基于DIS傳感技術(shù)的高中生、化跨學(xué)科融合教學(xué)案例研究

楊林春

摘要：高中化學(xué) 的“水溶液中的離子平衡”可以很好地解釋高中生物中的“人體內(nèi)環(huán)境維持pH穩(wěn)定的機制”， 利用DIS傳感技術(shù)和化學(xué)平衡的知識相結(jié)合可以很好地呈現(xiàn)和解釋體液調(diào)節(jié)的過程，不僅可以加深學(xué)生對生物學(xué)科問題的理解與認識，還可以提升學(xué)生對化學(xué)知識的應(yīng)用遷移能力。通過本節(jié)課的跨學(xué)科融合教學(xué)，以期引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中學(xué)會多學(xué)科融合分析解決問題，提升綜合能力，發(fā)展學(xué)習(xí)思維，學(xué)科的核心素養(yǎng)得到培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中生化? DIS傳感技術(shù)? 跨學(xué)科融合

2017 年《普通高中化學(xué)課程標準》（以下簡稱新課標）指出：“化學(xué)是一門交叉學(xué)科，高中化學(xué)跨學(xué)科融合教學(xué)案例設(shè)計與實踐研究與材料、資源、能源、生態(tài)、環(huán)境、生命、醫(yī)藥、軍事國防，以及信息技術(shù)都有很強的交叉融合。” [1]新課標要求培養(yǎng)的化學(xué)學(xué)科五大核心素養(yǎng)也具有明顯的跨學(xué)科性質(zhì)。學(xué)生需要具備多角度思考問題、綜合運用多學(xué)科知識解決問題的能力。因此，在中學(xué)教育中實施跨學(xué)科教學(xué)是非常有必要的。

DIS傳感技術(shù)作為物理、化學(xué)、生物學(xué)科的傳統(tǒng)實驗的輔助和補充，可以很好地解決一些高中階段的難點問題，所以基于DIS傳感技術(shù)開發(fā)一些跨學(xué)科融合的教學(xué)內(nèi)容，解決一些學(xué)科間交融的難點問題具有很重要的意義。

一、DIS傳感技術(shù)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的化學(xué)實驗無法實現(xiàn)對一些較為復(fù)雜的、微觀的、定性的實驗進行探究和表征。而DIS傳感技術(shù)具有安全、方便、快捷、精確、具體、直觀等特點，對傳統(tǒng)實驗的欠缺給予了很好的輔助和補充。DIS傳感器可以很好地將一些微觀過程中的多個變量數(shù)據(jù)化、圖像化，通過定量實驗的方式將化學(xué)原理中的一些傳統(tǒng)實驗無法表征且抽象的問題更為直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生的認知過程由識和記轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鹘?gòu)，從而達到很好的學(xué)習(xí)效果。

二、跨學(xué)科融合教學(xué)的基本內(nèi)容

郭統(tǒng)認為：跨學(xué)科融合理念下的高中化學(xué)教學(xué)實踐研究指的是以化學(xué)教學(xué)目標為基礎(chǔ)，以化學(xué)知識為主線，跨越學(xué)科界限，將其他學(xué)科知識有機融合到化學(xué)學(xué)科中，培養(yǎng)學(xué)生綜合多學(xué)科知識解決問題的意識和能力。[2]

有時候針對單一學(xué)科的某一問題的深入研究，需要其他學(xué)科的知識引入才能加以突破，這一點在生物學(xué)科和化學(xué)學(xué)科之間的學(xué)科交叉表現(xiàn)得尤為明顯。例如高中生物中的“氨基酸及其種類、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)”與化學(xué)中的“化學(xué)鍵、氫鍵”知識交融，“ATP的結(jié)構(gòu)、ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化”與“化學(xué)鍵、能量的轉(zhuǎn)化、可逆反應(yīng)”知識交融，諸如此類的知識交叉點很多。如果通過跨學(xué)科知識融合，勢必會加深學(xué)生對學(xué)科問題的理解，同時學(xué)生綜合多學(xué)科知識解決問題的能力也會得到相應(yīng)的提升。

三、基于DIS傳感技術(shù)的高中生、化跨學(xué)科融合教學(xué)案例研究

（一）教學(xué)內(nèi)容的選擇

高中化學(xué)中的“水溶液中的離子平衡”與高中生物中的“人體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定與重要性”學(xué)科內(nèi)容之間有交叉。利用水溶液中的離子平衡知識來解釋人體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，不僅很好地強化了學(xué)生對離子平衡的理解，而且更為深刻地理解了人體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性。

（二）以“水溶液中的離子平衡”與“人體內(nèi)環(huán)境維持pH穩(wěn)定的機制”為例

1.教學(xué)目標

（1）會用離子平衡的知識解釋人體體液調(diào)節(jié)機制，培養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)。

（2）利用DIS傳感技術(shù)探究緩沖溶液的緩沖能力，培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。

（3）通過跨學(xué)科融合教學(xué)，夯實單一學(xué)科知識的理解力，提升綜合分析問題、解決問題的能力。

2. 教學(xué)設(shè)計

【創(chuàng)設(shè)情境】呈現(xiàn) “新冠病毒防疫”圖片，引入一個家庭的體溫檢測結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生從以下幾個方面進行思考。

正常人的體溫有什么特點？人的體溫能否維持在一個相對穩(wěn)定的范圍？

分析血液檢查化驗單，發(fā)現(xiàn)健康人體內(nèi)環(huán)境的每一項成分和理化性質(zhì)都處于動態(tài)平衡中。

【提出問題】那么人體內(nèi)環(huán)境的pH是如何維持相對穩(wěn)定的呢？

【自主探究】對比普通水與H2CO3和NaHCO3組成的混合溶液的抗酸堿能力有多大差異。

實驗儀器：燒杯、pH傳感器。

實驗試劑：自來水、0.1moL/L的NaOH、0.1moL/L的HCl、H2CO3和NaHCO3混合溶液（pH=7.4）。

實驗步驟：（1）在自來水和H2CO3和NaHCO3混合溶液分別加入HCl和NaOH溶液，利用pH傳感器測定其pH的變化；（2）將H2CO3和NaHCO3混合溶液進行有限稀釋，利用pH傳感器測定其pH的變化。

實驗結(jié)論：（1）H2CO3和NaHCO3混合溶液中加入少量的酸和堿時，pH變化不大；（2）自來水中加入酸堿物質(zhì)后，pH變化幅度非常大。

總結(jié)：由H2CO3和NaHCO3組成的混合溶液，具有抵抗少量的外加強酸、強堿或者在有限量稀釋時，可保持pH基本不變的能力，這樣的溶液稱為緩沖溶液。

【合作交流】呈現(xiàn)資料：血液當中含有H2CO3和NaHCO3在維持血液 pH值穩(wěn)態(tài)中起著重要的作用；試從化學(xué)平衡的角度分析在混合溶液中加入少量的酸或者少量的堿時，溶液pH是如何變化的？

在血液中存在的電離如下：

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

當血液中進入少量酸時，H+會和大量的HCO-

3 結(jié)合生成H2CO3 ，H2CO3分解產(chǎn)生H2O和CO2，CO2由肺部排出，使血液中H+濃度變化不大；當血液中進入少量堿時， OH-會和血液中的H+結(jié)合成H2O。H+被消耗，血液中大量的H2CO3就立即電離出H+來補充，生成的NaHCO3由腎臟排出使血液pH值升高并不明顯。

【總結(jié)反思】（1）體液中的離子平衡是維持生物體pH穩(wěn)定的重要原因。（2）當體液中的pH超出范圍，出現(xiàn)不同程度的酸中毒或堿中毒。

【應(yīng)用遷移】資料顯示：在血液中其實還存在著H2PO-

4/ HPO2-4? ，它也是人體血液中含有的緩沖系；請解釋這對緩沖液在維持血液pH時是如何發(fā)揮作用的。

（三）總結(jié)與反思

本節(jié)課不僅將化學(xué)知識應(yīng)用遷移到了實際生活問題的分析與解決上，還從化學(xué)平衡的角度深入探討了人體內(nèi)環(huán)境血液中pH維持相對穩(wěn)定的機制。學(xué)生初步體驗了在解決學(xué)科交叉問題時跨學(xué)科融合的重要性，感受了DIS傳感技術(shù)的方便、直觀與快捷。通過本案例跨學(xué)科融合教學(xué)不僅改變了單一的教學(xué)模式，而且融入先進的科學(xué)知識和信息技術(shù)，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，幫助學(xué)生逐漸建立科學(xué)的思維方法和能力，促進學(xué)生的綜合發(fā)展。[3]

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標準（2017 年版） [S].北京：人民教育出版社，2018：45.

[2] 郭統(tǒng).高中化學(xué)跨學(xué)科融合教學(xué)案例設(shè)計與實踐研究 [D].河南大學(xué)，2020.

[3] 陶忠華.跨學(xué)科融合視閾下的高中生物學(xué)課例探析[J].生物學(xué)教學(xué)，2018（43）：31.