王婷

摘要： 以“新冠病毒的自我檢測(cè)與防護(hù)”為主題，以“分散系及其分類(lèi)”為例，設(shè)置遞進(jìn)式問(wèn)題驅(qū)動(dòng)概念建構(gòu)，整合利用化學(xué)、物理、生物等多學(xué)科知識(shí)融合教學(xué)，對(duì)真實(shí)情境問(wèn)題進(jìn)行多種形式的探究，自主建構(gòu)“尺度”“模型”等跨學(xué)科概念，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 跨學(xué)科概念； 分散系及其分類(lèi)； 尺度； 模型； 氣溶膠

文章編號(hào)： 10056629（2023）05003505

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

新版高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提出，教師應(yīng)重視跨學(xué)科內(nèi)容主題的選擇與組織，引導(dǎo)學(xué)生在更寬廣的學(xué)科背景下認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化規(guī)律，綜合運(yùn)用化學(xué)和其他學(xué)科的知識(shí)分析解決有關(guān)問(wèn)題，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)［1］。跨學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容包括跨學(xué)科知識(shí)與跨學(xué)科概念，跨學(xué)科概念是對(duì)理科知識(shí)共同性的高度歸納，為理解新知提供支持，促進(jìn)概念整合和對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解等［2］，是比跨學(xué)科知識(shí)更有助于發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的思維工具。本文以“分散系及其分類(lèi)”為例，以“尺度”“模型”等跨學(xué)科概念［3］為引領(lǐng)，開(kāi)展基于學(xué)科融合的概念教學(xué)探索。

1 跨學(xué)科內(nèi)容分析

1.1 教學(xué)內(nèi)容分析

“分散系及其分類(lèi)”是高中化學(xué)人教版（2019年版）必修第一冊(cè)第1章第1節(jié)第2課時(shí)內(nèi)容。與舊教材相比，新教材刪去了溶液、濁液和膠體三類(lèi)分散系穩(wěn)定性介紹、膠體的分離方法與聚沉等性質(zhì)，著重于以物質(zhì)分類(lèi)為線(xiàn)索，建立關(guān)于膠體分類(lèi)較為完整的知識(shí)體系，也讓學(xué)生將常見(jiàn)的液體作為分散劑的認(rèn)識(shí)拓展至更廣泛概念的分散系認(rèn)識(shí)［4］，凸顯了新教材從微觀粒子尺度和宏觀性質(zhì)結(jié)合的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)，逐步揭示各類(lèi)變化的特征及規(guī)律，發(fā)展宏觀辨識(shí)與微觀探析等核心素養(yǎng)。丁達(dá)爾效應(yīng)的教學(xué)價(jià)值不僅是檢驗(yàn)?zāi)z體的關(guān)鍵手段，更是證明分散質(zhì)粒子大小不同于溶液、濁液的重要宏觀證據(jù)。但因丁達(dá)爾效應(yīng)的微觀機(jī)理需用物理光學(xué)原理解釋?zhuān)趯?shí)際教學(xué)過(guò)程中化學(xué)教師一般不深究，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)丁達(dá)爾效應(yīng)的本質(zhì)原因理解不清。跨學(xué)科概念的綜合運(yùn)用不僅有助于學(xué)生理解膠體中粒子大小與其性質(zhì)的關(guān)系，還能幫助學(xué)生構(gòu)建“尺度”“因果關(guān)系”及“模型”等跨學(xué)科概念。

1.2 跨學(xué)科主題選擇

膠體金是金的微粒介于1～100nm的特殊聚集狀態(tài)，微粒尺度不同使其呈現(xiàn)豐富的顏色。膠體金層析法是目前檢驗(yàn)新冠病毒的一種醫(yī)學(xué)手段，應(yīng)用膠體的吸附性使其能夠與病毒抗原、抗體結(jié)合，應(yīng)用膠體金特殊顏色使病毒抗原抗體可視化。新冠病毒氣溶膠是膠體的種類(lèi)之一。將上述涉及化學(xué)、物理、生物等學(xué)科內(nèi)容的素材進(jìn)行整合，以“新冠病毒的自我檢測(cè)與防護(hù)”為主題，承載串聯(lián)起相關(guān)知識(shí)的任務(wù)鏈。

2 學(xué)科融合的教學(xué)設(shè)計(jì)

學(xué)科融合的過(guò)程大大拓寬了知識(shí)的邊界與學(xué)習(xí)范圍，教師需要基于學(xué)生學(xué)情與認(rèn)知水平設(shè)計(jì)合理科學(xué)的教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)活動(dòng)。

2.1 教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)見(jiàn)表1。

2.2 設(shè)計(jì)思路

教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

3 教學(xué)實(shí)施過(guò)程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題

［情境引入］居家時(shí)如何知曉是否感染新冠病毒？

［教師］展示新冠抗原檢測(cè)試劑盒，請(qǐng)大家觀察檢測(cè)試劑盒，鼓勵(lì)提出疑問(wèn)。

［學(xué)生疑惑］什么是“膠體金法”？抗原試劑盒如何使用？……

［視頻展示］膠體金的制備。

［學(xué)生疑惑］膠體金為什么不是黃色，而是呈現(xiàn)多種顏色。

［教師過(guò)渡］膠體金的特殊性質(zhì)源于“膠體”二字，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)感受一下什么是膠體。

3.2 探究問(wèn)題1：為什么膠體金顏色多樣

［分組實(shí)驗(yàn)］用激光筆分別照射CuSO4溶液、純牛奶，然后在水中滴入2滴純牛奶，激光筆照射擴(kuò)散中的牛奶。

［學(xué)生匯報(bào)］描述3份液體中光線(xiàn)不同現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)用激光筆照射水中擴(kuò)散的純牛奶，牛奶像流動(dòng)的幕布對(duì)光線(xiàn)進(jìn)行投射，形成斷斷續(xù)續(xù)的光路。

［教師］展示介紹光遇到不同微粒時(shí)傳播規(guī)律的微課動(dòng)畫(huà)（見(jiàn)圖2），提問(wèn)為什么光線(xiàn)在上述三種液體中傳播現(xiàn)象不一樣？

［學(xué)生討論匯報(bào)］CuSO4溶液中微粒很小，光直接透射；純牛奶中微粒較大，光被反射；含少量牛奶的溶液中微粒介于中間，光散射形成光路。成果展示如圖3所示。

［教師講解］介紹分散系及膠體概念。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用物理學(xué)科“繪制光路圖”的基本方法來(lái)解釋光線(xiàn)照射分散系的現(xiàn)象差別，能幫助學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)依據(jù)分散質(zhì)粒子大小對(duì)分散系進(jìn)行分類(lèi)的依據(jù)，由此形成對(duì)溶液、濁液及膠體概念的科學(xué)界定，初步構(gòu)建溶液、濁液與膠體分散系的微觀模型。

［教師提問(wèn)］回憶初中物理知識(shí)，物體不同顏色與物體反射或透過(guò)的色光有關(guān)。你認(rèn)為是什么原因?qū)е履z體金可以呈現(xiàn)多種顏色呢？

［學(xué)生提出猜想］膠體金的微粒大小不同。

［教師］提供膠體金顏色與微粒大小關(guān)系［5］，具體見(jiàn)表2。

［教師］已知金原子直徑約為0.2nm，請(qǐng)大家畫(huà)出膠體金微粒模型圖。

［學(xué)生］繪制膠體微粒模型圖，結(jié)果見(jiàn)圖4。

［教師總結(jié)］當(dāng)微粒處于特定范圍，散射光波長(zhǎng)位于可見(jiàn)光波范圍內(nèi)，微粒大小變化就會(huì)引起物質(zhì)顏色變化。膠體金微粒是由更小的金原子聚集而成，不同的聚集程度產(chǎn)生了不同顏色的膠體金。

設(shè)計(jì)意圖：膠體金不同顏色的原理探究是對(duì)膠粒大小影響光傳播的概念更深層次的遷移。不同尺度膠體金微粒的存在事實(shí)證明膠粒不是單獨(dú)粒子，而是更小微粒聚集體，加深對(duì)膠體是一種物質(zhì)聚集狀態(tài)的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)。

3.3 探究問(wèn)題2：膠體金如何檢測(cè)病毒

［學(xué)生演示］膠體金層析法檢測(cè)新冠病毒抗原操作方法。

［教師展示］膠體金層析法檢測(cè)新冠病毒抗原原理示意圖［6］（見(jiàn)圖5）。

［教師提問(wèn)］檢測(cè)線(xiàn)為什么是紅色的？

［學(xué)生］膠體金聚集呈現(xiàn)的特征紅色。

［教師］為什么當(dāng)人感染新冠病毒時(shí)，膠體金通過(guò)檢測(cè)線(xiàn)會(huì)聚集？

［學(xué)生討論］因?yàn)榭贵w可以特異性識(shí)別抗原，病毒抗原先與COVID19金標(biāo)抗體1結(jié)合，檢測(cè)線(xiàn)上的COVID19抗體2再與病毒抗原結(jié)合，使含有膠體金的微粒聚集沉降。

［教師］膠體金不僅可與新冠病毒抗體結(jié)合，還可與病毒抗原等其他蛋白質(zhì)結(jié)合，用于醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)多種病毒，甚至驗(yàn)孕。依據(jù)以上信息猜想科學(xué)家會(huì)給分散質(zhì)微粒大小為1～100nm的分散系命名為“膠體”，體現(xiàn)了它的什么特點(diǎn)？

［學(xué)生］粒子容易吸附其他微粒，具有較好的吸附性。

［教師］膠體外觀看起來(lái)黏稠嗎？

［學(xué)生］不，外觀像溶液一樣均一穩(wěn)定，“膠”字指微觀粒子具有較好吸附性的特點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：膠體金層析法原理分析將概念的理解提升至綜合應(yīng)用層面，并從中認(rèn)識(shí)到膠體吸附性是微觀層面粒子的吸附性，避免概念受生活經(jīng)驗(yàn)影響產(chǎn)生理解偏差。

3.4 探究問(wèn)題3：如何制備膠體

［教師］如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法制備膠體呢？

［學(xué)生活動(dòng)］根據(jù)所給試劑（FeCl3飽和溶液、蒸餾水、稀NaOH溶液）設(shè)計(jì)并制備Fe（OH）3膠體，再依據(jù)教材實(shí)驗(yàn)11完成制備實(shí)驗(yàn)。

［引導(dǎo)評(píng)價(jià)］請(qǐng)從原料利用率與產(chǎn)品質(zhì)量（分散質(zhì)粒子均一度）的角度評(píng)價(jià)2套方案優(yōu)劣。

［展示成果］略。

［交流評(píng)價(jià)］使用FeCl3溶液與極稀的NaOH溶液混合的方案簡(jiǎn)單，但制備出的膠體不多，主要是沉淀。教材方案注意事項(xiàng)較多，但能保證生成的主要是Fe（OH）3膠體而非沉淀。

［引導(dǎo)總結(jié)］制備膠體實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于通過(guò)控制溫度、反應(yīng)物濃度等方式使制得膠體粒子大小均一。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)“自主實(shí)驗(yàn)典范實(shí)驗(yàn)對(duì)比反思”的探究過(guò)程激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究精神，并感受物質(zhì)世界的復(fù)雜性，發(fā)現(xiàn)不同分散系之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化規(guī)律，加深對(duì)分散系的認(rèn)識(shí)層次。

3.5 探究問(wèn)題4：如何防范新冠病毒氣溶膠

［教師提問(wèn)］新冠病毒直徑約為60～140nm，含有新冠病毒的空氣屬于膠體嗎？

［學(xué)生］如果病毒直徑在60～100nm之間則屬于膠體。

［教師］膠體的界定只與分散質(zhì)粒子的大小有關(guān)，與它的物質(zhì)成分、狀態(tài)都沒(méi)有關(guān)系。依據(jù)分散劑的狀態(tài)，將膠體分為液溶膠、氣溶膠與固溶膠。

［學(xué)生活動(dòng)］將含新冠病毒的空氣、有色玻璃、豆?jié){、煙水晶、河水、霧依據(jù)分散劑狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)。

［教師提問(wèn)］新冠病毒在空氣中形成氣溶膠，可在空氣中停留較長(zhǎng)時(shí)間。我們?nèi)绾巫晕曳雷o(hù)？

［學(xué)生］佩戴口罩、噴灑酒精……

［教師追問(wèn)］某同學(xué)佩戴口罩走在路上，依然聞到了路邊桂花的香味。他的口罩能有效阻隔病毒嗎？

［學(xué)生］可以，因?yàn)椴《居傻鞍踪|(zhì)與RNA等許多分子構(gòu)成，比桂花香味的分子大得多。口罩的孔徑可以使桂花香氣分子透過(guò)，但不能使病毒氣溶膠透過(guò)。

［教師］新冠病毒并不可怕，運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行科學(xué)防護(hù)、檢測(cè)與治療，我們依然可以享受美好的生活！

設(shè)計(jì)意圖：氣溶膠知識(shí)的介紹豐富了膠體的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)與概念應(yīng)用范圍，在對(duì)膠體進(jìn)行分類(lèi)活動(dòng)中加深對(duì)膠體概念的準(zhǔn)確界定與理解，認(rèn)識(shí)到尺度效應(yīng)是自然界普遍規(guī)律，進(jìn)一步完善膠體概念模型。

4 教學(xué)效果與反思

課堂觀察發(fā)現(xiàn)，在真實(shí)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生能夠綜合物理光學(xué)理論、宏觀現(xiàn)象與金微粒粒徑等信息繪制出不同分散系中光路圖，反映出他們具備將光傳播模型與分散系微觀模型有效結(jié)合的模型認(rèn)知能力。在問(wèn)題探究中，學(xué)生不斷運(yùn)用尺度比較與變化的思維工具進(jìn)行宏微結(jié)合的分析，逐漸構(gòu)建起微粒大小比較、微粒大小對(duì)性質(zhì)的影響、微粒大小變化的尺度概念理論框架。作業(yè)結(jié)果體現(xiàn)學(xué)生能夠?qū)ⅰ澳z體”概念遷移至河水、納米材料等課堂未涉及的物質(zhì)分析中，能運(yùn)用實(shí)驗(yàn)優(yōu)化思維對(duì)膠體制備實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行深刻的邏輯分析，教學(xué)效果較好。跨學(xué)科概念的融入助推學(xué)生理解學(xué)科概念本質(zhì)，促使高階思維與綜合素養(yǎng)的形成。

當(dāng)然，打破學(xué)科壁壘、巧妙整合跨學(xué)科資源考驗(yàn)著教師的教育智慧與學(xué)科綜合素養(yǎng)。社會(huì)資源中的跨學(xué)科素材往往涉及面較廣，在學(xué)科融合過(guò)程中教師不能貪多貪全盲目拓展，要基于學(xué)生已有知識(shí)基礎(chǔ)，把準(zhǔn)學(xué)科橫向聯(lián)結(jié)的廣度與縱向延伸的深度，挖掘跨學(xué)科教學(xué)的知識(shí)切入點(diǎn)與生長(zhǎng)點(diǎn)。教學(xué)設(shè)計(jì)前首先通過(guò)翻閱物理、生物初中教材與咨詢(xún)相關(guān)專(zhuān)業(yè)教師，明確了學(xué)生已有的跨學(xué)科概念與待提供的信息資源。膠體性質(zhì)豐富，應(yīng)用廣泛，本節(jié)課只選取吸附性作為典型性質(zhì)進(jìn)行任務(wù)探究，一是有助于對(duì)膠體概念本質(zhì)的理解，并為后續(xù)學(xué)習(xí)凈水劑的性質(zhì)應(yīng)用奠基；二是以吸附性為前概念，依據(jù)尺度變化視角分析粒子重量，學(xué)生能自主理解聚沉性質(zhì)的產(chǎn)生，形成知識(shí)生長(zhǎng)邏輯線(xiàn)。

本節(jié)課最難能可貴的是學(xué)生不僅積極思考教師提出的問(wèn)題，還能夠自主生成許多有價(jià)值的問(wèn)題。比如能不能用濾紙將自制的Fe（OH）3中沉淀與膠體粒子過(guò)濾分離、膠體金層析法為什么有2條紅線(xiàn)……問(wèn)題背后聯(lián)結(jié)的是許多課堂上來(lái)不及觸及的知識(shí)，面對(duì)不同的生成性問(wèn)題教師可依據(jù)本課目標(biāo)與學(xué)情選擇即時(shí)解答，或設(shè)置懸疑鼓勵(lì)學(xué)生課后探究。有限的課堂傳授只有激發(fā)出學(xué)生無(wú)限的學(xué)習(xí)渴望，才能實(shí)現(xiàn)授人以漁的教育功能。

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