新課程背景下高中化學(xué)跨學(xué)科主題教學(xué)設(shè)計(jì)

王英彤 王秋 石峰

摘要：選取生活中常見的無糖飲料，以“糖尿病患者是否能飲用無糖飲料”為問題主線，綜合化學(xué)學(xué)科和生物學(xué)科內(nèi)容，以科學(xué)探究的形式將陌生的學(xué)科知識(shí)與熟悉的日常生活聯(lián)系起來。從化學(xué)和生物學(xué)科視角，分析、闡釋新課程背景下高中化學(xué)跨學(xué)科主題的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)過程，為高中化學(xué)跨學(xué)科教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科; 糖類; 教學(xué)設(shè)計(jì); 高中化學(xué)

文章編號(hào)：1005-6629（2021）08-0063-06

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1926年，哥倫比亞大學(xué)心理學(xué)家伍德沃斯（R.S. Woodworth）于當(dāng)時(shí)新成立的美國(guó)社會(huì)科學(xué)研究理事會(huì)（SSRC）首次提出跨學(xué)科（Interdisciplinarity）的概念[1]，近百年來，跨學(xué)科理論飛速發(fā)展并應(yīng)用于跨學(xué)科教學(xué)實(shí)踐，受到許多國(guó)家的重視。

1 跨學(xué)科主題教學(xué)內(nèi)涵及意義

跨學(xué)科主題教學(xué)是指以一門學(xué)科為中心，在這個(gè)學(xué)科中選取一個(gè)中心主題，圍繞該中心主題，運(yùn)用不同學(xué)科的知識(shí)和方法，開展對(duì)所指向的共同問題進(jìn)行討論和解決而設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)[2]。

近年來，科學(xué)發(fā)展呈現(xiàn)大概念、大科學(xué)、大綜合的發(fā)展趨勢(shì)[3]，化學(xué)作為一門在原子、分子水平上研究物質(zhì)的基礎(chǔ)學(xué)科，其認(rèn)識(shí)物質(zhì)和創(chuàng)造物質(zhì)的特征，決定了化學(xué)與其他學(xué)科密不可分。從認(rèn)識(shí)論角度出發(fā)，自然界中萬事萬物、人類社會(huì)的種種問題都存在千絲萬縷的聯(lián)系，不同科目及其研究成果，為人們提供了認(rèn)識(shí)世界的特有視角和思維方式，有利于人們從不同角度深入認(rèn)識(shí)事物運(yùn)行的規(guī)律，但是面對(duì)現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜真實(shí)問題時(shí)，又需要統(tǒng)整不同學(xué)科知識(shí)和方法以有效解決問題。目前，很多國(guó)家倡導(dǎo)的STEM教育和項(xiàng)目式教學(xué)，本質(zhì)上都體現(xiàn)著跨學(xué)科思想，強(qiáng)調(diào)通過學(xué)科聯(lián)系解決問題。

我國(guó)高中階段目前實(shí)行的是分科教學(xué)模式。分科課程強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識(shí)的縱向邏輯結(jié)構(gòu)，并隨著年級(jí)的提升和學(xué)習(xí)的進(jìn)階，對(duì)學(xué)生提出更高的要求。無論是從教師教學(xué)還是學(xué)生學(xué)習(xí)的角度，直接設(shè)置綜合課程都存在一定困難。在分科課程的基礎(chǔ)上實(shí)施跨學(xué)科教學(xué)，既能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)各學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的理解，又能夠加強(qiáng)學(xué)科間的橫向聯(lián)系。化學(xué)作為自然科學(xué)的中心學(xué)科，很多知識(shí)和方法都能夠與其他學(xué)科相互滲透，因此，化學(xué)課堂適合作為實(shí)施跨學(xué)科主題教學(xué)的陣地。

2 教學(xué)主題的選擇

跨學(xué)科主題教學(xué)并非將不同學(xué)科內(nèi)容簡(jiǎn)單地羅列在一起，而是注重從多學(xué)科知識(shí)視角去解決問題，幫助學(xué)生獲得綜合應(yīng)用所學(xué)各科知識(shí)去解決實(shí)際問題的能力。可以從飲食與健康、環(huán)境與發(fā)展、職業(yè)與安全，科技與前沿等視角，尋找與化學(xué)相關(guān)的跨學(xué)科主題。

首先，作為以化學(xué)課堂為主陣地的跨學(xué)科教學(xué)，在教學(xué)設(shè)計(jì)中要凸顯化學(xué)學(xué)科的主體地位。糖類這部分內(nèi)容，在高中階段化學(xué)和生物課程中，內(nèi)容上具有較高的重合性，但強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)不同。糖作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從生物學(xué)科角度，強(qiáng)調(diào)糖類物質(zhì)為維持人體生命活動(dòng)提供能量、人體內(nèi)的血糖平衡需要人體器官的調(diào)節(jié)等生理作用;從化學(xué)學(xué)科角度，突出物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其關(guān)系，如糖類的結(jié)構(gòu)特征決定性質(zhì)、利用糖類特征反應(yīng)鑒別糖類以及與營(yíng)養(yǎng)健康相關(guān)議題的判斷與決策等。“探秘?zé)o糖飲料”這一主題，將無糖飲料作為聯(lián)系兩個(gè)學(xué)科的橋梁，“糖尿病患者是否能飲用無糖飲料”這一主線問題的解決需要綜合生物、化學(xué)兩個(gè)學(xué)科的知識(shí)，缺一不可，同時(shí)又以還原糖的鑒別反應(yīng)原理為主要內(nèi)容，凸顯化學(xué)學(xué)科的主體地位。

其次，高中跨學(xué)科教學(xué)，要關(guān)注各相關(guān)學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)教學(xué)的要求。課標(biāo)中“內(nèi)容要求”規(guī)定的學(xué)習(xí)內(nèi)容是學(xué)科核心素養(yǎng)形成的載體，學(xué)習(xí)內(nèi)容要求的深廣度與學(xué)業(yè)質(zhì)量水平要求相契合，而“學(xué)業(yè)要求”是依據(jù)學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的水平和內(nèi)容要求編寫的，參照內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，可以幫助教師更好地把握教學(xué)要求，落實(shí)教、學(xué)、評(píng)的一致性和一體化[4]。本節(jié)課涉及到的內(nèi)容包括人教版高中生物選擇性必修1的血糖平衡的調(diào)節(jié)和高中化學(xué)選擇性必修3的還原糖的鑒別。高中化學(xué)新課標(biāo)[5]和高中生物新課標(biāo)[6]對(duì)“探秘?zé)o糖飲料”這節(jié)課所涉及的教學(xué)內(nèi)容及要求如表1所示。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)分析

本節(jié)課內(nèi)容選自人教版教材高中化學(xué)選擇性必修3第四章第一節(jié)中“單糖和二糖”相關(guān)內(nèi)容與高中生物選擇性必修1第三章第二節(jié)“血糖平衡的調(diào)節(jié)”相關(guān)內(nèi)容。以“探秘?zé)o糖飲料”為主題，圍繞“糖尿病患者能否飲用無糖飲料”這一具體問題，綜合運(yùn)用化學(xué)學(xué)科和生物學(xué)科的知識(shí)和方法解決問題，進(jìn)行相關(guān)教學(xué)設(shè)計(jì)。教學(xué)過程中利用官能團(tuán)醛基的特點(diǎn)，引出鑒別糖類的特征反應(yīng)，提出解決問題的實(shí)驗(yàn)方案。根據(jù)官能團(tuán)的特點(diǎn)解釋和預(yù)測(cè)化合物性質(zhì)，加深學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)這一化學(xué)核心觀念的理解。且糖類作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為維持人體生命活動(dòng)提供能量，與人體生命系統(tǒng)中的內(nèi)分泌腺體胰島有著密切聯(lián)系。以無糖飲料為橋梁，將糖的化學(xué)性質(zhì)與生物功能聯(lián)系起來，進(jìn)行跨學(xué)科主題教學(xué)，使學(xué)生能夠?qū)W(xué)習(xí)思路遷移到其他關(guān)于科學(xué)飲食與身體健康的問題上，促使學(xué)生產(chǎn)生更多有意義、有價(jià)值的新問題，引起一系列更有效的學(xué)習(xí)行為。

高二學(xué)生在以往的學(xué)習(xí)中已經(jīng)學(xué)習(xí)和經(jīng)歷過探究式學(xué)習(xí)，對(duì)科學(xué)探究的思路和方法都有一定的認(rèn)識(shí)，能夠針對(duì)一些問題做出科學(xué)合理的猜測(cè)，并且在教師引導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)探究。本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)探究階段，教師將自主權(quán)完全交給學(xué)生，從方案設(shè)計(jì)到結(jié)果分析由小組成員討論決定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠真實(shí)地反映出學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案的合理性和操作的準(zhǔn)確性。

3.2 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

依據(jù)課標(biāo)要求與教學(xué)分析，綜合兩門學(xué)科的學(xué)科特點(diǎn)，本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)如下：

（1） 通過分析胰島素和胰高血糖素對(duì)人體血糖的調(diào)節(jié)情況，建立人體的血糖調(diào)節(jié)模型，樹立物質(zhì)觀與能量觀。

（2） 通過無糖飲料是否含糖的實(shí)驗(yàn)探究，進(jìn)一步學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法。

（3） 通過對(duì)人工甜味劑安全性爭(zhēng)議的討論，建立以辯證角度認(rèn)識(shí)世界的觀念，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的核心素養(yǎng)。

（4） 通過“糖尿病患者是否能飲用無糖飲料”這一問題的解決，建立運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)綜合解決問題的視角。

3.3 評(píng)價(jià)任務(wù)

依據(jù)學(xué)情分析和教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)教學(xué)評(píng)價(jià)任務(wù)如下：

（1） 通過對(duì)糖尿病患者控制糖分?jǐn)z入原因的分析，診斷物質(zhì)與能量觀、平衡與穩(wěn)態(tài)觀、結(jié)構(gòu)與功能觀的發(fā)展水平。

（2） 通過對(duì)無糖飲料是否含糖的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的交流，診斷并發(fā)展科學(xué)探究能力。

（3） 通過人工甜味劑安全性的討論分析，發(fā)展批判性思維。

3.4 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

以糖尿病患者能否飲用無糖雪碧作為問題主線，設(shè)計(jì)了四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié);在每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中設(shè)置1～2個(gè)小問題，形成基于問題的知識(shí)線與素養(yǎng)線;在學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí)的同時(shí)發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

3.5 教學(xué)過程

[引課]市面上的某些無糖飲料宣稱糖尿病人可以飲用，是否真的如宣傳所說，讓我們通過今天的學(xué)習(xí)來一探究竟。

環(huán)節(jié)一 糖與胰島素

[展示]人體血糖平衡的主要調(diào)節(jié)過程示意圖，如圖2所示。

[提問]同學(xué)們身邊是否有糖尿病患者？對(duì)糖尿病有哪些了解？請(qǐng)同學(xué)們結(jié)合人體血糖平衡調(diào)節(jié)示意圖（圖2）分析糖尿病患者為什么要控制糖分?jǐn)z入？

[討論與匯報(bào)]糖尿病可以通過注射胰島素或者藥物治療的方式進(jìn)行治療。攝入糖分后人體血糖升高，由于糖尿病患者胰島素分泌不足無法調(diào)節(jié)血糖至正常水平，導(dǎo)致心、腦、腎等嚴(yán)重并發(fā)癥的出現(xiàn)，甚至危及生命。

[知識(shí)拓展]糖尿病是一種由于胰島素相對(duì)或絕對(duì)缺乏，以高血糖為特征的代謝類疾病，有Ⅰ型和Ⅱ型之分。Ⅰ型糖尿病是由于胰島受病毒和自身免疫等因素破壞，胰島B細(xì)胞受到破壞引起的胰島素絕對(duì)缺乏（或分泌不足），主要可通過注射胰島素的方式治療;Ⅱ型糖尿病從胰島素抵抗為主同時(shí)伴有胰島素缺乏，到胰島素缺乏為主同時(shí)伴有胰島素抵抗，胰島素抵抗的表現(xiàn)是胰島素敏感性下降，因此可通過口服藥物增加胰島敏感性進(jìn)行治療[7]。

[提問]同學(xué)們身邊是否有低血糖患者，對(duì)低血糖有哪些了解？

[討論與匯報(bào)]低血糖會(huì)導(dǎo)致頭暈、心悸，嚴(yán)重時(shí)可能昏迷;平時(shí)注意糖分補(bǔ)充，發(fā)病時(shí)可以吃含糖食物，癥狀嚴(yán)重時(shí)應(yīng)及時(shí)就醫(yī)給予靜脈注射葡萄糖。

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)糖尿病患者和低血糖患者的日常分析，知道糖和胰島在人體內(nèi)發(fā)揮的功能和作用，建立血糖調(diào)節(jié)模型，培養(yǎng)生命觀念核心素養(yǎng)，樹立物質(zhì)觀和能量觀。

環(huán)節(jié)二 無糖飲料與含糖飲料

[展示]展示葡萄糖和果糖的結(jié)構(gòu)式，提問：葡萄糖和果糖內(nèi)含有什么官能團(tuán)，能否與新制氫氧化銅溶液反應(yīng)？

[討論與匯報(bào)]葡萄糖分子中含有醛基，能夠與新制氫氧化銅溶液反應(yīng)生成磚紅色沉淀;而果糖分子內(nèi)不含醛基，不能與新制氫氧化銅溶液反應(yīng)。

[提問設(shè)疑]葡萄糖和果糖是否都能與氫氧化銅反應(yīng)呢？請(qǐng)同學(xué)們通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

[實(shí)驗(yàn)探究]根據(jù)提供的藥品，設(shè)計(jì)果糖和葡萄糖與氫氧化銅的實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：裝有果糖試劑和葡萄糖試劑的試管中都出現(xiàn)磚紅色沉淀。

[學(xué)生猜想]果糖在反應(yīng)過程中一定生成了醛基，才能出現(xiàn)磚紅色沉淀。

[知識(shí)拓展]果糖是酮糖，它能夠與氫氧化銅溶液發(fā)生反應(yīng)，是由于在堿性溶液中能夠通過烯醇式中間體發(fā)生互變異構(gòu)變?yōu)槠咸烟呛透事短恰?/p>

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生經(jīng)過必修2的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道葡萄糖與氫氧化銅能夠發(fā)生反應(yīng)，但未能從官能團(tuán)角度分析反應(yīng)原理，進(jìn)一步樹立結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的觀念。由酮糖與醛糖的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象帶來的認(rèn)知沖突，啟發(fā)學(xué)生要?jiǎng)討B(tài)靈活地分析化學(xué)變化，樹立變化觀念。

[課件展示]某品牌無糖與含糖雪碧的成分表，如圖3所示。分析無糖飲料與含糖飲料成分，并展示蔗糖分子結(jié)構(gòu)式。

設(shè)計(jì)意圖：從官能團(tuán)分析，蔗糖與酮糖類似，都不具有能還原氫氧化銅溶液的醛基。類比酮糖中酮基轉(zhuǎn)化為醛基的反應(yīng)，引出蔗糖的水解反應(yīng)，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

[實(shí)驗(yàn)探究]探究“無糖飲料”是否含糖。

任務(wù)1：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)流程圖見圖4。

任務(wù)2：分組實(shí)驗(yàn)。

（1） 蔗糖水解反應(yīng)。

取兩種雪碧飲料各2mL于兩支試管內(nèi)，向其中滴加3～5滴20% H2SO4溶液，酒精燈加熱5min，水解后用NaOH溶液中和至堿性。

（2） 配制葡萄糖檢驗(yàn)試劑。

各小組根據(jù)必修所學(xué)的兩種還原糖鑒別實(shí)驗(yàn)，分別選擇一種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

配制Cu（OH）2溶液：在一支試管中加入4mL 10% NaOH溶液，再加入10滴CuSO4溶液，混合均勻。

配制銀氨溶液：在一支試管中加入4mL 2% AgNO3溶液，然后逐滴加入2%氨水，邊滴加邊振蕩，直到最初生成的沉淀剛好溶解為止。

（3） 向兩支試管中分別加入上述新配的檢驗(yàn)試劑，在80℃水浴中（均勻）加熱，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否與預(yù)期一致。

預(yù)期現(xiàn)象1：有糖雪碧試管中出現(xiàn)磚紅色沉淀;無糖雪碧試管中呈藍(lán)色。

預(yù)期現(xiàn)象2：有糖雪碧試管壁上形成銀鏡;無糖雪碧試管中呈無色。

任務(wù)3：?jiǎn)栴}總結(jié)。

各小組基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，反思實(shí)驗(yàn)操作中的問題。

[提問]使用氫氧化銅試劑鑒別葡萄糖時(shí)，為什么要在堿性條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？

[猜想1]酸性條件會(huì)對(duì)氫氧化銅試劑產(chǎn)生干擾。

[猜想2]堿性條件下葡萄糖更易發(fā)生反應(yīng)。

[知識(shí)拓展]雖然氫氧化銅的氧化性比酸性條件下的銅離子弱，但是在堿性條件下醛基的還原性增強(qiáng)得更多。因此，堿性條件下氫氧化銅更容易氧化醛基。

設(shè)計(jì)意圖：基于問題提出猜想，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案通過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象驗(yàn)證猜想，得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依據(jù)教師提問和學(xué)生反思情況，診斷并發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。

環(huán)節(jié)三 神奇的甜味劑

[提問]無糖飲料的甜味來自什么物質(zhì)？

[課件展示]人工甜味劑阿斯巴甜的發(fā)現(xiàn)過程。

設(shè)計(jì)意圖：用趣味性化學(xué)史的介紹吸引學(xué)生關(guān)注，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成勤于思考的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

[匯報(bào)與討論]每小組根據(jù)課前分發(fā)的關(guān)于阿斯巴甜的資料，針對(duì)阿斯巴甜的安全性存在爭(zhēng)議這一事實(shí)進(jìn)行討論并作匯報(bào)。

[意見1]是不安全的。雖然食品安全機(jī)構(gòu)做出阿斯巴甜可安全使用的聲明，但并沒有確切實(shí)驗(yàn)說明阿斯巴甜與偏頭痛、癌癥等疾病毫無聯(lián)系，因此為確保安全，就算是無糖飲料中不含糖類，也不能盲目將其作為糖尿病患者可飲用的飲料。

[意見2]是安全的。不能脫離劑量談毒性。世界衛(wèi)生組織下屬的食品添加劑聯(lián)合專家委員會(huì)和歐盟食品安全局對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)估，以動(dòng)物做實(shí)驗(yàn)推算出體重在60kg左右的正常健康人群每日攝入2.4g阿斯巴甜，并不會(huì)因此致癌。無糖雪碧的阿斯巴甜含量完全符合標(biāo)準(zhǔn)，所以是安全的。

設(shè)計(jì)意圖：從定性到定量以及辯證的角度看待事物，對(duì)于一些有爭(zhēng)議的食品安全問題能用科學(xué)知識(shí)分析解釋得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心社會(huì)問題、參與社會(huì)決策的意識(shí)。

環(huán)節(jié)四 糖尿病患者的飲食安全

飲食治療是各類糖尿病治療的基礎(chǔ)，通過對(duì)糖類、蛋白質(zhì)及脂肪每日攝入量的控制，對(duì)病情的控制是有益的。

[角色扮演]營(yíng)養(yǎng)師：提出對(duì)糖尿病患者病情有益的飲食建議。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生具有穩(wěn)態(tài)與平衡觀，能正確指導(dǎo)人的健康生活方式;培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念核心素養(yǎng)。

[課后作業(yè)]各小組分別以科研小論文的形式對(duì)所做工作進(jìn)行整理。小論文內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)思路、甜味劑阿巴斯甜的安全性等問題。

3.6 評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

跨學(xué)科主題教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生以多學(xué)科視角解決綜合問題的能力，以紙筆測(cè)試的形式難以很明確地檢測(cè)教學(xué)效果，可以采用過程性評(píng)價(jià)表，根據(jù)學(xué)生課堂表現(xiàn)檢測(cè)教學(xué)效果（如表2所示）。

3.7 教學(xué)設(shè)計(jì)反思

本教學(xué)設(shè)計(jì)中，對(duì)于糖尿病患者能否飲用無糖飲料這一問題，生物學(xué)科視角關(guān)注飲用無糖飲料后，人體中的各組織各器官對(duì)其成分的調(diào)節(jié)與平衡;化學(xué)學(xué)科視角關(guān)注無糖飲料是否含有復(fù)合糖類結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。通過兩種學(xué)科視角，共同解決糖尿病患者是否能飲用無糖飲料這一問題。

在高中化學(xué)課堂實(shí)施跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)教師提出了更高的要求，因此化學(xué)教師要掌握多學(xué)科的內(nèi)容，深入挖掘多學(xué)科知識(shí)以及解決問題的思路，基于跨學(xué)科聯(lián)系設(shè)計(jì)教學(xué)主題與問題線索，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析與應(yīng)用能力。

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