跨学科主题教学的探索*——以一节“新冠疫情”主题课为例

张 弛 王亚玲

高中阶段虽是分科教学为主，但我们理科教师的着眼点不应仅仅停留于本学科的核心素养上，物理、化学、生物乃至数学学科都应该注重培育学生的科学素养。所以，在“新冠疫情”尚未结束的当下，基于病毒和疫情开展相关跨学科主题式教学活动是必要的也是可行的。本次教学活动设计的主要内容和流程如下。

一、关于病毒

1.化学属性。

【知识介绍】引起此次疫情的病毒的叫作“2019 新型冠状病毒”，属单链RNA 病毒；病毒颗粒呈圆形或者椭圆形，直径60～140 nm。

【提问】病毒的物质基础或者说本质是什么？这个大小的颗粒如果做成材料，属于什么材料？病毒有没有可能被用于医药？

（设计意图：从某种意义上说，病毒是联结化学与生命科学的一种特殊原始生命体和物质，也是培养学生“宏观辨识与微观探析”素养的很好素材。病毒颗粒是纳米级颗粒，而纳米材料是近年科技领域的明星，将二者联系起来让学生“遐想”是否可用于医药，可引导他们关注科学前沿，培养他们的创新意识、思维发散能力。而病毒的“两面性”也可以帮助学生形成辩证思维，学会一分为二地看问题。）

2.结构。

【提问】冠状病毒名称的由来是否跟外形、结构有关？我们能否通过光学显微镜来观察？如果不能，可以借助哪些方法、手段来观察？

【活动】复习原子光谱相关知识，辨析不同颜色光的波长；引导学生回忆X-射线衍射仪的相关功能；介绍我国科学家对电子显微镜的运用成果。

（设计意图：病毒作为特殊的物质，有其内在的结构。此处的探讨涉及“物质结构与性质”模块中原子光谱、晶体结构探测常见方法等知识，强化了知识的应用和迁移。而对我国科学家在电子显微镜应用方面的介绍，可以借机进行爱国主义教育。）

3.传播。

【提问】新冠病毒传播的途径可能包括直接传播、接触传播和气溶胶传播等。那么，什么是气溶胶传播？病毒为何能形成气溶胶？请根据所学知识解释。

【活动】复习必修模块的“交叉分类法”，巩固9 种分散系并加以举例。让学生认识到，若分散剂为气体，分散质粒子大小处于胶体范围内，则形成气溶胶。

【知识介绍】经传播后，病毒为何能感染人？这首先需要病毒（刺突蛋白）与人体胞蛋白之间发生作用。

【提问】其作用力到底是什么？这些作用力的特点是什么？

引导学生从氢键、范德华力和化学键三个方面进行分析，同时介绍可逆性吸附、不可逆性吸附以及RNA病毒的二、三级结构。

（设计意图：根据我们的教学经验，学生对胶体的认识一般都局限在液溶胶上，借助病毒传播气溶胶机理的讨论，可以起到温故知新的作用。病毒在感染的机理方面又源于微观不同的作用力方式，这些都涉及丰富的化学知识，这些讨论有利于帮助提升学生的“宏观辨识与微观探析”素养。）

二、关于消毒

【知识介绍】据资料，新冠病毒对热敏感，在56℃保持30 分钟即可灭活，另外，乙醚、75%浓度的乙醇、含氯消毒剂、过氧乙酸和氯仿等脂溶剂均可对其进行有效灭活。

1.高温消毒。

【提问】高温消毒的原理是什么？是否只有56℃以上才具有消毒效果？消毒效果与温度是什么关系？在消毒温度调控方面是否有上限？温度与消毒速率之间的关系可以用数学方法来表达吗？

【活动】学生绘制自己所理解的“温度—消毒速率关系曲线图”。

2.酒精消毒

【知识介绍】乙醇也是常见的消毒剂，它的消毒原理是使细菌、病毒的蛋白质脱水变性而凝固。

【提问】根据刚才对消毒温度的分析，乙醇的消毒效果是不是也与其浓度呈正相关呢？有没有什么无机反应可与不同浓度酒精消毒效果不同的现象作类比？（预设：不使用硫酸与石灰石反应制取二氧化碳，是因为生成的硫酸钙是微溶的，会覆盖在固体表面阻止反应的进一步发生。）

3.其他消毒方法。

【提问】刚才还提及其他的一些消毒剂，你们能大致分析下相应的消毒原理吗？（预设：乙醚、氯仿等都是常见有机溶剂，它们可以通过溶解的方法破坏病毒的结构，而含氯消毒剂、过氧乙酸等具有较强的氧化性，也可使蛋白质变性。）

（设计意图：病毒的物质属性是蛋白质，学生已学习过破坏蛋白质的思路和方法，所以此处的高温、消毒剂等方法的消毒机理学生是可以自行得出的，有关实例分析学生也完全可以给出自己“专业”的解答。如此训练了他们的推理、判断能力，有助于提升他们“证据推理与模型认知”方面的素养。此外，温度与消毒时间之间关系的讨论，还涉及生物、物理、数学等学科知识。这些都是对跨学科的理科综合能力的锻炼，也指向了学生“科学探究与创新意识”“科学精神与社会责任”等素养。）

三、关于医药

如果说消毒主要是针对外界环境、媒介所采取的消灭病毒的措施，那么针对人体环境就要轮到医药登场了。

1.西医。

【知识介绍】针对此次疫情，有不少西药进入了临床实验，利托那韦就是其中之一，Bellani 等则在合成利托那韦时使用到了一种原料叫缬氨酸。（见图1［1］）

【讨论】①该物质的分子式为____，分子中的手性碳原子____有____个。

②该物质所包含的官能团有____和____，同时拥有这两个官能团所具备的基本性质叫作____，同时拥有这两个官能团的同分异构体（不含自身、不考虑立体异构）的数量有____种。

③该物质两个分子间发生交叉脱水所形成的环状二肽中的环为____元环。

（设计意图：药物化学是化学的重要分支，也是化学学科价值具体体现的途径。经查阅有关资料，针对新冠病毒的大多数药物的分子结构都比较复杂，超出了多数中学生的认知。但我们还是可以以其中某些药物的原料或者中间体为研究对象，分析其结构、性质等问题，从而让生物、医学问题成为真正的化学问题，训练他们解决实际问题的能力和知识迁移能力。）

图1 缬氨酸分子结构

2.中医。

习近平总书记曾指出中医是中国古代科学的瑰宝，也是打开中华文明宝库的钥匙。在此次新冠病毒感染的肺炎疫情中，中医也发挥了十分积极的作用。国家卫生健康委员会还推出了《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案》，其中特别强调了“中医治疗”辩证性的指导意见，各地在实际使用中效果也良好。

【提问】中医在中国土地上传承了数千年，许多前辈舍命尝百草，为后人留下宝贵经验，这体现了怎样的精神？中医的基本理念有“纠偏”“正气存内，邪不可干”，你怎么理解“纠偏”和“正”？俗话说“是药三分毒”，如何看待这个问题？

（设计意图：对于中医的价值，有人的确有疑惑。通过对相关问题的探讨，学生可以体会到中医也是唯物的，是经过实践检验的，其中蕴含了平衡观、辩证观，是深刻的智慧，作为中国人，要有自己的文化自信。以上相关问题的辨析有利于培养学生的“证据推理”能力和素养。事实上，中医、西医各有所长，我们应鼓励学生立志学好传统医学和现代科学，使之更完美地融合，更好地造福人类，形成应有的“科学精神与社会责任”。）

四、拓展活动

1.关于防护。

【提问】此次疫情最重要的防护手段之一就是戴口罩。熔喷布是口罩中最核心的材料，它的主要成分是聚丙烯。你觉得它应该属于哪类材料，具有怎样的性质？如何验证它的性质？

【活动】①判断口罩质量的指标包括口罩的呼吸阻力、过滤效率和适配性等。［2］学生分组讨论设计实验，用于判断口罩的呼吸阻力性能。（见图2）（预设：设计透风实验，将口罩套紧功率恒定电吹风的出风口，开启冷风档，在正前方竖直放置毛发或者纸张渐渐向电吹风靠近，当毛发或者纸张恰好可被吹弯时测量此时的距离，距离越远则说明透气性能越好。）

②医用防护口罩含有疏水层，是不允许透水、也不允许通过病毒气溶胶的，分组讨论设计简单的透水性实验，验证其过滤性能。

③探究口罩的种类、使用范围、结构组成、可以过滤的物体、防护的原理、重复利用的效果，设计、制作一些实用的防毒装置。

（设计意图：帮助学生了解一些有用的公共卫生知识，通过设计实验来探究口罩的质量等问题，可以锻炼他们解决实际问题的能力，培养他们“科学探究与创新意识”的素养。）

2.艺术欣赏。

播放笔者在所任教学校牵头成立的原创音乐工作室的原创歌曲《自然》，基于此疫情，强调我们对待大自然应有的态度。

【活动】课后请学生基于此次活动，模仿化学版《青花瓷》等作品，为自己喜欢的歌曲重新填写化学版的歌词。

（设计意图：艺术有其特殊的感染力，能起到特别的教育效果。歌曲《自然》符合当前对疫情反思的主题，能唤醒人们珍爱自然的意识。给歌曲填词的活动还有利于学生人文素养与科学素养的同步发展。）

图2 口罩透风性实验示意图

总的来说，此次活动是教育和学科教学双重视角的一次主题式教学活动。从教育层面来说，是通过探究、反思和情境渲染来培养学生的爱心、同情心，形成使命感、社会责任感，帮助他们树立学好科学知识、将来回馈社会、造福人类的志向。从学科教学层面来说，主要是探析和挖掘涉及病毒和疫情的化学学科知识，引导他们运用这些知识去解释相关现象和问题，提高他们联系生活实际的能力和解决实际问题的能力，提升他们的化学核心素养和科学素养。

笔者认为，学生拥有较高素养水平的重要表征就是具备了相应的必要观念，在这些观念的指导下，他们能够正确合理地解释、解决所面对的各种实际问题。就此次活动而言，涉及的观念有：物质观、微粒观、结构观、运动观、转化观、平衡观、辩证观、自然观、生命观、大科学观（指向综合科学素养）等，具体例证、阐释可见图3。

图3 主要观念图

当然，这些观念有的属于化学学科的基本观念，有的属于更广范畴的自然科学观念，有的还属于哲学观念，而且这些观念也并非是孤立的，而是存在相互依赖、相互支撑等关系。希望笔者的上述思考能为同行创造性地开展相关的主题活动提供借鉴。