跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)與案例（3）

一、魚(yú)菜共生系統(tǒng)

作為科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)試點(diǎn)學(xué)校，廣東碧桂園學(xué)校開(kāi)展了系列跨學(xué)科探究實(shí)踐活動(dòng)。其中，彭韋力、康禮兵、黃惠琴老師帶領(lǐng)五年級(jí)學(xué)生開(kāi)展了魚(yú)菜共生系統(tǒng)的綜合實(shí)踐活動(dòng)，我對(duì)這一活動(dòng)的方案進(jìn)行了部分指導(dǎo)。

1.背景介紹

從探究實(shí)踐的角度看，學(xué)生要先發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題，再進(jìn)行探究實(shí)踐。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。學(xué)生在校園參與勞動(dòng)實(shí)踐，包括給魚(yú)投放飼料、清理魚(yú)塘、給植物澆水、施肥時(shí)，發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)題，如需要大量人力投入、需要大量肥料、魚(yú)塘和菜地都要占用很多土地等。

提出問(wèn)題。學(xué)生經(jīng)過(guò)討論后提出問(wèn)題：能否把魚(yú)和植物放在一起養(yǎng)？這樣既可以節(jié)省土地，又可以讓魚(yú)的排泄物成為植物的養(yǎng)分。

解決問(wèn)題。設(shè)計(jì)、制作一個(gè)魚(yú)菜共生系統(tǒng)，維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

這一活動(dòng)涉及課程標(biāo)準(zhǔn)中的核心概念：工程設(shè)計(jì)與物化、生物體的穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)。

2.活動(dòng)任務(wù)分解

學(xué)生基于情境提出問(wèn)題后，教師要把解決問(wèn)題的過(guò)程分解為一系列任務(wù)：定義問(wèn)題、明確任務(wù)—制訂評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）—開(kāi)展調(diào)查、歸納整理—設(shè)計(jì)魚(yú)菜共生系統(tǒng)—實(shí)施計(jì)劃、檢驗(yàn)作品—制作魚(yú)菜共生系統(tǒng)—測(cè)試與維護(hù)魚(yú)菜共生系統(tǒng)—改進(jìn)、完善魚(yú)菜共生系統(tǒng)—成果發(fā)布、反思改進(jìn)。

3.活動(dòng)過(guò)程展示

參照科學(xué)課程中技術(shù)與工程的相關(guān)要求，教師要制訂評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，作為學(xué)生活動(dòng)的指引。之后，學(xué)生開(kāi)展調(diào)查，查找資料，參觀學(xué)校附近的魚(yú)菜共生工廠，歸納整理：目前已有的魚(yú)菜共生裝置有哪些種類(lèi)？有哪些結(jié)構(gòu)特征？各自的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？在此基礎(chǔ)上，學(xué)生提出方案，加工制作出成品（如圖1），定期檢測(cè)水質(zhì)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行討論并改進(jìn)作品。

在制作過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，他們做了記錄并進(jìn)行了改進(jìn)（如圖2）。在設(shè)計(jì)、制作魚(yú)菜共生系統(tǒng)的過(guò)程中，學(xué)生把勞動(dòng)實(shí)踐與科學(xué)探究、技術(shù)工程實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，像科學(xué)家一樣思考，像工程師一樣實(shí)踐。

4.小結(jié)

學(xué)生在勞動(dòng)實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了“魚(yú)菜共生”的問(wèn)題，并利用科學(xué)課程中的技術(shù)與工程方法，創(chuàng)造性地解決了問(wèn)題。通過(guò)活動(dòng)，他們更深刻地理解了勞動(dòng)實(shí)踐和其中的科學(xué)原理，深刻認(rèn)識(shí)到生態(tài)系統(tǒng)及其平衡的重要意義，鍛煉了解決問(wèn)題的能力。這一活動(dòng)從培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用大單元形式，利用5～6課時(shí)完成。涉及的學(xué)科包括：勞動(dòng)（澆花、喂魚(yú)）、生物（選哪種魚(yú)與植物、系統(tǒng)保持穩(wěn)態(tài)的條件）、化學(xué)（水質(zhì)檢測(cè)時(shí)選擇某些主要的指標(biāo)）、科學(xué)（設(shè)計(jì)、建造裝置）、數(shù)學(xué)（裝置的尺寸關(guān)系、檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理）。

這一活動(dòng)還涉及如下跨學(xué)科概念：

物質(zhì)與能量：通過(guò)光合作用，裝置內(nèi)的植物把外部的光能轉(zhuǎn)化為生物能；裝置內(nèi)部的植物、魚(yú)類(lèi)、微生物構(gòu)成物質(zhì)循環(huán)。

系統(tǒng)與模型：魚(yú)菜共生系統(tǒng)是一種生態(tài)系統(tǒng)，活動(dòng)中的小型魚(yú)菜共生系統(tǒng)是實(shí)際系統(tǒng)的簡(jiǎn)化與微縮，是一種模型。

結(jié)構(gòu)與功能：現(xiàn)實(shí)中的生態(tài)系統(tǒng)有一定的結(jié)構(gòu)層次，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)在的循環(huán)，不同微生物、動(dòng)物、植物都是這一結(jié)構(gòu)中的不同環(huán)節(jié)；模型通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)纳锲贩N來(lái)模擬生態(tài)系統(tǒng)；裝置的結(jié)構(gòu)要考慮特定的功能需求，包括結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、水的過(guò)濾等。

穩(wěn)定與變化：模型是簡(jiǎn)化的系統(tǒng)，不一定滿足自動(dòng)調(diào)節(jié)關(guān)系，如何讓模型裝置穩(wěn)定運(yùn)行（水中氨、氮的含量穩(wěn)定）是探究的主要任務(wù)。

二、太空水球有多大

在第二次太空授課中，王亞平演示了在太空失重的環(huán)境下水球的形成、著色和泡騰片使水球膨脹等現(xiàn)象。我參與過(guò)太空授課的方案論證，正好借此機(jī)會(huì)從跨學(xué)科探究角度，展示其中一個(gè)有趣的問(wèn)題：我們可以看到水球的體積在逐漸增加，能否根據(jù)相關(guān)學(xué)科知識(shí)，估算水球最初和最終的半徑？

1.背景

在太空失重的環(huán)境下，水會(huì)自動(dòng)收縮為水球，這與液體的表面張力有關(guān)（上一篇文章中已介紹），這里就不展開(kāi)了。下面讓我們來(lái)了解一下泡騰片。泡騰片是一種補(bǔ)充維生素的藥片，含有兩種重要的成分：碳酸氫鹽和酸。當(dāng)泡騰片遇到水時(shí)，碳酸氫鹽和酸會(huì)立刻開(kāi)始反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳。這就是為什么泡騰片在水中會(huì)發(fā)出輕微的“噼啪”聲，并且冒出很多氣泡的原因。在太空中，由于失重，水球中的泡騰片產(chǎn)生的二氧化碳?xì)馀莶粫?huì)向上冒，而是在水球中四處漂浮。同時(shí)，由于水球被染了色，導(dǎo)致它像一個(gè)美麗的星球（如圖3）。

2.分析過(guò)程

王亞平為什么只放半片泡騰片呢？這涉及泡騰片能產(chǎn)生多少氣體的問(wèn)題，具體與許多因素有關(guān)，包括泡騰片的具體成分、質(zhì)量以及反應(yīng)條件（如溫度和壓力）。我們可以大致計(jì)算一下，以含有1 g碳酸氫鈉（NaHCO3）的泡騰片為例，酸堿反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

從這個(gè)化學(xué)方程式中可以看到，每1 mol的碳酸氫鈉會(huì)產(chǎn)生1 mol的二氧化碳。碳酸氫鈉的摩爾質(zhì)量約為84 g/mol，因此，1 g碳酸氫鈉大約是0.012 mol。根據(jù)理想氣體定律，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力（1大氣壓）下，1 mol的氣體占據(jù)22.4 L的體積。因此，1 g碳酸氫鈉能產(chǎn)生的二氧化碳的體積大約為270 cm3。

這一計(jì)算假設(shè)了所有的碳酸氫鈉都能和酸完全反應(yīng)。而在太空授課的演示環(huán)節(jié)，科學(xué)家需要考慮用多少泡騰片才能產(chǎn)生較好的演示效果。數(shù)量少了，水球的變化效果不明顯；數(shù)量多了，水球膨脹過(guò)大，有可能導(dǎo)致部分水滴飛濺出來(lái)。

1 g碳酸氫鈉能產(chǎn)生大約270 cm3的二氧化碳。假設(shè)有[x] g的碳酸氫鈉參與反應(yīng)，設(shè)初始時(shí)水球半徑為[r]，泡騰片反應(yīng)結(jié)束時(shí)水球半徑為[R]，則有：

從泡騰片產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中可以了解到其規(guī)格是每片4 g，所以上式中x=2 g（半片）。在不清楚初始水球半徑的情況下，可以讓r=1、2、3、4…9 cm。利用Excel軟件算出相關(guān)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2），畫(huà)出相關(guān)示意圖（如圖4），從而對(duì)水球半徑的變化有一個(gè)初步了解，真實(shí)情況就是曲線中的某一點(diǎn)（這是數(shù)據(jù)處理中的一種技巧，遍歷所有可能的情況）。

從圖4中可以看出，如果初始水球半徑比較大（如大于7 cm），加半片泡騰片后的水球的膨脹效果并不明顯（R/r接近1.1）；如果初始水球半徑比較小（如小于2 cm），加半片泡騰片后的水球會(huì)過(guò)于膨脹（R/r大于2.6），有爆裂飛濺的可能。因此，初步得出水球初始半徑在2～7 cm之間。

下面根據(jù)視頻截圖來(lái)進(jìn)一步估計(jì)水球的初始半徑。先對(duì)比視頻中初始狀態(tài)和最終狀態(tài)的水球，將截圖中的背景文字“樣本”作為參照，調(diào)整圖像使兩圖中“本”字一樣大（如圖5）。再畫(huà)出水球的外部輪廓，利用PPT軟件中圖形編輯的“大小與位置”功能，按比例測(cè)出水球尺寸，得到R/r=1.75。最后根據(jù)圖4的曲線，找出水球的初始半徑為3.1 cm（如圖6）。

如何驗(yàn)證上述結(jié)論呢？可以根據(jù)視頻截圖，通過(guò)手與水球的相對(duì)大小估算一下水球初始的半徑。一般情況下，成年人的拳頭直徑大約是10 cm，但拍攝時(shí)物體與鏡頭的距離不同，近大遠(yuǎn)小。視頻中，王亞平左手拿著顏料，手和水球到鏡頭的距離基本相等，而右手在水球側(cè)后方。可以明顯看出，水球比拳頭小。在PPT中進(jìn)行大小分析，估計(jì)出水球的初始半徑是3 cm，與結(jié)論基本吻合。

3.小結(jié)

這一活動(dòng)涉及的學(xué)科包括：科學(xué)（失重環(huán)境）、生物（泡騰片的營(yíng)養(yǎng)）、物理（表面張力）、化學(xué)（泡騰片的反應(yīng)）、數(shù)學(xué)（球的體積、數(shù)據(jù)處理）、信息（軟件使用、圖形處理）。

這一活動(dòng)還涉及如下跨學(xué)科概念。

物質(zhì)與能量：水、泡騰片都是物質(zhì)，相互作用后產(chǎn)生新的物質(zhì)，反應(yīng)中伴隨著能量轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)與模型：水球中包括水、泡騰片、氣體等成分，共同構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)；化學(xué)反應(yīng)是系統(tǒng)中某些成分的相互作用；化學(xué)方程是化學(xué)反應(yīng)的一種模型。

結(jié)構(gòu)與功能：水球的形狀、水球中不同物質(zhì)的相互作用都是一種結(jié)構(gòu)；太空中，是表面張力使水保持球狀。

穩(wěn)定與變化：隨著泡騰片不斷反應(yīng)，水球的體積在不斷變化；演示過(guò)程中，球的形狀不變，系統(tǒng)的質(zhì)量也不變。