滲透跨學科概念的學科融合教學探索

王婷

摘要： 以“新冠病毒的自我檢測與防護”為主題，以“分散系及其分類”為例，設置遞進式問題驅動概念建構，整合利用化學、物理、生物等多學科知識融合教學，對真實情境問題進行多種形式的探究，自主建構“尺度”“模型”等跨學科概念，發展學生的核心素養。

關鍵詞： 跨學科概念； 分散系及其分類； 尺度； 模型； 氣溶膠

文章編號： 10056629（2023）05003505

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

新版高中化學課程標準提出，教師應重視跨學科內容主題的選擇與組織，引導學生在更寬廣的學科背景下認識物質及其變化規律，綜合運用化學和其他學科的知識分析解決有關問題，發展學生的科學素養［1］。跨學科的教學內容包括跨學科知識與跨學科概念，跨學科概念是對理科知識共同性的高度歸納，為理解新知提供支持，促進概念整合和對科學本質的理解等［2］，是比跨學科知識更有助于發展學生核心素養的思維工具。本文以“分散系及其分類”為例，以“尺度”“模型”等跨學科概念［3］為引領，開展基于學科融合的概念教學探索。

1 跨學科內容分析

1.1 教學內容分析

“分散系及其分類”是高中化學人教版（2019年版）必修第一冊第1章第1節第2課時內容。與舊教材相比，新教材刪去了溶液、濁液和膠體三類分散系穩定性介紹、膠體的分離方法與聚沉等性質，著重于以物質分類為線索，建立關于膠體分類較為完整的知識體系，也讓學生將常見的液體作為分散劑的認識拓展至更廣泛概念的分散系認識［4］，凸顯了新教材從微觀粒子尺度和宏觀性質結合的角度認識物質，逐步揭示各類變化的特征及規律，發展宏觀辨識與微觀探析等核心素養。丁達爾效應的教學價值不僅是檢驗膠體的關鍵手段，更是證明分散質粒子大小不同于溶液、濁液的重要宏觀證據。但因丁達爾效應的微觀機理需用物理光學原理解釋，在實際教學過程中化學教師一般不深究，導致學生對丁達爾效應的本質原因理解不清。跨學科概念的綜合運用不僅有助于學生理解膠體中粒子大小與其性質的關系，還能幫助學生構建“尺度”“因果關系”及“模型”等跨學科概念。

1.2 跨學科主題選擇

膠體金是金的微粒介于1～100nm的特殊聚集狀態，微粒尺度不同使其呈現豐富的顏色。膠體金層析法是目前檢驗新冠病毒的一種醫學手段，應用膠體的吸附性使其能夠與病毒抗原、抗體結合，應用膠體金特殊顏色使病毒抗原抗體可視化。新冠病毒氣溶膠是膠體的種類之一。將上述涉及化學、物理、生物等學科內容的素材進行整合，以“新冠病毒的自我檢測與防護”為主題，承載串聯起相關知識的任務鏈。

2 學科融合的教學設計

學科融合的過程大大拓寬了知識的邊界與學習范圍，教師需要基于學生學情與認知水平設計合理科學的教學目標及教學活動。

2.1 教學目標

教學目標見表1。

2.2 設計思路

教學設計思路如圖1所示。

3 教學實施過程

3.1 創設情境，提出問題

［情境引入］居家時如何知曉是否感染新冠病毒？

［教師］展示新冠抗原檢測試劑盒，請大家觀察檢測試劑盒，鼓勵提出疑問。

［學生疑惑］什么是“膠體金法”？抗原試劑盒如何使用？……

［視頻展示］膠體金的制備。

［學生疑惑］膠體金為什么不是黃色，而是呈現多種顏色。

［教師過渡］膠體金的特殊性質源于“膠體”二字，我們通過實驗感受一下什么是膠體。

3.2 探究問題1：為什么膠體金顏色多樣

［分組實驗］用激光筆分別照射CuSO4溶液、純牛奶，然后在水中滴入2滴純牛奶，激光筆照射擴散中的牛奶。

［學生匯報］描述3份液體中光線不同現象，并發現用激光筆照射水中擴散的純牛奶，牛奶像流動的幕布對光線進行投射，形成斷斷續續的光路。

［教師］展示介紹光遇到不同微粒時傳播規律的微課動畫（見圖2），提問為什么光線在上述三種液體中傳播現象不一樣？

［學生討論匯報］CuSO4溶液中微粒很小，光直接透射；純牛奶中微粒較大，光被反射；含少量牛奶的溶液中微粒介于中間，光散射形成光路。成果展示如圖3所示。

［教師講解］介紹分散系及膠體概念。

設計意圖：運用物理學科“繪制光路圖”的基本方法來解釋光線照射分散系的現象差別，能幫助學生自主發現依據分散質粒子大小對分散系進行分類的依據，由此形成對溶液、濁液及膠體概念的科學界定，初步構建溶液、濁液與膠體分散系的微觀模型。

［教師提問］回憶初中物理知識，物體不同顏色與物體反射或透過的色光有關。你認為是什么原因導致膠體金可以呈現多種顏色呢？

［學生提出猜想］膠體金的微粒大小不同。

［教師］提供膠體金顏色與微粒大小關系［5］，具體見表2。

［教師］已知金原子直徑約為0.2nm，請大家畫出膠體金微粒模型圖。

［學生］繪制膠體微粒模型圖，結果見圖4。

［教師總結］當微粒處于特定范圍，散射光波長位于可見光波范圍內，微粒大小變化就會引起物質顏色變化。膠體金微粒是由更小的金原子聚集而成，不同的聚集程度產生了不同顏色的膠體金。

設計意圖：膠體金不同顏色的原理探究是對膠粒大小影響光傳播的概念更深層次的遷移。不同尺度膠體金微粒的存在事實證明膠粒不是單獨粒子，而是更小微粒聚集體，加深對膠體是一種物質聚集狀態的準確認識。

3.3 探究問題2：膠體金如何檢測病毒

［學生演示］膠體金層析法檢測新冠病毒抗原操作方法。

［教師展示］膠體金層析法檢測新冠病毒抗原原理示意圖［6］（見圖5）。

［教師提問］檢測線為什么是紅色的？

［學生］膠體金聚集呈現的特征紅色。

［教師］為什么當人感染新冠病毒時，膠體金通過檢測線會聚集？

［學生討論］因為抗體可以特異性識別抗原，病毒抗原先與COVID19金標抗體1結合，檢測線上的COVID19抗體2再與病毒抗原結合，使含有膠體金的微粒聚集沉降。

［教師］膠體金不僅可與新冠病毒抗體結合，還可與病毒抗原等其他蛋白質結合，用于醫學檢驗多種病毒，甚至驗孕。依據以上信息猜想科學家會給分散質微粒大小為1～100nm的分散系命名為“膠體”，體現了它的什么特點？

［學生］粒子容易吸附其他微粒，具有較好的吸附性。

［教師］膠體外觀看起來黏稠嗎？

［學生］不，外觀像溶液一樣均一穩定，“膠”字指微觀粒子具有較好吸附性的特點。

設計意圖：膠體金層析法原理分析將概念的理解提升至綜合應用層面，并從中認識到膠體吸附性是微觀層面粒子的吸附性，避免概念受生活經驗影響產生理解偏差。

3.4 探究問題3：如何制備膠體

［教師］如何通過實驗方法制備膠體呢？

［學生活動］根據所給試劑（FeCl3飽和溶液、蒸餾水、稀NaOH溶液）設計并制備Fe（OH）3膠體，再依據教材實驗11完成制備實驗。

［引導評價］請從原料利用率與產品質量（分散質粒子均一度）的角度評價2套方案優劣。

［展示成果］略。

［交流評價］使用FeCl3溶液與極稀的NaOH溶液混合的方案簡單，但制備出的膠體不多，主要是沉淀。教材方案注意事項較多，但能保證生成的主要是Fe（OH）3膠體而非沉淀。

［引導總結］制備膠體實驗的關鍵在于通過控制溫度、反應物濃度等方式使制得膠體粒子大小均一。

設計意圖：通過“自主實驗典范實驗對比反思”的探究過程激發學生科學探究精神，并感受物質世界的復雜性，發現不同分散系之間的聯系與轉化規律，加深對分散系的認識層次。

3.5 探究問題4：如何防范新冠病毒氣溶膠

［教師提問］新冠病毒直徑約為60～140nm，含有新冠病毒的空氣屬于膠體嗎？

［學生］如果病毒直徑在60～100nm之間則屬于膠體。

［教師］膠體的界定只與分散質粒子的大小有關，與它的物質成分、狀態都沒有關系。依據分散劑的狀態，將膠體分為液溶膠、氣溶膠與固溶膠。

［學生活動］將含新冠病毒的空氣、有色玻璃、豆漿、煙水晶、河水、霧依據分散劑狀態進行分類。

［教師提問］新冠病毒在空氣中形成氣溶膠，可在空氣中停留較長時間。我們如何自我防護？

［學生］佩戴口罩、噴灑酒精……

［教師追問］某同學佩戴口罩走在路上，依然聞到了路邊桂花的香味。他的口罩能有效阻隔病毒嗎？

［學生］可以，因為病毒由蛋白質與RNA等許多分子構成，比桂花香味的分子大得多。口罩的孔徑可以使桂花香氣分子透過，但不能使病毒氣溶膠透過。

［教師］新冠病毒并不可怕，運用知識進行科學防護、檢測與治療，我們依然可以享受美好的生活！

設計意圖：氣溶膠知識的介紹豐富了膠體的經驗認識與概念應用范圍，在對膠體進行分類活動中加深對膠體概念的準確界定與理解，認識到尺度效應是自然界普遍規律，進一步完善膠體概念模型。

4 教學效果與反思

課堂觀察發現，在真實問題驅動下，學生能夠綜合物理光學理論、宏觀現象與金微粒粒徑等信息繪制出不同分散系中光路圖，反映出他們具備將光傳播模型與分散系微觀模型有效結合的模型認知能力。在問題探究中，學生不斷運用尺度比較與變化的思維工具進行宏微結合的分析，逐漸構建起微粒大小比較、微粒大小對性質的影響、微粒大小變化的尺度概念理論框架。作業結果體現學生能夠將“膠體”概念遷移至河水、納米材料等課堂未涉及的物質分析中，能運用實驗優化思維對膠體制備實驗操作進行深刻的邏輯分析，教學效果較好。跨學科概念的融入助推學生理解學科概念本質，促使高階思維與綜合素養的形成。

當然，打破學科壁壘、巧妙整合跨學科資源考驗著教師的教育智慧與學科綜合素養。社會資源中的跨學科素材往往涉及面較廣，在學科融合過程中教師不能貪多貪全盲目拓展，要基于學生已有知識基礎，把準學科橫向聯結的廣度與縱向延伸的深度，挖掘跨學科教學的知識切入點與生長點。教學設計前首先通過翻閱物理、生物初中教材與咨詢相關專業教師，明確了學生已有的跨學科概念與待提供的信息資源。膠體性質豐富，應用廣泛，本節課只選取吸附性作為典型性質進行任務探究，一是有助于對膠體概念本質的理解，并為后續學習凈水劑的性質應用奠基；二是以吸附性為前概念，依據尺度變化視角分析粒子重量，學生能自主理解聚沉性質的產生，形成知識生長邏輯線。

本節課最難能可貴的是學生不僅積極思考教師提出的問題，還能夠自主生成許多有價值的問題。比如能不能用濾紙將自制的Fe（OH）3中沉淀與膠體粒子過濾分離、膠體金層析法為什么有2條紅線……問題背后聯結的是許多課堂上來不及觸及的知識，面對不同的生成性問題教師可依據本課目標與學情選擇即時解答，或設置懸疑鼓勵學生課后探究。有限的課堂傳授只有激發出學生無限的學習渴望，才能實現授人以漁的教育功能。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2018： 71.

［2］王維臻， 張榮慧， 鐘曉媛. 將跨學科概念融入化學教材——美國教材的做法［J］. 化學教學， 2021， （10）： 91～97.

［3］潘洪建， 李君， 許應華等. 科學中的橫切概念： 蘊涵、進階及教學策略［J］. 當代教育評論， 2020， （10）： 166.

［4］劉金翠. 不同版本教材相同內容的差異分析與教學處理［J］. 化學教與學， 2021， （8）： 77～81.

［5］膠體金. 360百科［EB/OL］. （20200628）. https：//upimg.baike.so.com/doc/5661554-5874209.html.

［6］劉曉飛. “單克隆抗體的應用”一節的教學設計［J］. 生物學教學， 2022， 47（10）： 46～49.