高中化學跨學科主題教學案例的開發

馬曉蕊 鄭柳萍

摘要：選取生活中常見的加碘食用鹽的主要成分探究為主線，結合學生的生活經驗，適當融合生物知識，搭建“情境線—問題線—知識線—活動線—素養線”為架構的教學思路，闡述以化學學科為中心的跨學科主題教學設計。關鍵詞：跨學科主題教學;教學設計;高中化學;碘

文章編號：1008-0546（2022）10x-0017-06中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

我們處于一個科技高速發展的時代，面對的問題愈加復雜化，僅憑借某一學科的知識和方法可能難以解決面臨的困境，因此培養學生跨學科思維成為教學活動必須落實的目標之一。關于跨學科教學的討論始于20世紀40年代，最先出現在美國，國內關于跨學科教學的研究直至20世紀80年代才開始興起。目前，已有許多國家在政策方面通過了一系列的優惠政策和資金補助以促進跨學科發展，在實踐方面建立了相關的研究平臺為跨學科提供前沿陣地。

一、跨學科主題教學的概念界定

杜惠潔、舒爾茨認為跨學科教學是指以一門學科為中心，并在這門學科中選一個中心主題，運用不同學科的知識，圍繞這個中心主題進行加工、設計教學。[1]袁頂國認為主題式教學是指以有機整合思維方式為主導，在教學新概念的基礎上，以主題為樞紐，使教學系統中的諸要素相互聯系、相互作用，促進學生全面發展的整體型教學。[2]因此，跨學科主題教學是指以一門學科為中心，在該學科中選取一個中心主題，有機融合其他學科的知識和方法，通過對主題的討論和解決實現學生全面發展的教學活動。

二、跨學科主題教學的意義

逐步轉型為創新型國家是我國未來的發展目標。創新型國家隊伍的建設離不開創新型人才的培養，跨學科主題教學是培養創新型人才的重要教學模式，能為創新思維的發展奠定基礎，同時有益于化學核心素養中“科學探究與創新意識”和“科學態度與社會責任”的落地。雖然傳統的分科教學有助于學生基礎知識的學習和鞏固，但由于不重視學科之間的聯系，容易造成和加深學科的分離，不能滿足時代的需求和學生未來發展的需要。綜合課程雖然能夠彌補分科課程的不足，但在教材編寫和師資上都存在一定的困難，相對而言跨學科教學的可行性較大。跨學科主題教學有利于激發學生的學習興趣，提高學生的主動性，打破學科的分離，促進知識遷移和強化，加深對某一知識的理解，發展學生利用跨學科的知識和方法解決問題的能力，促進綜合型、應用型、創新型人才的培養。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出“化學是材料、生命、環境等現代科學技術的重要基礎”。[3]可見，化學作為自然科學的一門中心學科，與其他學科有著密切的聯系，具備實施跨學科主題教學的良好條件。

三、跨學科教學主題的確定

跨學科主題教學注重多學科之間的深度交融，任何實際問題的解決都需要學生綜合運用多學科的知識和方法。因此，跨學科主題應具有以下特性：跨學科性、真實性、具有實踐探索空間。[4]結合以上特征，跨學科主題可通過深入分析教材尋找交融點、關注生活中的化學并結合課程標準中的課程內容確定，例如：以生命健康、能源、環境等為切入點尋找跨學科主題。

四、跨學科主題教學設計案例——此鹽（食用鹽）非彼鹽（工業鹽）的探秘

下文將以“此鹽非彼鹽的探秘”主題為例，對以化學學科為中心的跨學科主題教學設計作闡述。該主題不僅需要借助化學學科解決問題，也需要融合生物學科才能更好地完成主題探究。食用鹽是生活中常見的物質，通過對加碘鹽的主要成分進行探究、作用加以了解，讓學生能夠在生活化的情境下解決真實的問題。所選主題適合讓學生進行探究性學習，利于學生科學思維的發展。綜上所述，該主題符合跨學科主題的特征。

跨學科主題教學應以課程標準為指導，關注內容要求與學業要求，以便更好地把握教學要求，進而促進學科核心素養的落實，幫助學生形成正確價值觀、必備品格和關鍵能力。高中化學課程標準和生物課程標準中有關本節課所涉及的要求見表1。[3，5]

1.教學分析

本內容選自蘇教版高中化學《必修1》專題3第三單元“海洋化學資源的綜合利用”第四小節“從海帶中提取碘”的相關內容，[6]以及高中生物《選擇性必修1》第3章“體液調節”第2節“激素調節的過程”中的甲狀腺激素分泌調節。[7]以“此鹽非彼鹽的探秘”為主題，從生物與化學相結合的視角出發，結合相關學科的知識、觀念、方法和能力、素養要求，通過解決子問題完成主題任務。在教學過程中巧妙利用I2的特征反應，設計實驗方案探究加碘鹽中碘的存在形式，培養學生的科學探究意識;利用生活中常見的物質進行化學小實驗，加強化學與生活的聯系。碘作為人體中的微量元素，是合成甲狀腺激素的重要原料，與甲狀腺激素的分泌密切相關，在生命活動中起著重要作用。通過以化學為主生物為輔的跨學科主題教學，激發學生的學習興趣，加強不同學科之間的橫向聯系，引導學生關注科學飲食與人體健康之間的密切聯系。

高一學生在之前的化學學習中已經系統學習了“氧化還原反應”的相關知識，且經歷過探究式學習，具備一定的科學探究能力，但在實驗設計、綜合考慮問題等方面的能力還有待進一步發展，本節課的實驗探究環節，給予了學生更多的自主權，有利于提高學生的實踐操作能力。

2.教學目標

（1）通過加碘鹽中碘存在形式的探究與工業鹽和加碘鹽的鑒別，進一步發展科學探究的能力，樹立嚴謹的科學態度。

（2）通過生活中的化學小實驗，增強理論聯系實際的能力，體會化學價值。

（3）通過分析碘對甲狀腺激素合成與分泌的影響，發展閱讀理解和信息整理的能力，培養生命觀念核心素養。

（4）通過了解誤食工業鹽的危害，強化社會責任意識。

（5）通過“此鹽非彼鹽的探秘”的主題教學活動，加強不同學科之間的橫向聯系，發展跨學科思維解決問題的能力。

3.評價目標

（1）通過對加碘鹽中碘存在形式的實驗方案設計的討論與點評，診斷并發展學生科學探究的水平。

（2）通過碘對甲狀腺激素合成與分泌影響的分析，診斷學生穩態與平衡觀、結構與功能觀的發展水平和知識獲取的能力水平。

（3）通過對鑒別工業鹽和加碘鹽方法的討論與點評，診斷并發展學生解決實際問題能力的水平以及對化學價值的認識水平。

（4）通過對甲亢、甲減患者提出合理飲食建議的交流與點評，診斷學生物質與能量觀的發展水平和知識遷移的能力水平。

4.教學思路

以加碘鹽主要成分的探究為主線，通過解決一系列子問題完成主題教學的任務，發展學生的綜合素養，提高學生知識遷移和運用的能力。本主題的教學思路見圖1。

5.教學過程

環節一碘的作用及其獲取途徑

[展示]甲狀腺腫大的患者圖片及甲狀腺腫大的危害。

[提問]造成甲狀腺腫大的原因是什么？人們可以通過哪些途徑攝入碘元素？攝入過多會有影響嗎？

[討論與匯報]人體缺碘時會患甲狀腺腫大，人們主要從食物當中獲取碘元素，如海帶、紫菜等含碘豐富的食物，在缺碘地區，主要通過食用加碘鹽來補充碘元素。人體攝入過多的碘可能會患甲亢。

[知識拓展]碘是人體中的微量元素，在人體中碘的正常含量約為20～50mg，其中70%-80%儲存在甲狀腺中，碘在人體中的作用是通過參與甲狀腺激素的合成實現的，甲狀腺激素對新陳代謝、生長與發育、器官系統都有重要影響，具體影響見表2。

設計意圖：通過討論碘攝入量異常可能引起的后果以及拓展碘元素的相關知識，初步認識碘元素與生命健康的密切聯系，了解碘對人體的重要性，樹立物質與能量觀。

環節二碘對甲狀腺激素合成與分泌的影響及合理飲食

[設疑]我們已經初步了解了碘對人體健康的重要性，即碘的外顯表現，接下來讓我們進一步思考碘的內隱本質，碘是如何影響生命活動的？它的產物甲狀腺激素又是通過何種機制維持機體的穩態？

[展示]人體內甲狀腺激素分泌的調節示意圖及相關文字說明，見圖2。[7]

碘是合成甲狀腺激素的主要原料之一，TRH為促甲狀腺激素釋放激素，TSH為促甲狀腺激素。

[思考]請同學們結合圖中內容，分析碘在甲狀腺激素合成與分泌中的影響，總結甲狀腺激素維持機體穩態的機制。

[討論與匯報]當血中碘濃度較低時，甲狀腺激素合成有所減少，血中甲狀腺激素濃度的降低，會促進下丘腦和垂體分泌相關激素，促使甲狀腺增加甲狀腺激素的合成與分泌;當血中碘濃度較高時，甲狀腺激素合成有所增加，血中甲狀腺激素濃度的升高，會抑制下丘腦和垂體分泌相關激素，使甲狀腺激素分泌減少。甲狀腺激素通過分級調節和反饋調節共同維持機體的穩態。

[知識拓展]甲狀腺能夠根據血中碘的濃度，通過自身調節改變攝取碘與合成甲狀腺激素的能力，這一特點有一定的適應意義，它可以緩沖食物中攝入碘量的改變對甲狀腺激素合成與分泌的影響，但這種緩沖作用是有一定限度的，當碘濃度不在這一可控圍內時，會影響人體健康。例如：由缺碘引起的甲狀腺腫大（俗稱大脖子病），是由于當血碘濃度超低水平時，甲狀腺激素合成大大減少，對垂體的反饋作用受到很強的抑制，導致垂體分泌大量TSH，刺激甲狀腺細胞增生，導致腺體增大。

[角色扮演]假若你是營養師，對甲亢、甲減患者提出有益的飲食建議。（結合環節一中的知識拓展提出有益的飲食方案）

設計意圖：節選生物課本內容，通過分析碘對甲狀腺激素合成與分泌的影響，使學生從本質上認識微量元素對人體健康的重要性，鍛煉閱讀理解能力和信息整理能力，培養生命觀念核心素養。通過營養師角色扮演，引導學生關注科學飲食與人體健康的關系。

環節三加碘鹽中碘的存在形式

[設疑]碘元素對人體的作用可見一斑，前面同學們提到了可通過食用加碘鹽來補充碘元素，請問加碘鹽中碘元素以什么形式存在？

[猜想]可能以I2/I-/IO形式存在。

[提問]可以用什么方法檢驗I2/I-/IO？

[討論與匯報]I2：利用I2的特征反應檢驗。

I-：利用氧化劑先將I-氧化成I2，再利用I2的特征反應檢驗。

IO：利用還原劑先將IO還原成I2，再利用I2的特征反應檢驗。

[知識拓展]在IO的檢驗中，若還原劑選擇含I-的可溶性鹽，I-、IO反應需要在酸性條件下進行才能得到產物I2，因為I2能與堿發生反應，因此在堿性條件下，無法利用I2的特征反應進行檢驗。在酸性條件下，I-、IO會發生如下反應：

IO+5I-+6H+==3I2+3H2O

[學生分組]請每個小組根據假設設計實驗方案。

實驗可選用的藥品有：蒸餾水、碘化鉀溶液、淀粉溶液、氯水、稀硫酸。

[討論與匯報]不同小組給出的實驗方案主要為以下兩種。

方案1：假設加碘鹽中碘元素以I2、I-、IO的其中一種形式存在，具體實驗設計見圖3。

方案2：假設加碘鹽中碘元素的存在形式為I2、I-、IO中的一種、兩種共存或三者共存，具體實驗設計見圖4。

[學生互評]方案1考慮到的可能性較少，不夠全面;方案2可行。通過學生互評，學生先自行對方案進行補充和完善，如若還存在不足，教師再進行適當的引導。

設計意圖：通過探究加碘鹽中碘的存在形式，鍛煉學生依據實驗目的設計實驗方案并進行探究的能力，樹立證據意識和嚴謹的科學態度。通過學生互評鍛煉學生語言表達能力，培養全面看待問題的意識，提高評價和優化實驗方案的能力。

[分組實驗]各小組選取方案2進行實驗探究。

[實驗結論]通過實驗探究可知，加碘鹽中碘的存在形式為IO。

[思考]如何利用碘化鉀淀粉試紙和生活中常見的物質和工具檢驗加碘鹽中碘的存在，請同學們設計實驗方案，課后按照實驗方案于家中進行操作檢驗，并將操作過程以視頻的形式記錄下來，用于交流討論。

[討論與匯報]取適量加碘鹽溶解于盛有自來水的碗中，滴加白醋，用筷子攪拌均勻，并用筷子蘸取溶液滴加到碘化鉀淀粉試紙上，觀察試紙顏色，若試紙變藍，表明加碘鹽中碘的存在形式為IO。

設計意圖：通過實驗探究，發展學生證據推理的素養、科學探究的能力以及構建假設、證據、結論三者之間邏輯關系的能力。通過化學生活化實驗，培養學生在生活中進行化學實驗的意識，體會化學價值，增強探究物質的興趣。

環節四工業鹽和加碘鹽的鑒別

[展示]加碘鹽的圖片、工業鹽的圖片及主要成分（加碘鹽的主要成分為NaCl、KIO3、工業鹽的主要成分為NaCl、NaNO2）。

[提問]如何判定我們家中的“食用鹽”是加碘鹽，而不是不利于人體健康的工業鹽？

[回答]可以通過顆粒大小和顏色進行區分，工業鹽的顆粒相對而言比較粗大，色較黃。

[追問]從物理性質的差異進行區分的方法是可行的，請同學們思考一下單從這一角度出發判定某種鹽是不是工業鹽的方法足夠準確嗎？如果不夠？還能有什么方法呢？

[討論與匯報]單從物理性質出發判斷某種鹽是否為工業鹽的方案不夠嚴謹，粗鹽的顆粒也較大，可能會將粗鹽誤判為工業鹽。還可以從化學性質入手，利用NO的還原性進行鑒別。

[追問]排除了工業鹽的可能，就能判定家中的“食用鹽”是加碘鹽了嗎？如果不行，如何進一步檢驗？

[回答]在排除工業鹽的基礎上，還需檢驗食用鹽中是否存在IO，才能判定家中食用鹽是否為加碘鹽。

[知識拓展]工業鹽是化學工業中最基本的原料之一，被稱為“化學工業之母”，通常特指亞硝酸鹽，在制堿、制皂業、皮革等方面具有廣泛用途。一次性食入0.2～0.5g亞硝酸鹽會引起輕度中毒，誤食工業鹽不僅得不到碘元素的補充，人體長期攝入亞硝酸鹽也有增加癌變的風險，因此嚴禁食用。

[課后作業]每組以小論文形式對本次跨學科主題的學習進行整理，從生物和化學相結合的視角闡明為什么不能食用工業鹽？

設計意圖：在加碘鹽和工業鹽的鑒定中，通過觀察從物理性質辨別，即宏觀視角初步進行辨識，再從微觀層面入手，根據二者化學性質的差異進一步驗證，培養學生從宏微結合的視角分析問題的意識。了解工業鹽的危害，樹立食品安全意識和社會責任意識。通過小論文的撰寫，培養學生科研論文的寫作能力。

6.反思

本教學設計中，以“此鹽非彼鹽的探秘”進行跨學科教學，化學學科視角關注工業鹽和加碘鹽主要成分的差異，生物學科視角關注碘對甲狀腺激素合成與分泌的影響，從化學和生物相結合的視角出發，認識工業鹽的真面目，了解加碘鹽對人體健康的重要作用，完成微量元素與人體健康密切相關的概念學習。

盡管跨學科主題教學的落地有不少益處，但目前在實施上還存在一些障礙，例如對教師的能力要求較高、有的學校未提供相應的外物支持等。促進跨學科教學的發展是一項長期的循序漸進的工作，需要各方的協作配合。

參考文獻

[1]杜惠潔，舒爾茨.德國跨學科教學理念與教學設計分析[J].全球教育展望，2005，34（8）：28-32.

[2]袁頂國.從兩極取向到有機整合：主題式教學研究[D].重慶：西南大學博士學位論文，2008：120.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[4]蘇傳清，占小紅.化學課程中跨學科主題教學設計的探索——以“指紋破案”為例[J].化學教學，2019（10）：49-53.

[5]中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[6]王祖浩.普通高中教科書（化學必修第一冊）[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2020.

[7]朱正威，趙古良.普通高中教科書（生物選擇性必修一）[M].北京：人民教育出版社，2020.