跨學(xué)科主題單元“蘋(píng)果酒制作及品質(zhì)特性分析”的實(shí)踐研究

摘要：跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)有利于打破學(xué)科界限，建立不同學(xué)科領(lǐng)域之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)知識(shí)與生活的整合。本文通過(guò)架構(gòu)跨學(xué)科主題單元“蘋(píng)果酒制作及品質(zhì)特性分析”，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到高中生物學(xué)與化學(xué)之間的聯(lián)系，并能夠有效地綜合不同學(xué)科所學(xué)知識(shí)去解決真實(shí)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)學(xué)科育人的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科；單元學(xué)習(xí)；核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1003-7586（2024）02-0043-03 中圖分類號(hào)：G63391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)是基于學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，圍繞某一研究主題，以某一學(xué)科課程內(nèi)容為主干，運(yùn)用并整合其他課程的相關(guān)知識(shí)和方法，開(kāi)展綜合性學(xué)習(xí)的過(guò)程。自然科學(xué)中的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等各門(mén)學(xué)科，在思想方法、基本原理、研究?jī)?nèi)容等方面有著密切的聯(lián)系。特別是生物學(xué)與化學(xué)，學(xué)科知識(shí)如有機(jī)物、實(shí)驗(yàn)研究方法等具有一定的重合性，學(xué)科核心素養(yǎng)中均提到了科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、社會(huì)責(zé)任等，是實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)的較優(yōu)組合。本文通過(guò)跨學(xué)科主題單元“蘋(píng)果酒制作及品質(zhì)特性分析”的實(shí)踐研究，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到高中生物學(xué)與化學(xué)學(xué)科知識(shí)之間的聯(lián)系，并能夠有效地綜合不同學(xué)科所學(xué)的知識(shí)去解決真實(shí)問(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)科育人的價(jià)值。

1主題概述

1.1背景分析

生活中的問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，實(shí)則復(fù)雜。真實(shí)問(wèn)題的解決通常需要綜合運(yùn)用多種學(xué)科的概念、方法和思維，以尋求問(wèn)題的解決方案。運(yùn)用跨學(xué)科主題單元的學(xué)習(xí)方法，可將復(fù)雜的問(wèn)題拆分成具體的、可操作的不同學(xué)科內(nèi)容，最終在運(yùn)用學(xué)科知識(shí)過(guò)程中逐步發(fā)展起正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。

“果酒和果醋的制作”是滬科教版《普通高中教科書(shū)生物學(xué)選擇性必修3生物技術(shù)與工程》中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。果酒的發(fā)酵是一個(gè)微觀的過(guò)程，伴隨著諸多生化指標(biāo)的變化。學(xué)生不禁產(chǎn)生疑問(wèn)：蘋(píng)果酒的制作過(guò)程發(fā)生了哪些物質(zhì)變化？制作蘋(píng)果酒的裝置可以被進(jìn)一步優(yōu)化從而實(shí)現(xiàn)控制有機(jī)反應(yīng)過(guò)程嗎？自制的蘋(píng)果酒品質(zhì)如何？基于以上真實(shí)情境中的實(shí)際問(wèn)題，結(jié)合高中生物學(xué)和化學(xué)的相關(guān)知識(shí)，筆者設(shè)計(jì)了以“蘋(píng)果酒制作及品質(zhì)特性分析”為主題的跨學(xué)科主題單元，通過(guò)運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)、方法和思維解決真實(shí)問(wèn)題。

1.2內(nèi)容分析

本跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)以“情境－問(wèn)題－活動(dòng)”為主線，依次提出“蘋(píng)果酒的制作原理是什么？”“如何制作蘋(píng)果酒？”“如何判斷自制蘋(píng)果酒的品質(zhì)？”3個(gè)核心問(wèn)題。根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)策略對(duì)跨學(xué)科主題單元進(jìn)行整合，如圖1所示，即“學(xué)習(xí)內(nèi)容高整合度、教學(xué)策略高整合度、學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)策略都豐富、學(xué)習(xí)復(fù)雜度高”。

1.3學(xué)情分析

高二學(xué)生已經(jīng)對(duì)常見(jiàn)的有機(jī)化合物如糖類和乙醇的分子結(jié)構(gòu)、生理功能和化學(xué)性質(zhì)等有了一定的認(rèn)識(shí)，科學(xué)探究的基本方法也基本掌握。而“蘋(píng)果酒制作及品質(zhì)特性分析”是真實(shí)情境中的實(shí)際問(wèn)題，更貼近生活，更容易激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，可以很好地將學(xué)科理論與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合。如何運(yùn)用這些跨學(xué)科的知識(shí)、技能和思維在復(fù)雜的真實(shí)情境中解決問(wèn)題，是需要學(xué)生去實(shí)踐和挑戰(zhàn)的，也是檢驗(yàn)學(xué)生核心素養(yǎng)是否達(dá)成的重要標(biāo)準(zhǔn)。

1.4資源分析

學(xué)校生物創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室可提供磁力攪拌器、恒溫培養(yǎng)箱、傳感器等硬件設(shè)施。為了保證跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)的順利進(jìn)行，教師可開(kāi)發(fā)并提供相對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)工具或?qū)W習(xí)資料，如文獻(xiàn)資料、學(xué)習(xí)任務(wù)單、關(guān)鍵儀器使用的微視頻等。

2主題學(xué)習(xí)目標(biāo)

跨學(xué)科主題單元的設(shè)計(jì)與對(duì)應(yīng)學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)容要求相匹配，教師基于對(duì)應(yīng)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求設(shè)立了明確的素養(yǎng)型學(xué)習(xí)目標(biāo)，如表1所示。

3單元學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)

跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)圍繞真實(shí)的問(wèn)題展開(kāi)，通過(guò)設(shè)置適切的學(xué)習(xí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)策略的整合，如表2所示。

4實(shí)施過(guò)程舉例

4.1學(xué)習(xí)任務(wù)：探究酵母的呼吸方式，認(rèn)識(shí)不同條件下細(xì)胞獲取能量的方式不同

[情境]我國(guó)水果資源非常豐富，從漢代開(kāi)始就有果酒生產(chǎn)的相關(guān)記載，包括枸杞酒、梅子酒、大棗酒等。果酒以其獨(dú)特的風(fēng)味受到人們的喜愛(ài)。19世紀(jì)法國(guó)巴斯德發(fā)現(xiàn)了釀酒過(guò)程中酵母的發(fā)酵作用。

[問(wèn)題]酵母在有氧和無(wú)氧的情況下產(chǎn)生的物質(zhì)有何不同？生成的能量又有何不同？

[活動(dòng)]觀看演示實(shí)驗(yàn)“不同供氧環(huán)境下酵母的呼吸方式”。

請(qǐng)學(xué)生思考并討論分析：不同供氧狀態(tài)下，酵母產(chǎn)生的物質(zhì)有何差異？能否解釋原因？學(xué)生思考回答。教師根據(jù)學(xué)生的回答引出“有氧呼吸”和“無(wú)氧呼吸”的概念。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)觀察演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生分析歸納出有氧呼吸和無(wú)氧呼吸的產(chǎn)物，幫助學(xué)生從物質(zhì)轉(zhuǎn)變的角度認(rèn)識(shí)有氧呼吸和無(wú)氧呼吸。

[活動(dòng)]搭建“有氧呼吸”模型。

回顧線粒體的結(jié)構(gòu)，要求學(xué)生將線粒體的結(jié)構(gòu)模式圖畫(huà)在下發(fā)的白板上。請(qǐng)學(xué)生閱讀PPT上呈現(xiàn)的有氧呼吸過(guò)程的文字描述，并根據(jù)反應(yīng)場(chǎng)所將有氧呼吸分為兩個(gè)階段。同桌合作，一人對(duì)照文字描述有氧呼吸的過(guò)程，一人利用教師下發(fā)的寫(xiě)好關(guān)鍵詞的磁力貼展示在剛才畫(huà)好線粒體圖的白板上，其中代表“能量”的磁力貼要用大小代表產(chǎn)生能量的多少。學(xué)生完成簡(jiǎn)單的“有氧呼吸”模型構(gòu)建后，再根據(jù)過(guò)程寫(xiě)出有氧呼吸的總反應(yīng)式。

設(shè)計(jì)意圖：有氧呼吸的過(guò)程是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，單純地閱讀記憶很難引起學(xué)生的興趣。通過(guò)動(dòng)手畫(huà)、動(dòng)嘴說(shuō)、動(dòng)手貼等活動(dòng)，多方位調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，通過(guò)構(gòu)建簡(jiǎn)單的“有氧呼吸”模型，鍛煉學(xué)生的模型與建模思維。

[活動(dòng)]觀看視頻“家庭自制葡萄酒”。

教師提問(wèn)：為什么開(kāi)始發(fā)酵時(shí)瓶蓋不擰緊？瓶子留出1／3空間的目的是什么？發(fā)酵過(guò)程中為什么瓶子的溫度會(huì)升高？學(xué)生討論回答。教師請(qǐng)學(xué)生根據(jù)反應(yīng)物和產(chǎn)物將無(wú)氧呼吸的反應(yīng)式進(jìn)行配平。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到生物學(xué)知識(shí)來(lái)源于生活又服務(wù)于生活，為接下來(lái)蘋(píng)果酒的制作奠定基礎(chǔ)。

4.2學(xué)習(xí)任務(wù)：利用傳感器依次測(cè)定蘋(píng)果酒的濁度、酒精含量、pH

[情境]在悠久的歷史文化中，有關(guān)酒的古詩(shī)詞數(shù)不勝數(shù)，關(guān)于釀酒的傳說(shuō)也很美。如：“濁酒一杯家萬(wàn)里，燕然未勒歸無(wú)計(jì)”“綠蟻新醅酒，紅泥小火爐”“昨夜雨疏風(fēng)驟，濃睡不消殘酒”“野花紅碧自爭(zhēng)春，村酒酸甜也醉人”。

[問(wèn)題]自制蘋(píng)果酒有哪些品質(zhì)特性？如何用化學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)檢測(cè)這些性質(zhì)？

[活動(dòng)]測(cè)定果酒的濁度

自制的果酒從外觀看很混濁，學(xué)生首先想到的是過(guò)濾。酒的澄清度也是衡量酒質(zhì)量的一個(gè)相當(dāng)重要的指標(biāo)。如何精確描述果酒的澄清度？教師提供濁度傳感器，顯示標(biāo)準(zhǔn)液和水的濁度值，請(qǐng)學(xué)生來(lái)測(cè)定果酒的濁度。

設(shè)計(jì)意圖：一般對(duì)溶液的澄清度只是從定性即視覺(jué)角度來(lái)分析，這次選用濁度傳感器，讓學(xué)生真正感受過(guò)濾操作的具體意義，并從定量角度描述果酒的澄清度。

[活動(dòng)]測(cè)定果酒的酒精含量

對(duì)于酒來(lái)說(shuō)，酒精含量即酒的度數(shù)也是衡量酒質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。學(xué)生書(shū)寫(xiě)果酒釀制中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，即酒精的來(lái)源。測(cè)定酒精的含量就是用數(shù)值來(lái)體現(xiàn)微觀變化。

設(shè)計(jì)意圖：結(jié)合生物學(xué)知識(shí)，用化學(xué)語(yǔ)言表示糖類變化過(guò)程。培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識(shí)和證據(jù)推理能力。

[活動(dòng)]測(cè)定果酒的酸度

乙醇被氧化后會(huì)形成乙酸，同時(shí)一部分糖類也會(huì)形成酸，所以果酒中也含有一定量的酸。請(qǐng)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)用多種方法測(cè)定果酒的酸度，以小組為單位設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)步驟。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行比較，提高解決問(wèn)題的能力。同時(shí)形成運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決真實(shí)問(wèn)題的跨學(xué)科思維，發(fā)展核心素養(yǎng)。

5學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)踐行促進(jìn)學(xué)習(xí)的評(píng)估方式，包括過(guò)程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)兩部分。過(guò)程性評(píng)價(jià)針對(duì)設(shè)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)而設(shè)計(jì)，用于檢驗(yàn)學(xué)習(xí)進(jìn)度并促進(jìn)學(xué)生討論與反思，采用自評(píng)與師評(píng)結(jié)合的方法，如理論課主要通過(guò)收集學(xué)生的學(xué)案、練習(xí)題或課堂回答問(wèn)題的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)課通過(guò)觀察學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)記錄的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。總結(jié)性評(píng)價(jià)在跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)結(jié)束后，以研究報(bào)告書(shū)或主題學(xué)習(xí)匯報(bào)的形式進(jìn)行，采用小組互評(píng)與師評(píng)結(jié)合的方法。

6實(shí)踐反思

生物學(xué)與化學(xué)作為兩門(mén)獨(dú)立的自然學(xué)科，有諸多重合的研究?jī)?nèi)容，但出于學(xué)科特點(diǎn)，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中呈現(xiàn)出不同的側(cè)重點(diǎn)。如糖類的學(xué)習(xí)，生物學(xué)側(cè)重于學(xué)習(xí)糖類在細(xì)胞中的作用，而化學(xué)側(cè)重于學(xué)習(xí)糖類的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。又如葡萄糖的分解，生物學(xué)側(cè)重于學(xué)習(xí)細(xì)胞獲取能量的方式，而化學(xué)更關(guān)注葡萄糖氧化分解的程度。在進(jìn)行跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)的過(guò)程中，就需要考慮到學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)策略的整合。“蘋(píng)果酒制作及品質(zhì)特性分析”的設(shè)計(jì)以生物學(xué)為主干，通過(guò)理論課與實(shí)驗(yàn)課的結(jié)合完成蘋(píng)果酒的制作，化學(xué)主要以實(shí)驗(yàn)課的形式完成蘋(píng)果酒的化學(xué)性質(zhì)分析。

跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)的實(shí)施也存在一定的困難，如時(shí)間的安排。蘋(píng)果酒的制作本身需要較長(zhǎng)的發(fā)酵時(shí)間，同時(shí)需要協(xié)調(diào)生物學(xué)與化學(xué)的學(xué)習(xí)活動(dòng)安排，這就需要不同學(xué)科老師多加協(xié)調(diào)溝通，共同制訂各學(xué)習(xí)活動(dòng)之間的時(shí)間進(jìn)度，充分利用好課前、課中和課后的時(shí)間開(kāi)展跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)。