基于診斷能力發展的“單糖與多糖轉化”項目式教學

朱汝葵 周歡

【摘要】本文基于項目式教學法理論，以“二氧化碳合成淀粉”教學為例，從項目主題內容的分析、項目目標的確定、項目任務的設計、項目教學的實施、項目教學的評價等5個方面，論述項目式教學法在化學課程教學中的具體應用，同時對項目式教學法的應用實踐進行反思。

【關鍵詞】項目式教學法 二氧化碳合成淀粉

診斷能力 單糖與多糖轉化

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）14-0104-05

所謂項目式教學，就是以學生為中心，通過聯系真實的生活、生產情境設計學習項目任務，指導學生以小組合作的形式開展學習、解決問題的教學方式。本文以“二氧化碳合成淀粉”教學為例，具體論述基于能力診斷的“單糖與多糖轉化”項目式教學的設計與實施。

一、項目主題內容的分析

淀粉（C6H10O5）n是最常見的多糖，是植物光合作用的主要產物之一，是動植物生存能量的主要來源。在自然界中，淀粉的產生是一個極漫長、復雜的過程，涉及水在陽光下的分解、高能化合物ATP的形成與還原、二氧化碳的固定、C3與C5的轉化等60多個環節的生化反應，但近年來我國科學家通過11步反應便成功合成了淀粉（如圖1所示）。本文以“二氧化碳合成淀粉”的教學為為例，引導學生充分了解國家新科技，促進學生化學學科核心素養的發展。教學中，首先讓學生觀看我國科學家利用二氧化碳合成淀粉的新聞及相關視頻，初步認識“單碳化合物→三碳糖→六碳糖→淀粉”的合成過程;其次，通過引導學生分析六碳糖的官能團，預測單糖可能具有的性質;再次，通過引導學生分析淀粉合成路線，學習“淀粉由葡萄糖分子組合形成”這一知識，并結合相關材料推測淀粉的水解產物;最后，引導學生設計實驗，驗證猜想。

二、項目教學目標的確定

（一）確定項目教學目標的依據

根據《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱化學課程標準）的要求，在化學必修模塊學習中學生應能辨識有機物中的官能團，能從化合物性質的角度討論與人類健康、環境相關的實際問題;在選擇性必修模塊學習中學生應能簡單分析淀粉的合成路線，能夠探究葡萄糖的結構和性質等。要實現這些教學目標，化學課程標準倡導實施基于核心素養培養的教、學、評一體化課堂教學，并及時評價學生在不同學習階段的核心素養發展情況。

根據教學內容和知識特點分析，“糖類”知識點雖然不是高考考查的重點，但“糖”作為生命活動的基本營養物質，與人類生活、生命息息相關，貫穿于化學學科學習的始末，是引導學生關注生活與社會的重要教學知識點之一，具有較好的育人價值。因此，在教學中教師要重視“糖”的知識的教學，創設真實的生活與問題情境，為學生學習有機化合物知識提供科學的引導。

根據教學重、難點的分析，“糖類”知識的學習應遵循有機化合物的學習方法，即以學習糖類物質的結構、性質及性質的驗證為主。但對學生而言，在陌生情境中探究有機化合物的結構與性質是比較困難的。因此，教師在施教前要明確如下教學重點、難點：重點應為分析葡萄糖與果糖的結構及其性質，了解淀粉的水解;難點應為掌握葡萄糖和果糖結構的確定方法。

（二）項目教學與評價目標的設計

據上文對教學目標確定依據的分析，教師設計了本課的教學目標：①能夠繪制淀粉合成路線簡圖并能做簡單的分析;②了解常見的有機化合物結構的確定方法;③掌握葡萄糖和淀粉的性質及其特征反應。同時，確定了課程評價的目標：①通過從官能團分析的角度預測單糖的性質以及特征反應，培養學生的“結構決定性質”化學學習觀念;②通過設計實驗方案并驗證淀粉的水解產物及程度，診斷并發展學生的證據推理能力與科學探究素養;③通過分享交流讓學生認識二氧化碳合成淀粉的重要意義，逐漸認識化學的重要作用，從而培養學生的責任心和學科核心素養。

三、項目任務的設計

根據化學課程標準和項目教學的目標要求，以發展學生的學科素養與實踐能力為導向，教師要明確項目教學的具體任務，在教學過程中學生需要完成的活動和活動設計意圖，以及教師需要給學生提供哪些學習支持（如表1所示）。

四、項目教學的實施

項目式教學法的核心是“項目”，即以學習項目為驅動，讓學生在完成項目任務的過程中深刻理解學科知識，并學會運用相關知識解決實際問題，實現深度學習。在具體教學過程中，教師首先要設計具有梯度性、啟發性、可操作性的項目任務，然后通過創設生活化學習情境，引導學生合作完成相應的學習項目，并由教師進行分析點評，及時反饋學生的學習情況。在本課教學中，教師設計了如下5個教學項目任務。

【任務一】繪制合成路線簡圖

利用多媒體播放關于在實驗室內用二氧化碳合成淀粉的新聞報道視頻，展示文字材料，文字材料如下：“我國科學家首次以二氧化碳為原料，經過11步反應在實驗室合成了淀粉。我國科學家以電解水制取的氫氣和二氧化碳為原料首先制成甲醇，再氧化為甲醛，在通過甲醛酶合成三碳糖，再合成六碳糖，最后借助高能量物質ADP與ATP將葡萄糖轉換為淀粉。此方法是植物合成淀粉效率的8.5倍，是世界上首次在細胞外合成淀粉的偉大突破。”根據這則材料，教師拋出問題：從二氧化碳到合成淀粉經歷了哪些關鍵步驟？你能依據以上的信息繪制出簡單的合成路線嗎？根據問題，學生進行小組討論、小組合作研究，然后通過觀看視頻，并結合相關圖片閱讀文字材料，完成合成路線簡圖的繪制。結合學生項目任務的完成情況，教師進行深度分析：從宏觀角度來分析，實驗室利用二氧化碳合成淀粉的本質過程主要涉及三碳糖→六碳糖→淀粉的轉化過程，從微觀角度來分析，其過程則主要涉及二羥基丙酮→果糖-6-磷酸→葡萄糖-6-磷酸的轉化過程。同時，教師出示單糖合成多糖分析圖（如圖2所示），引導學生做整體觀察，從而全面地理解二氧化碳合成淀粉的原理。

【任務二】預測六碳糖的性質

為了更好地激發學生的學習興趣，在該任務教學中，教師首先出示化學史料，引導學生進入真實的學習情境，具體史料為：18世紀德國化學家馬格拉夫從葡萄干中分離出一種具有甜味的白色晶粒狀粉末，這種物質直到1838年才被命名為葡萄糖（glucose），這是一種碳水化合物，到了19世紀“糖化學之父”費歇爾最終確定了它的分子結構。據此，教師拋出問題：已知葡萄糖和果糖互為同分異構體，分子式為C6H12O6，各含有5個-OH，請你嘗試猜想它們的空間結構是怎樣的？你能利用手中的球棍模型嘗試搭建它們的結構嗎？學生根據問題進行小組合作，搭建果糖與葡萄糖的球棍模型。教師針對學生的討論結果進行分析，并出示葡萄糖與果糖的分子結構（如圖3所示），同時拋出問題：科學家如何確定合成的產物是葡萄糖和果糖呢？請大家找出葡萄糖與果糖分子中的官能團，說一說該官能團有哪些特征反應？學生結合問題進一步合作學習，得出結論：葡萄糖分子中具有醛基，能夠發生銀鏡反應，還能與新制的氫氧化銅溶液反應生成磚紅色沉淀;果糖分子中有羰基，應該沒有明顯的特征反應來檢驗，但是可以通過核磁共振圖譜來判斷。

【任務三】體驗六碳糖合成淀粉的過程

在該任務教學中，教師直接拋出問題：淀粉的分子結構是什么樣的？你能利用葡萄糖分子搭建淀粉部分結構的球棍模型嗎？小組之間將葡萄糖單分子連接起來，是不是需要走動消耗能量？大家知道科學家借助了哪些手段從葡萄糖合成淀粉？根據這些問題，學生以小組為單位開展合作學習，搭建了淀粉部分結構的球棍模型，并得出結論：ATP是一種不穩定的高能化合物，是傳遞和儲存能量的重要物質，ADP可以看作ATP的水解產物，二者的相互轉化既確保了能量在生物體中的儲存與轉運，也是綠色植物進行光合作用合成淀粉的關鍵步驟之一。

【任務四】設計實驗，驗證猜想

在該任務教學中，教師首先提出“科學家合成淀粉后，是如何利用簡單的方法檢驗淀粉呢？你有什么簡單的檢驗方法嗎？”等問題，引導學生進行實驗操作，讓學生初步認識如何合成淀粉，然后創設如下任務情境：淀粉作為一種主要的能源物質，是生命活動的主要能量來源之一，但由于它是高分子聚合物，無法直接被人體吸收，往往要在人體內水解為簡單的六碳糖才能被吸收，請你根據人體的環境并結合以上材料預測淀粉水解的產物及水解程度，同時小組合作設計實驗并驗證猜想。通過討論后，學生提出如下猜想：①淀粉是由葡萄糖合成的，所以水解的最終產物是葡萄糖;②淀粉雖然是葡萄糖直接合成的，但水解產生有可能是六碳糖，也有可能是果糖。結合學生的猜想，教師提出“淀粉在什么環境中才能發生水解反應？”的問題，要求學生根據實驗需求設計實驗方案，然后學生按照實驗方案，分組完成實驗（第一組滴加少量稀硫酸，第二組滴加適量稀硫酸，第三組滴加過量稀硫酸），同時記錄實驗現象（如下頁表2所示）。接著，教師拋出“你能由此確定淀粉的水解產物就是葡萄糖嗎？”的問題，同時提供兩個資料卡片，供學生參考學習。（投屏展示卡片1：果糖中雖然沒有醛基，但是由于受到多羥基的影響，同樣具有醛的性質，能夠產生銀鏡，也能使新制的氫氧化銅產生磚紅色沉淀。卡片2：核磁共振圖譜是一種測定有機物分子結構的有效工具。除此以外，科學家還會借助質譜儀測定分子的分子量等，通過多種儀器的配合快速準確地得到復雜有機物的分子結構。科學家最終采用核磁共振譜圖工具確定了實驗室合成的淀粉與自然界合成的淀粉在結構上完全是一致的）

【任務五】分享與交流

在該任務教學中，教師通過多媒體設備，展示如下3個討論任務：①談一談你學習本課的收獲與思考，②談一談你對科學研究的認識，③說一說二氧化碳對環境有哪些危害？二氧化碳合成淀粉技術的突破對“碳中和”目標達成具有哪些意義？同時，教師讓學生以小組為單位嘗試總結本課學習所得：在本課學習中，我們除了掌握了基礎知識，還知道了有機物的研究中的一些重要研究方法和儀器，實驗室合成淀粉是一項偉大的技術突破，對解決能源和糧食危機有著很大的作用，能夠有效緩解耕地面積緊缺的問題，在一定程度上也能夠減少溫室氣體的產生，為實現碳中和的目標、保護環境和共建美好家園有著非常重要的戰略意義。

五、項目教學的評價

（一）表現性評價

表現性評價是對學生在學習活動中的課堂參與情況的綜合性評價，這一評價方式改變了傳統的試卷測試、練習題評測等形式，主要通過學生自評、互評及教師評價來客觀反映學生的學習狀況、學習成效（如表3所示）。

（二）能力水平評價

依據化學課程標準關于化學學科核心素養水平的劃分，同時參照北京師范大學教授王磊所提的化學學科能力及其表現模型，結合本項目的教學內容，筆者制訂了學生能力水平診斷和教學目標達成情況測量表（如表4所示），對學生的能力水平做出科學評價。

（三）評價結論

通過對“表現性評價表”進行分析，可知有超過90%的學生能夠積極參與課堂，對項目任務表現出極大的興趣，說明學生比較喜歡情境化的課堂教學。通過一段時間學習后，學生掌握了基本的知識，具備了一定的動手能力，但仍有部分學生不理解“葡萄糖與果糖結構不同為什么卻具有相同的特征反應”。此外，約有10%的學生的語言組織及表達能力欠佳。

通過對“能力水平和教學目標自測表”進行分析，可知約有50%的學生在水平1、水平4與水平5的得分為2分（含2分）以下，而幾乎所有學生在水平8的得分為4分左右，由此反映出學生的辯證思維得到了較好發展，但是在有機物合成路線分析、推斷能力和實驗設計能力等方面則比較欠缺，在今后的實驗教學中教師要加強以學生為中心的實驗教學，培養學生的實驗設計能力、分析和推斷能力。此外，教師還需適當加強工藝流程、有機物合成等題型的訓練，進一步提高學生的分析推理能力。

六、項目教學的思考

在本項目教學中，教師主要引導學生從官能團的角度預測物質的性質及特征反應，培養學生認識有機物的思路與方法，同時通過實驗探究、證據收集等方式診斷并發展學生的證據推理能力與實驗探究能力。以本項目教學為例，學生在初中階段已經知道二氧化碳是溫室氣體，對大氣環境有危害，通過學習本項目學生對二氧化碳有了更科學、全面的認識，不僅了解了其危害性的一面，也發現了其在現實生活中的利用價值，發展了學生的科學態度辯證思維與價值觀念。通過實施本項目的教學，筆者形成了以下兩點思考。

一是要注重真實情境的創設。項目式教學不但要把握所教內容的特點與本質，更要重視創設真實生動的教學情境。在教學設計時，教師要設計驅動任務，創設以化學史、生活現象及化工生產為背景的教學情境，通過發掘情境背后的知識線引導學生充分認識知識的建構與形成過程。在課堂上，教師要鼓勵學生主動參與甚至是設計學習任務，在發現問題與解決問題的過程中培養學生的高階思維。

二是要將科學的教學評價貫穿教學始終。相較于學習結果，項目式教學更關注學生在完成項目任務過程中的表現與收獲，通過開展過程性評價，及時觀察、反饋學生的學習效果。教師在教學活動中要做好學生的表現性評價，及時通過口頭表揚等形式對學生的表現予以反饋，如從課堂參與的積極性、表達能力、合作意識、動手能力等方面對學生做出評價，要善于從學生的表情和語言等方面檢測學生學習情況。

要想確保項目式教學的實效，就需要創設一個能激發學生求知欲望、引發學生學習興趣的問題情境，要基于學生的興趣愛好設計項目學習任務，而且所設計的任務活動除了要包含教材與課標所要求的能力與知識，還要具有一定的延伸性、拓展性、挑戰性，這樣才能充分發揮項目式教學的育人作用。

參考文獻

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[3]陶云.“教、學、評”一體化的“葡萄糖”線上教學[J].中學化學教學參考，2020（24）.

注：本文系廣西壯族自治區教育廳2019年廣西學位與研究生教育改革課題“依托高水平學科競賽提高專業碩士研究生實踐創新能力的研究”（JGY2019115）、廣西壯族自治區教育廳2019年廣西高等教育本科教學改革工程項目一般B類“面向師范專業認證的課程建設與教學改革研究——以化學專業為例”（2019JGB267）的研究成果。

作者簡介：朱汝葵（1970— ），廣西玉林人，副教授，碩士生導師，主要研究方向為化學課程與教學、信息技術與課程研究整合;周歡（1997— ），甘肅慶陽人，主要研究方向為中學化學教學。