本期荐读丨跨学科：基于工程学理念的跨学科实践设计与实施——以“一滴水的净化之旅”为例/李超英等

文章来源：李超英,郭敏.基于工程学理念的跨学科实践设计与实施——以“一滴水的净化之旅”为例[J]. 生物学通报, 2025, 60(6): 60-63.

编者按

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本刊2025年第6期刊发的《基于工程学理念的跨学科实践设计与实施——以“一滴水的净化之旅”为例》一文，以“一滴水的净化之旅”为例呈现如何在生物学教学中利用工程学设计引导跨学科实践，本期荐读。

基于工程学理念的跨学科实践设计与实施 ——以“一滴水的净化之旅”为例

李超英 （郑州市基础教育教学研究室 ）

郭敏（郑州市第九十六中学 ）

摘要

本案例以解决真实情境下的问题为出发点，学生依据工程学设计的一般流程制作简易净水器并迭代升级，在此基础上通过观察、检测等理解湿地生态系统净化水质的功能，拟订环保行动计划，积极参与环境保护实践。

关键词

工程学 跨学科实践 教学案例 课程标准

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》 （以下简称《课程标准》）增设“生物学与社会·跨学科实践”主题，要求学生在跨学科实践中综合运用科学、技术、工程学与数学等学科的概念、方法和思想，解决问题或创造产品。其中，工程学也可称作工程，是通过设计、制造和维护人造物品和技术系统来改变自然环境的专业。工程学的宗旨与自然科学不同，自然科学的目的是揭示自然的规律，而工程学的努力在于引发变革，因此力图改进是工程实践的核心。从基 础教育的视角来看，工程学是通过迭代设计对材料和技术进行优化，以满足在给定约束条件下的某些需求。

《课程标准》给出的3类跨学科实践活动中，可供选择的共有 11 个项目。很多教师已经带领学生进行了丰富多样的实践活动，但大部分局限于动手制作或完成产品，学生的工程学素养未能得到显著提升，也没有对跨学科概念产生新的理解，因此教学目标的达成受到一定的影响。鉴于此，本文以“一滴水的净化之旅”为例呈现如何在生物学教学中利用工程学设计引导跨学科实践。

1 案例开发依据

1.1

以生活中真实情境为来源

学校更新的一台净水器，引起学生的好奇：水是如何被净化的？教师以此驱动性问题为起点，引导学生将 其分解为 3 个子问题：净水器如何净化水质？湿地公园如何净化水质？如何保护大自然净化水质的功能？本校位于郑东新区湿地公园附近，学生因地理位置优势，对湿地生态系统产生了浓厚的兴趣和深切的关注。这一环境背景不仅激发了学生深入探讨湿地问题的热情，还促使其积极参与实践，运用所学知识解决真实生活中湿地保护所面临的难题。

1.2

以所跨学科课程标准为基石

本案例的跨学科实践活动主要涵盖了生物学、化学在义务教育阶段相应的内容，对应《课程标准》主题 3 “生物与环境”大概念 3“生物与环境相互依赖、相 互影响，形成多种多样的生态系统”，以及主题 7 “生物学与社会·跨学科实践”大概念 9“真实情境中的问题解决，通常需要综合运用科学、技术、工程学和数学等学科的概念、方法和思想，设计方案并付诸实施，以寻求科学问题的答案或制造相关产品”。其中《课程标准》在主题 3 学习活动建议中还设计了项目式学习活动：拟订保护当地生态环境的行动计划。同时，本案例还对应《义务教育化学课程标准（2022 年版）》主题 5“化学与社会·跨学科实践”跨学科实践活动：水质检测及自制净水器。本案例以所跨学科的课程标准为基石，支持学生像科学家和工程师那样思考并主导探究的过程，综合运用多个学科的知识与方法， 培养解决问题的能力。

1.3

以工程学设计引导跨学科实践为原则

跨学科实践要解决的问题是存在于真实生活情境中的难题，是学生关心和感兴趣的问题。工程学可以解决问题和改善生活，并且紧密关联现实世界，让学生在熟悉的环境中学习，为学生提供解决现实问题的学习经历，使学习变得生动有趣。解决实际问题的同时，深化知识理解，锻炼创新思维，正向反馈激发学生的积极性和创造力，持续推动他们在创新道路上前进。本案例以工程学设计引导跨学科实践为原则，使跨学科实践更贴近真实的科学和工程学研究，从而促进学生的发明和创新。

2 案例设计思路

目前对工程设计的过程并没有普遍认同的一般流程，但一些步骤被公认为是必要和重要的，如：1）明确工程难题。2）收集解决这一难题的各种不同想法。3）构建并测试模型和技术原型。4）最优化。

据此，基于《课程标准》和学生核心素养发展的要求，在理解教材的基础上，利用工程学设计引导跨学科实践的开展，充分融入科学、技术、数学和化学等学科知识，结合教学实际，开发跨学科实践教学案例：一滴水的净化之旅。

3 案例任务实施

3.1

任务 1：自制简易净水器

从学情来看，学生普遍缺乏基础的化学知识。因此，在任务 1 的初期阶段，教师需要进行周密的引导与准备工作。学生通过查阅资料，在教师的专业引导下，深入研究净水器净化水质的科学原理。基于这些净水方法和原理，学生自主选取简易的材料，精心制定设计方案，并合理估算成本。随后，学生制作简易净水器，并对其净水效果进行测试与评估，以便进行优化改进。

第 1 阶段，学生自主选择塑料瓶作为主要材料，利用小卵石来过滤掉水源中较大的不溶性颗粒物质，接着利用石英砂进一步去除颗粒较小的不溶性物质，随后利用活性炭的强大吸附能力去除水中的色素和异味，最后利用蓬松棉的特性吸附并去除剩余的小颗粒、不溶性物质，如图 1 所示。这一系列的步骤不仅体现了学生对净水原理的深入理解，也展示了他们在实践中的创新思维和解决问题的能力。

经过对自制简易净水器净水效果的观察，可 以明显看出，水经过该净水器后确实变得更加清澈。肉眼观察的结果并不能作为衡量水质净化的科学依据。学生通过查阅资料发现，可以通过 3 个指标来衡量净化水质的效果，分别是浊度、COD （化学需氧量）、氨氮。浊度是光线通过时溶液所产生的阻碍程度。浊度值越大，表示水体中的泥沙、黏土、微生物等悬浮物越多。COD 是水体中能被氧化的物质进行化学氧化时的耗氧量。COD 值越大，水污染程度越高。氨氮是水中游离氨和铵离子形式存在的氮，是水体中的主要耗氧污染物。氨氮值越大，水污染程度越高。学生向环境基准与风险评估国家重点实验室求助，对过滤前、后水样的这 3 个指标进行了检测，结果如表 1 所示。

第 2 阶段，经过严格的测试和评估，自制的简易净水器展现出较好的净水效果，但是学生发现在设计上存在一些不足，主要体现在：1）净水器无法有效控制水的流速，这导致在过滤过程中，水流速度可能过快或过慢，从而影响净水效果和过滤效率。2）塑料瓶作为净水器的主要容器，其稳定性不佳，这增加了净水器在使用过程中倾倒或损坏的风险，降低了净水器的使用寿命和实用性。综上所述，为了优化净水器的流速稳定性，学生巧妙地引入了医疗输液管（学校统一购买），利用其开关功能来精准控制水流速度。为了防止净水器倾倒，学生利用化学实验中常用的铁架台增强其稳定性。基于这些创新性的改进方案，学生对净水器进行了重新设计与制作（图 2），对过滤前、后的水样进行检测，数据表明改进后净水器的净水效果大于改进前。

3.2

任务 2：探究湿地生态系统净化水质的功能

当学生对大自然如何净化水质产生疑惑时，教师引导学生探究湿地生态系统净化水质的功能。任务 2 更侧重于科学探究，探究的过程可为学生提供学习所需的直接反馈和亲身体验，使他们能形成新的、持久的对外部世界的理解。

任务 2 中，教师带领学生来到学校附近的湿地公园，探究湿地净化水质的原理，绘制湿地公园的水质净化处理流程图，如图 3 所示。通过现场观察、讨论、思考，学生知道水泵将如意湖湖水抽到湿地公园，依次通过跌水曝气池、一级生物塘、一级碎石床、二级生物塘、二级碎石床。跌水曝气池通过瀑布式的流水方式对水体进行氧化，除去水中大量的金属离子。生物塘和碎石床里栽种有水生植物，利用水生植物根系周围微生物群的降解作用以及碎石填料的物理作用，对污染物质进行分解，从而使污水得到深度的净化。

紧接着学生在如意湖湖水、跌水曝气池、一级生物塘、一级碎石床、二级生物塘、二级碎石床 6 个点分别取样，对这 6 个点的浊度、COD、氨氮质量浓度进行检测，结果如表 2 所示。学生结合实验结果，深入分析、细致总结，最终完成探究湿地生态系统净化水质功能的实验报告。

3.3

任务 3：拟订保护本地湿地生态系统的行动计划

《课程标准》主题 3 以生物与环境的关系为认知对象，特别关注人与自然的关系。教师引导学生运用生态观和生态学概念及原理进入任务 3，在工程学设计引导下拟订保护本地湿地生态系统的行动计划步骤：1）发现问题，调查湿地生态系统现状。2）分组拟订保护湿地生态系统的计划。3）分组汇报，论证计划的合理性和可行性。4）改进、汇总计划，为保护湿地生态系统献计献策。

深入调研本地湿地生态系统的保护现状后， 学生发现当前面临的主要挑战聚焦于 3 个核心问题：1）固体垃圾无序投放。这不仅破坏了湿地的自然景观，还可能对湿地生态系统的正常运行构成威胁，影响生物多样性和生态平衡。2）保护修复工作滞后。例如，部分植物未能及时补种，致使受损湿地得不到有效恢复，湿地的生态功能逐渐减弱，甚至某些区域出现生态退化现象。3）宣传教育工作不足。湿地保护意识尚未得到广泛普及和深入理解，导致公众对湿地保护的重要性和紧迫性认识不足，缺乏参与湿地保护的积极性和行动力。

针对以上本地湿地生态系统保护出现的 3 个问题，学生分组进行讨论，在教师的引导下，拟订切实可行的保护计划。计划要主题鲜明（针对哪些环境问题而定）、层次清楚（针对实际问题、有条理有根据地分析、说明和提出建议）、简单易行 （实际、简约、易操作、效果好）。在团队协作的基础上，学生针对湿地公园目前存在的 3 个核心问题，拟订湿地公园的恢复、保护计划。

通过分组展示与深入论证，学生对所拟订计 划的合理性与可行性进行了全面评估。学生指出垃圾桶与宣传牌的标识设计需要进一步优 化，以增强其直观性和科学性，并详细阐述各类标识在不同地点设置的合理依据。基于这些讨论，学生进一步咨询了相关领域的专家。专家建议，在生物塘与碎石床区域，应及时补种浮水、沉水及挺水类水生植物。学生对原计划中的植物补种方案进行了精确调整，最终汇总并推选出了最为科学合理的行动计划。最后，学生通过撰写小论文、拍摄微视频、给有关单位或部门写信等活动方式，为保护本地湿地生态系统献计献策。

4 案例创新点和应用效果

4.1

利用工程学设计引导跨学科实践的开展

从任务 1 的自制简易净水器到任务 3 的拟订保护本地湿地生态系统的行动计划，均突出工程学过程的迭代特征。学生不仅亲历对净水器进行测试、评价、分析、改进、应用的过程，还亲身论证了计划的可行性，并进行评价、分析、改进、推广，体验到科学、技术、工程学、数学和化学等学科之间的关联，并综合应用于实际问题的解决，达成《课程标准》中跨学科实践学习主题中的核心素养目标。

4.2

基于工程学落实“做中学”“用中学” “创中学”

“做中学”“用中学”“创中学”是发展核心素养的重要策略。本案例 3 个子问题对应 3 项核心任务。任务 1 自制简易净水器，让学生初步认识净水器净化的原理，并由此引发大自然如何净化水质的思考，从而完成任务 2 探究湿地生态系统净化水质的功能，领悟湿地保护的重要性，进而完成任务 3 拟订保护本地湿地生态系统的行动计划。这 3 项任务层层递进，不断加深，突出了学科内容的关联性和结构性。通 过“做中学”，学生亲身体验现实世界，获取直接经验和真实感受；通过“用中学”，学生将知识转化为解决实际问题的利器，体验实践的力量；通过“创中学”，学生探索未知，亲手塑造创新的果实，感受创造的魅力。

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编辑：《生物学通报》编辑部