新课程背景下高中化学跨学科主题教学设计

王英彤 王秋 石峰

摘要：选取生活中常见的无糖饮料，以“糖尿病患者是否能饮用无糖饮料”为问题主线，综合化学学科和生物学科内容，以科学探究的形式将陌生的学科知识与熟悉的日常生活联系起来。从化学和生物学科视角，分析、阐释新课程背景下高中化学跨学科主题的教学设计和教学过程，为高中化学跨学科教学提供参考。

关键词：跨学科; 糖类; 教学设计; 高中化学

文章编号：1005-6629（2021）08-0063-06

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1926年，哥伦比亚大学心理学家伍德沃斯（R.S. Woodworth）于当时新成立的美国社会科学研究理事会（SSRC）首次提出跨学科（Interdisciplinarity）的概念[1]，近百年来，跨学科理论飞速发展并应用于跨学科教学实践，受到许多国家的重视。

1 跨学科主题教学内涵及意义

跨学科主题教学是指以一门学科为中心，在这个学科中选取一个中心主题，围绕该中心主题，运用不同学科的知识和方法，开展对所指向的共同问题进行讨论和解决而设计的教学活动[2]。

近年来，科学发展呈现大概念、大科学、大综合的发展趋势[3]，化学作为一门在原子、分子水平上研究物质的基础学科，其认识物质和创造物质的特征，决定了化学与其他学科密不可分。从认识论角度出发，自然界中万事万物、人类社会的种种问题都存在千丝万缕的联系，不同科目及其研究成果，为人们提供了认识世界的特有视角和思维方式，有利于人们从不同角度深入认识事物运行的规律，但是面对现实世界复杂真实问题时，又需要统整不同学科知识和方法以有效解决问题。目前，很多国家倡导的STEM教育和项目式教学，本质上都体现着跨学科思想，强调通过学科联系解决问题。

我国高中阶段目前实行的是分科教学模式。分科课程强调学科知识的纵向逻辑结构，并随着年级的提升和学习的进阶，对学生提出更高的要求。无论是从教师教学还是学生学习的角度，直接设置综合课程都存在一定困难。在分科课程的基础上实施跨学科教学，既能够促进学生对各学科基础知识的理解，又能够加强学科间的横向联系。化学作为自然科学的中心学科，很多知识和方法都能够与其他学科相互渗透，因此，化学课堂适合作为实施跨学科主题教学的阵地。

2 教学主题的选择

跨学科主题教学并非将不同学科内容简单地罗列在一起，而是注重从多学科知识视角去解决问题，帮助学生获得综合应用所学各科知识去解决实际问题的能力。可以从饮食与健康、环境与发展、职业与安全，科技与前沿等视角，寻找与化学相关的跨学科主题。

首先，作为以化学课堂为主阵地的跨学科教学，在教学设计中要凸显化学学科的主体地位。糖类这部分内容，在高中阶段化学和生物课程中，内容上具有较高的重合性，但强调的重点不同。糖作为营养物质，从生物学科角度，强调糖类物质为维持人体生命活动提供能量、人体内的血糖平衡需要人体器官的调节等生理作用;从化学学科角度，突出物质组成、结构、性质及其关系，如糖类的结构特征决定性质、利用糖类特征反应鉴别糖类以及与营养健康相关议题的判断与决策等。“探秘无糖饮料”这一主题，将无糖饮料作为联系两个学科的桥梁，“糖尿病患者是否能饮用无糖饮料”这一主线问题的解决需要综合生物、化学两个学科的知识，缺一不可，同时又以还原糖的鉴别反应原理为主要内容，凸显化学学科的主体地位。

其次，高中跨学科教学，要关注各相关学科课程标准對教学的要求。课标中“内容要求”规定的学习内容是学科核心素养形成的载体，学习内容要求的深广度与学业质量水平要求相契合，而“学业要求”是依据学业质量标准的水平和内容要求编写的，参照内容要求和学业要求，可以帮助教师更好地把握教学要求，落实教、学、评的一致性和一体化[4]。本节课涉及到的内容包括人教版高中生物选择性必修1的血糖平衡的调节和高中化学选择性必修3的还原糖的鉴别。高中化学新课标[5]和高中生物新课标[6]对“探秘无糖饮料”这节课所涉及的教学内容及要求如表1所示。

3 教学设计

3.1 教学分析

本节课内容选自人教版教材高中化学选择性必修3第四章第一节中“单糖和二糖”相关内容与高中生物选择性必修1第三章第二节“血糖平衡的调节”相关内容。以“探秘无糖饮料”为主题，围绕“糖尿病患者能否饮用无糖饮料”这一具体问题，综合运用化学学科和生物学科的知识和方法解决问题，进行相关教学设计。教学过程中利用官能团醛基的特点，引出鉴别糖类的特征反应，提出解决问题的实验方案。根据官能团的特点解释和预测化合物性质，加深学生对物质结构与性质这一化学核心观念的理解。且糖类作为营养物质，为维持人体生命活动提供能量，与人体生命系统中的内分泌腺体胰岛有着密切联系。以无糖饮料为桥梁，将糖的化学性质与生物功能联系起来，进行跨学科主题教学，使学生能够将学习思路迁移到其他关于科学饮食与身体健康的问题上，促使学生产生更多有意义、有价值的新问题，引起一系列更有效的学习行为。

高二学生在以往的学习中已经学习和经历过探究式学习，对科学探究的思路和方法都有一定的认识，能够针对一些问题做出科学合理的猜测，并且在教师引导下完成实验探究。本节课的实验探究阶段，教师将自主权完全交给学生，从方案设计到结果分析由小组成员讨论决定，实验结果能够真实地反映出学生实验方案的合理性和操作的准确性。

3.2 教学目标设计

依据课标要求与教学分析，综合两门学科的学科特点，本节课教学目标如下：

（1） 通过分析胰岛素和胰高血糖素对人体血糖的调节情况，建立人体的血糖调节模型，树立物质观与能量观。

（2） 通过无糖饮料是否含糖的实验探究，进一步学习科学探究方法。

（3） 通过对人工甜味剂安全性争议的讨论，建立以辩证角度认识世界的观念，培养科学态度与社会责任的核心素养。

（4） 通过“糖尿病患者是否能饮用无糖饮料”这一问题的解决，建立运用多学科知识综合解决问题的视角。

3.3 评价任务

依据学情分析和教学目标，设计教学评价任务如下：

（1） 通过对糖尿病患者控制糖分摄入原因的分析，诊断物质与能量观、平衡与稳态观、结构与功能观的发展水平。

（2） 通过对无糖饮料是否含糖的实验设计方案的交流，诊断并发展科学探究能力。

（3） 通过人工甜味剂安全性的讨论分析，发展批判性思维。

3.4 教学设计思路

以糖尿病患者能否饮用无糖雪碧作为问题主线，设计了四个教学环节;在每一个教学环节中设置1～2个小问题，形成基于问题的知识线与素养线;在学习学科知识的同时发展学生的学科核心素养。本节课的教学设计思路如图1所示。

3.5 教学过程

[引课]市面上的某些无糖饮料宣称糖尿病人可以饮用，是否真的如宣传所说，让我们通过今天的学习来一探究竟。

环节一 糖与胰岛素

[展示]人体血糖平衡的主要调节过程示意图，如图2所示。

[提问]同学们身边是否有糖尿病患者？对糖尿病有哪些了解？请同学们结合人体血糖平衡调节示意图（图2）分析糖尿病患者为什么要控制糖分摄入？

[讨论与汇报]糖尿病可以通过注射胰岛素或者药物治疗的方式进行治疗。摄入糖分后人体血糖升高，由于糖尿病患者胰岛素分泌不足无法调节血糖至正常水平，导致心、脑、肾等严重并发症的出现，甚至危及生命。

[知识拓展]糖尿病是一种由于胰岛素相对或绝对缺乏，以高血糖为特征的代谢类疾病，有Ⅰ型和Ⅱ型之分。Ⅰ型糖尿病是由于胰岛受病毒和自身免疫等因素破坏，胰岛B细胞受到破坏引起的胰岛素绝对缺乏（或分泌不足），主要可通过注射胰岛素的方式治疗;Ⅱ型糖尿病从胰岛素抵抗为主同时伴有胰岛素缺乏，到胰岛素缺乏为主同时伴有胰岛素抵抗，胰岛素抵抗的表现是胰岛素敏感性下降，因此可通过口服药物增加胰岛敏感性进行治疗[7]。

[提问]同学们身边是否有低血糖患者，对低血糖有哪些了解？

[讨论与汇报]低血糖会导致头晕、心悸，严重时可能昏迷;平时注意糖分补充，发病时可以吃含糖食物，症状严重时应及时就医给予静脉注射葡萄糖。

设计意图：通过对糖尿病患者和低血糖患者的日常分析，知道糖和胰岛在人体内发挥的功能和作用，建立血糖调节模型，培养生命观念核心素养，树立物质观和能量观。

环节二 无糖饮料与含糖饮料

[展示]展示葡萄糖和果糖的结构式，提问：葡萄糖和果糖内含有什么官能团，能否与新制氢氧化铜溶液反应？

[讨论与汇报]葡萄糖分子中含有醛基，能够与新制氢氧化铜溶液反应生成砖红色沉淀;而果糖分子内不含醛基，不能与新制氢氧化铜溶液反应。

[提问设疑]葡萄糖和果糖是否都能与氢氧化铜反应呢？请同学们通过实验进行验证。

[实验探究]根据提供的药品，设计果糖和葡萄糖与氢氧化铜的实验方案。实验现象为：装有果糖试剂和葡萄糖试剂的试管中都出现砖红色沉淀。

[学生猜想]果糖在反应过程中一定生成了醛基，才能出现砖红色沉淀。

[知识拓展]果糖是酮糖，它能够与氢氧化铜溶液发生反应，是由于在碱性溶液中能够通过烯醇式中间体发生互变异构变为葡萄糖和甘露糖。

设计意图：学生经过必修2的学习已经知道葡萄糖与氢氧化铜能够发生反应，但未能从官能团角度分析反应原理，进一步树立结构决定性质的观念。由酮糖与醛糖的实验现象带来的认知冲突，启发学生要动态灵活地分析化学变化，树立变化观念。

[课件展示]某品牌无糖与含糖雪碧的成分表，如图3所示。分析无糖饮料与含糖饮料成分，并展示蔗糖分子结构式。

设计意图：从官能团分析，蔗糖与酮糖类似，都不具有能还原氢氧化铜溶液的醛基。类比酮糖中酮基转化为醛基的反应，引出蔗糖的水解反应，为学生实验方案的设计奠定基础。

[实验探究]探究“无糖饮料”是否含糖。

任务1：设计实验方案，实验流程图见图4。

任务2：分组实验。

（1） 蔗糖水解反应。

取两种雪碧饮料各2mL于两支试管内，向其中滴加3～5滴20% H2SO4溶液，酒精灯加热5min，水解后用NaOH溶液中和至碱性。

（2） 配制葡萄糖检验试剂。

各小组根据必修所学的两种还原糖鉴别实验，分别选择一种进行实验。

配制Cu（OH）2溶液：在一支试管中加入4mL 10% NaOH溶液，再加入10滴CuSO4溶液，混合均匀。

配制银氨溶液：在一支试管中加入4mL 2% AgNO3溶液，然后逐滴加入2%氨水，边滴加边振荡，直到最初生成的沉淀刚好溶解为止。

（3） 向两支试管中分别加入上述新配的检验试剂，在80℃水浴中（均匀）加热，观察实验现象是否与预期一致。

预期现象1：有糖雪碧试管中出现砖红色沉淀;无糖雪碧试管中呈蓝色。

预期现象2：有糖雪碧试管壁上形成银镜;无糖雪碧试管中呈无色。

任务3：问题总结。

各小组基于实验现象，分析实验结果，反思实验操作中的问题。

[提问]使用氢氧化铜试剂鉴别葡萄糖时，为什么要在碱性条件下进行实验？

[猜想1]酸性条件会对氢氧化铜试剂产生干扰。

[猜想2]碱性条件下葡萄糖更易发生反应。

[知识拓展]虽然氢氧化铜的氧化性比酸性条件下的铜离子弱，但是在碱性条件下醛基的還原性增强得更多。因此，碱性条件下氢氧化铜更容易氧化醛基。

设计意图：基于问题提出猜想，并设计实验方案通过真实的实验现象验证猜想，得出结论，培养学生证据推理的核心素养。实验结束后，依据教师提问和学生反思情况，诊断并发展学生的实验探究能力。

环节三 神奇的甜味剂

[提问]无糖饮料的甜味来自什么物质？

[课件展示]人工甜味剂阿斯巴甜的发现过程。

设计意图：用趣味性化学史的介绍吸引学生关注，引导学生养成勤于思考的学习习惯。

[汇报与讨论]每小组根据课前分发的关于阿斯巴甜的资料，针对阿斯巴甜的安全性存在争议这一事实进行讨论并作汇报。

[意见1]是不安全的。虽然食品安全机构做出阿斯巴甜可安全使用的声明，但并没有确切实验说明阿斯巴甜与偏头痛、癌症等疾病毫无联系，因此为确保安全，就算是无糖饮料中不含糖类，也不能盲目将其作为糖尿病患者可饮用的饮料。

[意见2]是安全的。不能脱离剂量谈毒性。世界卫生组织下属的食品添加剂联合专家委员会和欧盟食品安全局对其安全性进行评估，以动物做实验推算出体重在60kg左右的正常健康人群每日摄入2.4g阿斯巴甜，并不会因此致癌。无糖雪碧的阿斯巴甜含量完全符合标准，所以是安全的。

设计意图：从定性到定量以及辩证的角度看待事物，对于一些有争议的食品安全问题能用科学知识分析解释得出结论，培养学生关心社会问题、参与社会决策的意识。

环节四 糖尿病患者的饮食安全

饮食治疗是各类糖尿病治疗的基础，通过对糖类、蛋白质及脂肪每日摄入量的控制，对病情的控制是有益的。

[角色扮演]营养师：提出对糖尿病患者病情有益的饮食建议。

设计意图：培养学生具有稳态与平衡观，能正确指导人的健康生活方式;培养学生的生命观念核心素养。

[课后作业]各小组分别以科研小论文的形式对所做工作进行整理。小论文内容包括实验方案的设计思路、甜味剂阿巴斯甜的安全性等问题。

3.6 评价设计

跨学科主题教学旨在培养学生以多学科视角解决综合问题的能力，以纸笔测试的形式难以很明确地检测教学效果，可以采用过程性评价表，根据学生课堂表现检测教学效果（如表2所示）。

3.7 教学设计反思

本教学设计中，对于糖尿病患者能否饮用无糖饮料这一问题，生物学科视角关注饮用无糖饮料后，人体中的各组织各器官对其成分的调节与平衡;化学学科视角关注无糖饮料是否含有复合糖类结构的物质。通过两种学科视角，共同解决糖尿病患者是否能饮用无糖饮料这一问题。

在高中化学课堂实施跨学科教学设计对教师提出了更高的要求，因此化学教师要掌握多学科的内容，深入挖掘多学科知识以及解决问题的思路，基于跨学科联系设计教学主题与问题线索，以培养学生的综合分析与应用能力。

参考文献：

[1]刘仲林. 交叉科学时代的交叉研究[J]. 科学学研究，1993，（2）：11～18.

[2]苏传清，占小红. 化学课程中跨学科主题教学设计的探索——以“指纹破案”为例[J]. 化学教学，2019，（10）：49～53.

[3]高剑南，王祖浩. 化学教育展望[M]. 上海：华东师范大学出版社，2001：27～28.

[4]房喻，徐端均. 普通高中化学课程标准（2017版）解读[M]. 北京：高等教育出版社，2018：171～173.

[5][6]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018：50～53，15～18.

[7]張一鸣. 生物化学与分子生物学[M]. 南京：东南大学出版社，2018：59～60.