跨學科主題教學的探索*
——以一節“新冠疫情”主題課為例

張 弛 王亞玲

高中階段雖是分科教學為主，但我們理科教師的著眼點不應僅僅停留于本學科的核心素養上，物理、化學、生物乃至數學學科都應該注重培育學生的科學素養。所以，在“新冠疫情”尚未結束的當下，基于病毒和疫情開展相關跨學科主題式教學活動是必要的也是可行的。本次教學活動設計的主要內容和流程如下。

一、關于病毒

1.化學屬性。

【知識介紹】引起此次疫情的病毒的叫作“2019 新型冠狀病毒”，屬單鏈RNA 病毒；病毒顆粒呈圓形或者橢圓形，直徑60～140 nm。

【提問】病毒的物質基礎或者說本質是什么？這個大小的顆粒如果做成材料，屬于什么材料？病毒有沒有可能被用于醫藥？

（設計意圖：從某種意義上說，病毒是聯結化學與生命科學的一種特殊原始生命體和物質，也是培養學生“宏觀辨識與微觀探析”素養的很好素材。病毒顆粒是納米級顆粒，而納米材料是近年科技領域的明星，將二者聯系起來讓學生“遐想”是否可用于醫藥，可引導他們關注科學前沿，培養他們的創新意識、思維發散能力。而病毒的“兩面性”也可以幫助學生形成辯證思維，學會一分為二地看問題。）

2.結構。

【提問】冠狀病毒名稱的由來是否跟外形、結構有關？我們能否通過光學顯微鏡來觀察？如果不能，可以借助哪些方法、手段來觀察？

【活動】復習原子光譜相關知識，辨析不同顏色光的波長；引導學生回憶X-射線衍射儀的相關功能；介紹我國科學家對電子顯微鏡的運用成果。

（設計意圖：病毒作為特殊的物質，有其內在的結構。此處的探討涉及“物質結構與性質”模塊中原子光譜、晶體結構探測常見方法等知識，強化了知識的應用和遷移。而對我國科學家在電子顯微鏡應用方面的介紹，可以借機進行愛國主義教育。）

3.傳播。

【提問】新冠病毒傳播的途徑可能包括直接傳播、接觸傳播和氣溶膠傳播等。那么，什么是氣溶膠傳播？病毒為何能形成氣溶膠？請根據所學知識解釋。

【活動】復習必修模塊的“交叉分類法”，鞏固9 種分散系并加以舉例。讓學生認識到，若分散劑為氣體，分散質粒子大小處于膠體范圍內，則形成氣溶膠。

【知識介紹】經傳播后，病毒為何能感染人？這首先需要病毒（刺突蛋白）與人體胞蛋白之間發生作用。

【提問】其作用力到底是什么？這些作用力的特點是什么？

引導學生從氫鍵、范德華力和化學鍵三個方面進行分析，同時介紹可逆性吸附、不可逆性吸附以及RNA病毒的二、三級結構。

（設計意圖：根據我們的教學經驗，學生對膠體的認識一般都局限在液溶膠上，借助病毒傳播氣溶膠機理的討論，可以起到溫故知新的作用。病毒在感染的機理方面又源于微觀不同的作用力方式，這些都涉及豐富的化學知識，這些討論有利于幫助提升學生的“宏觀辨識與微觀探析”素養。）

二、關于消毒

【知識介紹】據資料，新冠病毒對熱敏感，在56℃保持30 分鐘即可滅活，另外，乙醚、75%濃度的乙醇、含氯消毒劑、過氧乙酸和氯仿等脂溶劑均可對其進行有效滅活。

1.高溫消毒。

【提問】高溫消毒的原理是什么？是否只有56℃以上才具有消毒效果？消毒效果與溫度是什么關系？在消毒溫度調控方面是否有上限？溫度與消毒速率之間的關系可以用數學方法來表達嗎？

【活動】學生繪制自己所理解的“溫度—消毒速率關系曲線圖”。

2.酒精消毒

【知識介紹】乙醇也是常見的消毒劑，它的消毒原理是使細菌、病毒的蛋白質脫水變性而凝固。

【提問】根據剛才對消毒溫度的分析，乙醇的消毒效果是不是也與其濃度呈正相關呢？有沒有什么無機反應可與不同濃度酒精消毒效果不同的現象作類比？（預設：不使用硫酸與石灰石反應制取二氧化碳，是因為生成的硫酸鈣是微溶的，會覆蓋在固體表面阻止反應的進一步發生。）

3.其他消毒方法。

【提問】剛才還提及其他的一些消毒劑，你們能大致分析下相應的消毒原理嗎？（預設：乙醚、氯仿等都是常見有機溶劑，它們可以通過溶解的方法破壞病毒的結構，而含氯消毒劑、過氧乙酸等具有較強的氧化性，也可使蛋白質變性。）

（設計意圖：病毒的物質屬性是蛋白質，學生已學習過破壞蛋白質的思路和方法，所以此處的高溫、消毒劑等方法的消毒機理學生是可以自行得出的，有關實例分析學生也完全可以給出自己“專業”的解答。如此訓練了他們的推理、判斷能力，有助于提升他們“證據推理與模型認知”方面的素養。此外，溫度與消毒時間之間關系的討論，還涉及生物、物理、數學等學科知識。這些都是對跨學科的理科綜合能力的鍛煉，也指向了學生“科學探究與創新意識”“科學精神與社會責任”等素養。）

三、關于醫藥

如果說消毒主要是針對外界環境、媒介所采取的消滅病毒的措施，那么針對人體環境就要輪到醫藥登場了。

1.西醫。

【知識介紹】針對此次疫情，有不少西藥進入了臨床實驗，利托那韋就是其中之一，Bellani 等則在合成利托那韋時使用到了一種原料叫纈氨酸。（見圖1［1］）

【討論】①該物質的分子式為____，分子中的手性碳原子____有____個。

②該物質所包含的官能團有____和____，同時擁有這兩個官能團所具備的基本性質叫作____，同時擁有這兩個官能團的同分異構體（不含自身、不考慮立體異構）的數量有____種。

③該物質兩個分子間發生交叉脫水所形成的環狀二肽中的環為____元環。

（設計意圖：藥物化學是化學的重要分支，也是化學學科價值具體體現的途徑。經查閱有關資料，針對新冠病毒的大多數藥物的分子結構都比較復雜，超出了多數中學生的認知。但我們還是可以以其中某些藥物的原料或者中間體為研究對象，分析其結構、性質等問題，從而讓生物、醫學問題成為真正的化學問題，訓練他們解決實際問題的能力和知識遷移能力。）

圖1 纈氨酸分子結構

2.中醫。

習近平總書記曾指出中醫是中國古代科學的瑰寶，也是打開中華文明寶庫的鑰匙。在此次新冠病毒感染的肺炎疫情中，中醫也發揮了十分積極的作用。國家衛生健康委員會還推出了《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案》，其中特別強調了“中醫治療”辯證性的指導意見，各地在實際使用中效果也良好。

【提問】中醫在中國土地上傳承了數千年，許多前輩舍命嘗百草，為后人留下寶貴經驗，這體現了怎樣的精神？中醫的基本理念有“糾偏”“正氣存內，邪不可干”，你怎么理解“糾偏”和“正”？俗話說“是藥三分毒”，如何看待這個問題？

（設計意圖：對于中醫的價值，有人的確有疑惑。通過對相關問題的探討，學生可以體會到中醫也是唯物的，是經過實踐檢驗的，其中蘊含了平衡觀、辯證觀，是深刻的智慧，作為中國人，要有自己的文化自信。以上相關問題的辨析有利于培養學生的“證據推理”能力和素養。事實上，中醫、西醫各有所長，我們應鼓勵學生立志學好傳統醫學和現代科學，使之更完美地融合，更好地造福人類，形成應有的“科學精神與社會責任”。）

四、拓展活動

1.關于防護。

【提問】此次疫情最重要的防護手段之一就是戴口罩。熔噴布是口罩中最核心的材料，它的主要成分是聚丙烯。你覺得它應該屬于哪類材料，具有怎樣的性質？如何驗證它的性質？

【活動】①判斷口罩質量的指標包括口罩的呼吸阻力、過濾效率和適配性等。［2］學生分組討論設計實驗，用于判斷口罩的呼吸阻力性能。（見圖2）（預設：設計透風實驗，將口罩套緊功率恒定電吹風的出風口，開啟冷風檔，在正前方豎直放置毛發或者紙張漸漸向電吹風靠近，當毛發或者紙張恰好可被吹彎時測量此時的距離，距離越遠則說明透氣性能越好。）

②醫用防護口罩含有疏水層，是不允許透水、也不允許通過病毒氣溶膠的，分組討論設計簡單的透水性實驗，驗證其過濾性能。

③探究口罩的種類、使用范圍、結構組成、可以過濾的物體、防護的原理、重復利用的效果，設計、制作一些實用的防毒裝置。

（設計意圖：幫助學生了解一些有用的公共衛生知識，通過設計實驗來探究口罩的質量等問題，可以鍛煉他們解決實際問題的能力，培養他們“科學探究與創新意識”的素養。）

2.藝術欣賞。

播放筆者在所任教學校牽頭成立的原創音樂工作室的原創歌曲《自然》，基于此疫情，強調我們對待大自然應有的態度。

【活動】課后請學生基于此次活動，模仿化學版《青花瓷》等作品，為自己喜歡的歌曲重新填寫化學版的歌詞。

（設計意圖：藝術有其特殊的感染力，能起到特別的教育效果。歌曲《自然》符合當前對疫情反思的主題，能喚醒人們珍愛自然的意識。給歌曲填詞的活動還有利于學生人文素養與科學素養的同步發展。）

圖2 口罩透風性實驗示意圖

總的來說，此次活動是教育和學科教學雙重視角的一次主題式教學活動。從教育層面來說，是通過探究、反思和情境渲染來培養學生的愛心、同情心，形成使命感、社會責任感，幫助他們樹立學好科學知識、將來回饋社會、造福人類的志向。從學科教學層面來說，主要是探析和挖掘涉及病毒和疫情的化學學科知識，引導他們運用這些知識去解釋相關現象和問題，提高他們聯系生活實際的能力和解決實際問題的能力，提升他們的化學核心素養和科學素養。

筆者認為，學生擁有較高素養水平的重要表征就是具備了相應的必要觀念，在這些觀念的指導下，他們能夠正確合理地解釋、解決所面對的各種實際問題。就此次活動而言，涉及的觀念有：物質觀、微粒觀、結構觀、運動觀、轉化觀、平衡觀、辯證觀、自然觀、生命觀、大科學觀（指向綜合科學素養）等，具體例證、闡釋可見圖3。

圖3 主要觀念圖

當然，這些觀念有的屬于化學學科的基本觀念，有的屬于更廣范疇的自然科學觀念，有的還屬于哲學觀念，而且這些觀念也并非是孤立的，而是存在相互依賴、相互支撐等關系。希望筆者的上述思考能為同行創造性地開展相關的主題活動提供借鑒。