基于DIS传感技术的高中生、化跨学科融合教学案例研究

杨林春

摘要：高中化学 的“水溶液中的离子平衡”可以很好地解释高中生物中的“人体内环境维持pH稳定的机制”， 利用DIS传感技术和化学平衡的知识相结合可以很好地呈现和解释体液调节的过程，不仅可以加深学生对生物学科问题的理解与认识，还可以提升学生对化学知识的应用迁移能力。通过本节课的跨学科融合教学，以期引导学生在学习过程中学会多学科融合分析解决问题，提升综合能力，发展学习思维，学科的核心素养得到培养。

关键词：高中生化  DIS传感技术  跨学科融合

2017 年《普通高中化学课程标准》（以下简称新课标）指出：“化学是一门交叉学科，高中化学跨学科融合教学案例设计与实践研究与材料、资源、能源、生态、环境、生命、医药、军事国防，以及信息技术都有很强的交叉融合。” [1]新课标要求培养的化学学科五大核心素养也具有明显的跨学科性质。学生需要具备多角度思考问题、综合运用多学科知识解决问题的能力。因此，在中学教育中实施跨学科教学是非常有必要的。

DIS传感技术作为物理、化学、生物学科的传统实验的辅助和补充，可以很好地解决一些高中阶段的难点问题，所以基于DIS传感技术开发一些跨学科融合的教学内容，解决一些学科间交融的难点问题具有很重要的意义。

一、DIS传感技术的优势

传统的化学实验无法实现对一些较为复杂的、微观的、定性的实验进行探究和表征。而DIS传感技术具有安全、方便、快捷、精确、具体、直观等特点，对传统实验的欠缺给予了很好的辅助和补充。DIS传感器可以很好地将一些微观过程中的多个变量数据化、图像化，通过定量实验的方式将化学原理中的一些传统实验无法表征且抽象的问题更为直观地展现给学生，使学生的认知过程由识和记转变为自主建构，从而达到很好的学习效果。

二、跨学科融合教学的基本内容

郭统认为：跨学科融合理念下的高中化学教学实践研究指的是以化学教学目标为基础，以化学知识为主线，跨越学科界限，将其他学科知识有机融合到化学学科中，培养学生综合多学科知识解决问题的意识和能力。[2]

有时候针对单一学科的某一问题的深入研究，需要其他学科的知识引入才能加以突破，这一点在生物学科和化学学科之间的学科交叉表现得尤为明显。例如高中生物中的“氨基酸及其种类、蛋白质结构”与化学中的“化学键、氢键”知识交融，“ATP的结构、ATP与ADP的相互转化”与“化学键、能量的转化、可逆反应”知识交融，诸如此类的知识交叉点很多。如果通过跨学科知识融合，势必会加深学生对学科问题的理解，同时学生综合多学科知识解决问题的能力也会得到相应的提升。

三、基于DIS传感技术的高中生、化跨学科融合教学案例研究

（一）教学内容的选择

高中化学中的“水溶液中的离子平衡”与高中生物中的“人体内环境稳定与重要性”学科内容之间有交叉。利用水溶液中的离子平衡知识来解释人体内环境的稳态，不仅很好地强化了学生对离子平衡的理解，而且更为深刻地理解了人体内环境的稳定性。

（二）以“水溶液中的离子平衡”与“人体内环境维持pH稳定的机制”为例

1.教学目标

（1）会用离子平衡的知识解释人体体液调节机制，培养宏观辨识与微观探析的核心素养。

（2）利用DIS传感技术探究缓冲溶液的缓冲能力，培养科学探究与创新意识的核心素养。

（3）通过跨学科融合教学，夯实单一学科知识的理解力，提升综合分析问题、解决问题的能力。

2. 教学设计

【创设情境】呈现 “新冠病毒防疫”图片，引入一个家庭的体温检测结果，引导学生从以下几个方面进行思考。

正常人的体温有什么特点？人的体温能否维持在一个相对稳定的范围？

分析血液检查化验单，发现健康人体内环境的每一项成分和理化性质都处于动态平衡中。

【提出问题】那么人体内环境的pH是如何维持相对稳定的呢？

【自主探究】对比普通水与H2CO3和NaHCO3组成的混合溶液的抗酸碱能力有多大差异。

实验仪器：烧杯、pH传感器。

实验试剂：自来水、0.1moL/L的NaOH、0.1moL/L的HCl、H2CO3和NaHCO3混合溶液（pH=7.4）。

实验步骤：（1）在自来水和H2CO3和NaHCO3混合溶液分别加入HCl和NaOH溶液，利用pH传感器测定其pH的变化；（2）将H2CO3和NaHCO3混合溶液进行有限稀释，利用pH传感器测定其pH的变化。

实验结论：（1）H2CO3和NaHCO3混合溶液中加入少量的酸和碱时，pH变化不大；（2）自来水中加入酸碱物质后，pH变化幅度非常大。

总结：由H2CO3和NaHCO3组成的混合溶液，具有抵抗少量的外加强酸、强碱或者在有限量稀释时，可保持pH基本不变的能力，这样的溶液称为缓冲溶液。

【合作交流】呈现资料：血液当中含有H2CO3和NaHCO3在维持血液 pH值稳态中起着重要的作用；试从化学平衡的角度分析在混合溶液中加入少量的酸或者少量的碱时，溶液pH是如何变化的？

在血液中存在的电离如下：

H2CO3?H+ +HCO-3 ①；NaHCO3=Na++ HCO-3  ②；

当血液中进入少量酸时，H+会和大量的HCO-

3 结合生成H2CO3 ，H2CO3分解产生H2O和CO2，CO2由肺部排出，使血液中H+浓度变化不大；当血液中进入少量碱时， OH-会和血液中的H+结合成H2O。H+被消耗，血液中大量的H2CO3就立即电离出H+来补充，生成的NaHCO3由肾脏排出使血液pH值升高并不明显。

【总结反思】（1）体液中的离子平衡是维持生物体pH稳定的重要原因。（2）当体液中的pH超出范围，出现不同程度的酸中毒或碱中毒。

【应用迁移】资料显示：在血液中其实还存在着H2PO-

4/ HPO2-4  ，它也是人体血液中含有的缓冲系；请解释这对缓冲液在维持血液pH时是如何发挥作用的。

（三）总结与反思

本节课不仅将化学知识应用迁移到了实际生活问题的分析与解决上，还从化学平衡的角度深入探讨了人体内环境血液中pH维持相对稳定的机制。学生初步体验了在解决学科交叉问题时跨学科融合的重要性，感受了DIS传感技术的方便、直观与快捷。通过本案例跨学科融合教学不仅改变了单一的教学模式，而且融入先进的科学知识和信息技术，有利于激发学生的创新意识，帮助学生逐渐建立科学的思维方法和能力，促进学生的综合发展。[3]

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017 年版） [S].北京：人民教育出版社，2018：45.

[2] 郭统.高中化学跨学科融合教学案例设计与实践研究 [D].河南大学，2020.

[3] 陶忠华.跨学科融合视阈下的高中生物学课例探析[J].生物学教学，2018（43）：31.