大概念统领的项目式学习：基于碳中和理念设计低碳行动方案［J］.化学教育（中英文），2022（9）：6-14.

（责任编辑 罗 艳）