摘 要：為改善跨學(xué)科教學(xué)中目標(biāo)制定混亂、知識(shí)整合形式化、評(píng)價(jià)體系不完善等問(wèn)題，基于UbD模式“以終為始、評(píng)價(jià)先行”的教育理念，以“化學(xué)平衡移動(dòng)在生物中的應(yīng)用”為主題，設(shè)置“鑒別真假黑枸杞”與“探秘高原病病因”的跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)，圍繞“穩(wěn)態(tài)與平衡”大概念，以預(yù)期結(jié)果為導(dǎo)向，基于真實(shí)問(wèn)題情境和核心評(píng)估任務(wù)開展教學(xué)。通過(guò)學(xué)生的表現(xiàn)及反饋，對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行反思。

關(guān)鍵字：中學(xué)化學(xué)；大概念；跨學(xué)科教學(xué)；UbD模式；穩(wěn)態(tài)與平衡

文章編號(hào)：1005-6629（2024）09-0036-07

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問(wèn)題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“化學(xué)課標(biāo)”）提出開展跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，以培養(yǎng)國(guó)家所需的創(chuàng)新型、復(fù)合型人才^［1］。近年來(lái)，我國(guó)關(guān)于化學(xué)跨學(xué)科教學(xué)的理論、案例開發(fā)等研究日漸豐富且趨于成熟^［2］，但受制于觀念、評(píng)價(jià)導(dǎo)向、實(shí)施條件等因素，跨學(xué)科活動(dòng)設(shè)計(jì)還存在教學(xué)目標(biāo)制定混亂、知識(shí)整合形式化、評(píng)價(jià)體系不完善等問(wèn)題^{［3，4］}。

美國(guó)課程專家格蘭特·威金斯和杰伊·麥克泰于1988年創(chuàng)立了UbD模式（Understanding by Design），該模式提倡“以終為始、評(píng)價(jià)先行”，強(qiáng)調(diào)以目標(biāo)為導(dǎo)向，圍繞大概念、基本問(wèn)題和核心評(píng)估任務(wù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，包括連貫一致的三個(gè)階段，即“明確預(yù)期結(jié)果-確定合適的評(píng)估證據(jù)-設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)”^［5］，追求在“理解意義”的基礎(chǔ)上“實(shí)現(xiàn)遷移”，指向內(nèi)容的“理解”和形式的“逆向設(shè)計(jì)”是UbD模式的關(guān)鍵點(diǎn)。本文嘗試采用UbD模式解決跨學(xué)科教學(xué)中的問(wèn)題，在不犧牲化學(xué)學(xué)科課程任務(wù)的前提下，圍繞主題有機(jī)融合其他學(xué)科的知識(shí)和方法，揭示化學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化，引導(dǎo)學(xué)生深入理解化學(xué)知識(shí)，認(rèn)識(shí)跨學(xué)科課程的聯(lián)系，推進(jìn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和跨學(xué)科素養(yǎng)的落地。

2 基于UbD模式的化學(xué)跨學(xué)科主題教學(xué)設(shè)計(jì)

基于已有研究，本文建構(gòu)了基于UbD模式的化學(xué)跨學(xué)科主題教學(xué)設(shè)計(jì)流程（見圖1），并作詳細(xì)闡釋。

2.1 確定跨學(xué)科主題

在選擇以化學(xué)學(xué)科為中心的跨學(xué)科主題時(shí)，可以從化學(xué)課標(biāo)、教材和社會(huì)熱點(diǎn)中尋找靈感，需考慮主題能否滿足學(xué)科性、跨學(xué)科性、真實(shí)性和探究性的特征。“化學(xué)平衡移動(dòng)”是發(fā)展學(xué)生變化觀念與平衡思想的重要知識(shí)載體，相關(guān)的教學(xué)設(shè)計(jì)比較注重真實(shí)情境創(chuàng)設(shè)和實(shí)驗(yàn)探究，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的發(fā)展以及課程價(jià)值與育人目標(biāo)的落地，重視改善認(rèn)知壁壘對(duì)知識(shí)理解產(chǎn)生的影響^［6］，但不太關(guān)注學(xué)生能否獲得超越事實(shí)和學(xué)科界限的理解，以及能否在真實(shí)情境中靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)。本文嘗試基于UbD模式對(duì)“化學(xué)平衡移動(dòng)”進(jìn)行跨學(xué)科主題教學(xué)設(shè)計(jì)，搜索與“化學(xué)平衡移動(dòng)”相關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)黑枸杞真假鑒別和高原病病因都涉及化學(xué)平衡移動(dòng)：前者涉及花青素的變色原理，與植物相關(guān)；后者涉及血紅蛋白的氧合原理，與動(dòng)物相關(guān)，由此確定“化學(xué)平衡移動(dòng)在生物中的應(yīng)用”這一跨學(xué)科主題。

2.2 前端分析

前端分析需基于“化學(xué)平衡移動(dòng)在生物中的應(yīng)用”所對(duì)應(yīng)的教材內(nèi)容及課標(biāo)要求^［7～9］，建構(gòu)概念層級(jí)，分析教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)先次序和學(xué)情，為教學(xué)設(shè)計(jì)做好前期準(zhǔn)備。

2.2.1 概念層級(jí)建構(gòu)

本文結(jié)合化學(xué)和生物的課標(biāo)和教材，關(guān)聯(lián)不同學(xué)科的科學(xué)事實(shí)，理清基本概念，明晰主題下的化學(xué)學(xué)科大概念，并確立跨學(xué)科大概念，以實(shí)現(xiàn)概念層級(jí)的建構(gòu)。本主題建構(gòu)的概念層級(jí)見圖2。

2.2.2 教學(xué)內(nèi)容分析

威金斯和麥克泰利用教學(xué)優(yōu)先次序圖劃分教學(xué)內(nèi)容的重要程度，以明確學(xué)習(xí)的重點(diǎn)^［10］，依據(jù)跨學(xué)科教學(xué)背景，本主題構(gòu)建的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)先次序見圖3。

2.2.3 學(xué)情分析

高二學(xué)生已基本具備與化學(xué)平衡移動(dòng)有關(guān)的前概念和一定的實(shí)驗(yàn)操作基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)生物課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解色素、原生質(zhì)層、氧氣對(duì)人體的作用、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)等相關(guān)內(nèi)容，這些是學(xué)生順利進(jìn)行本次主題學(xué)習(xí)的重要知能基礎(chǔ)。不過(guò)，此階段學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的水平有待提高，學(xué)以致用和學(xué)科遷移的能力有所欠缺，化學(xué)平衡觀等學(xué)科素養(yǎng)還有待發(fā)展。

2.3 明確預(yù)期結(jié)果

基于前端分析，進(jìn)一步明確預(yù)期結(jié)果，具體包括教學(xué)目標(biāo)和預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果。教學(xué)目標(biāo)對(duì)教師具有指向性，用來(lái)幫助教師明確教學(xué)設(shè)計(jì)的方向；預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果指學(xué)習(xí)導(dǎo)向，由教學(xué)目標(biāo)細(xì)化而來(lái)，包括掌握知能、理解意義和學(xué)習(xí)遷移三個(gè)由低到高的層次水平。理解意義包含持續(xù)理解和基本問(wèn)題：“持續(xù)理解”是基于事實(shí)得出的有效推論，本文將概念層級(jí)中的基本概念視為需要深入持續(xù)理解的內(nèi)容；“基本問(wèn)題”是實(shí)現(xiàn)理解的開放性問(wèn)題。結(jié)合概念層級(jí)和教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)先次序，制定預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果的思路見圖4，本主題設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果見表1。

2.4 確定評(píng)估證據(jù)

為了有效監(jiān)控學(xué)生理解的程度，在規(guī)劃相關(guān)的學(xué)習(xí)活動(dòng)前要先確定評(píng)估的證據(jù)。預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果包含了不同類型的目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)有效評(píng)估，UbD模式強(qiáng)調(diào)從表現(xiàn)性任務(wù)、其他證據(jù)和自我評(píng)估與反思三個(gè)方面設(shè)計(jì)具體的評(píng)估方式：表現(xiàn)性任務(wù)應(yīng)是跨學(xué)科教學(xué)評(píng)估的首選方式，是圍繞理解意義設(shè)計(jì)的真實(shí)任務(wù)，可以從目標(biāo)（Goal）、角色（Role）、對(duì)象（Audience）、情境（Situation）、表現(xiàn)或產(chǎn)品（Performance/Product）、標(biāo)準(zhǔn)（Standards）這幾個(gè)方面進(jìn)行構(gòu)思，其英文首字母縮寫簡(jiǎn)稱GRASPS（下面將第二個(gè)S用S-2表示，與第一個(gè)S進(jìn)行區(qū)分）^［11］；其他證據(jù)用來(lái)考查知能和表現(xiàn)性任務(wù)無(wú)法檢測(cè)的目標(biāo)，這些評(píng)估方式是實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)遷移這個(gè)最終目標(biāo)的手段；自我評(píng)估與反思意在培養(yǎng)學(xué)生的元認(rèn)知能力。本主題設(shè)計(jì)的評(píng)估證據(jù)見表2。

2.5 拆分主題，規(guī)劃學(xué)習(xí)活動(dòng)

為確保學(xué)習(xí)活動(dòng)兼具吸引力和有效性，UbD模式認(rèn)為需立足學(xué)情，以預(yù)期結(jié)果為導(dǎo)向，結(jié)合評(píng)估證據(jù)，利用W（Where & Why，學(xué)習(xí)方向和原因）、H（Hook & Hold，吸引和保持）、E（Explore，Experience，Equip & Enable，探索和體驗(yàn)、準(zhǔn)備和使能）、R（Rethink，Reflect & Revise，重新思考、反思和修正）、E（Evaluate，持續(xù)評(píng)價(jià)，下面用E-2表示，與第一個(gè)E進(jìn)行區(qū)分）、T（Tailor，量身定制）、O（Organize，有效組織）七要素規(guī)劃學(xué)習(xí)活動(dòng)^［12］。將本主題拆分為“酸堿度對(duì)花青素顏色的影響”“溫度對(duì)花青素顏色的影響”“氧分壓對(duì)血紅蛋白氧合的影響”和“大概念的建構(gòu)”四個(gè)專題，通過(guò)建立不同專題下學(xué)習(xí)活動(dòng)間的深層聯(lián)系，為學(xué)生大概念的建構(gòu)創(chuàng)造條件。本主題在這一階段關(guān)鍵的學(xué)習(xí)活動(dòng)及完成情況闡釋如下。

2.5.1 專題一 酸堿度對(duì)花青素顏色的影響

環(huán)節(jié)一 明確學(xué)習(xí)的目的和價(jià)值，建構(gòu)化學(xué)平衡移動(dòng)的概念

學(xué)生課前了解基本問(wèn)題、表現(xiàn)性任務(wù)及其主要標(biāo)準(zhǔn)（W）（見表1和表2的對(duì)應(yīng)部分）。學(xué)生通過(guò)回顧化學(xué)平衡狀態(tài)的特征，建構(gòu)化學(xué)平衡移動(dòng)的概念模型（E）。

環(huán)節(jié)二 實(shí)驗(yàn)探究濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響

教師介紹黑枸杞的功能，引導(dǎo)學(xué)生利用不同品牌的礦泉水泡黑枸杞，結(jié)合現(xiàn)象思考使黑枸杞水顯色的物質(zhì)（黑枸杞中的植物細(xì)胞已死，原生質(zhì)層的選擇透過(guò)性失效，位于液泡中的色素會(huì)流出細(xì)胞，這些色素主要為花青素），并與其他小組對(duì)比，聯(lián)系酸堿指示劑思考產(chǎn)生顏色差異的原因（H、E）。學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想，記錄現(xiàn)象（E）。

環(huán)節(jié)三 理論分析濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響

教師提供花青素的資料卡片：

花青素是一種位于植物細(xì)胞液泡內(nèi)的水溶性天然色素，其顏色會(huì)隨著細(xì)胞液的酸堿度變化而發(fā)生變化，變色原理見圖5，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)。當(dāng)pH大于7時(shí)，花青素將被降解，25℃時(shí)，黑枸杞花青素的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，溫度逐漸上升至60℃時(shí)，穩(wěn)定性變差，此時(shí)的結(jié)構(gòu)受熱易降解^［13］。

學(xué)生結(jié)合花青素的資料卡片，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，歸納濃度對(duì)化學(xué)平衡影響的規(guī)律，在教師引導(dǎo)示范的基礎(chǔ)上，從速率變化和濃度商視角出發(fā)進(jìn)行理論分析，總結(jié)Q、K相對(duì)大小與平衡移動(dòng)的關(guān)系，完成隨堂測(cè)試（E、R、E-2、O）。

2.5.2 專題二 溫度對(duì)花青素顏色的影響

環(huán)節(jié)一 實(shí)驗(yàn)探究溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響

學(xué)生結(jié)合花青素的資料卡片，猜想不同水溫下黑枸杞水顏色存在差異的原因，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)的探究和分析，歸納溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響規(guī)律（H、E、R、E-2）。

環(huán)節(jié)二 理論推導(dǎo)溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響

教師引導(dǎo)學(xué)生以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為依據(jù)，推導(dǎo)速率變化曲線，分析焓變、溫度與平衡常數(shù)三者間的關(guān)系（E）。課堂進(jìn)行隨堂測(cè)試，學(xué)生課后完成鑒別黑枸杞真假的方案設(shè)計(jì)（E-2、T）。學(xué)生的鑒別方案見圖6。

2.5.3 專題三 氧分壓對(duì)血紅蛋白氧合的影響

環(huán)節(jié)一 基于科學(xué)事實(shí)認(rèn)識(shí)壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響

人體主要靠有氧呼吸提供能量，氧氣充足，才能滿足生命活動(dòng)所需的能量。高海拔世居者胸廓比低海拔地區(qū)的人更大，這有利于提高肺通氣功能，從而進(jìn)行更充分的氣體交換^［14］，故夏爾巴人能吸入更多氧氣（H、E）。

教師提供血紅蛋白和氧氣結(jié)合的資料卡片：

血紅蛋白（Hb）與O的結(jié)合反應(yīng)快，可逆，不需要酶的催化，但受氧分壓（P）的影響，當(dāng)P高的時(shí)候，Hb易與O結(jié)合生成氧合血紅蛋白（HbO）^［15］。

環(huán)節(jié)二 理論分析壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響

結(jié)合資料卡片，學(xué)生分析夏爾巴人能夠在高原地區(qū)生活的生物機(jī)制和化學(xué)機(jī)理（夏爾巴人肺部的P比低海拔地區(qū)的人高，有利于平衡正向移動(dòng)，生成的HbO比較多，當(dāng)血液流經(jīng)P低的組織時(shí)，HbO迅速解離，釋放出的O比較多，從而保證了氧氣需求），分析血液流經(jīng)高氧肺部和低氧組織時(shí)，氣體分子數(shù)的變化情況，由此歸納壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響規(guī)律（E）。

環(huán)節(jié)三 實(shí)驗(yàn)探究壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響

將體系的加壓和減壓類比于溶液的濃縮與稀釋，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究稀釋后黑枸杞水的顏色變化，進(jìn)而認(rèn)識(shí)到壓強(qiáng)是通過(guò)改變濃度，進(jìn)而影響速率和平衡（E、R、E-2）。在壓強(qiáng)和濃度間建立聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生從速率變化和濃度商角度分析壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響（E、E-2）。

環(huán)節(jié)四 深化認(rèn)識(shí)壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響

人體吸入的空氣中帶有大量的N，N并不參與氣體的交換，但可以起到避免肺泡塌陷的作用，最終會(huì)通過(guò)呼吸排出體外，學(xué)生思考N在恒溫恒容和恒溫恒壓兩種不同情況下對(duì)血紅蛋白氧合的影響（H、E、R、E-2）。課堂完成隨堂測(cè)試，學(xué)生課后向登高者提供預(yù)防措施和治療方案（E-2、T）。學(xué)生的預(yù)防措施和治療方案設(shè)計(jì)見圖7。

2.5.4 專題四 大概念的建構(gòu)

環(huán)節(jié)一 建構(gòu)化學(xué)學(xué)科大概念

基于濃度、溫度、壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響，引導(dǎo)學(xué)生歸納勒夏特列原理，形成學(xué)科內(nèi)大概念（E、R）。利用pH傳感器探究加酸后黑枸杞水中pH的變化，加深學(xué)生對(duì)勒夏特列原理中“減弱”一詞的理解（E）。pH的變化曲線見圖8。

環(huán)節(jié)二 建構(gòu)跨學(xué)科大概念

將勒夏特列原理的內(nèi)涵與生物學(xué)中的穩(wěn)態(tài)與平衡建立聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)跨學(xué)科大概念（E、O）。生物學(xué)實(shí)例^［16］如下：

（1） 人是恒溫動(dòng)物，在寒冷環(huán)境中，散熱加快，當(dāng)體溫低于正常體溫時(shí)，會(huì)增加產(chǎn)熱，例如發(fā)生機(jī)體戰(zhàn)栗，同時(shí)減少散熱，例如減少汗腺分泌，重新實(shí)現(xiàn)產(chǎn)熱和散熱的平衡。

（2） 人體缺水，如飲水不足、失水過(guò)多或吃太咸的食物，會(huì)使細(xì)胞外液滲透壓上升，引發(fā)大腦皮層產(chǎn)生渴覺(jué)，提醒人們?cè)黾铀臄z入量，同時(shí)會(huì)增強(qiáng)相關(guān)器官對(duì)水的重吸收，減少尿量，保留水分，恢復(fù)滲透壓的穩(wěn)定。

（3） 食物代謝產(chǎn)生的酸性或堿性物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)環(huán)境后，內(nèi)環(huán)境中的緩沖對(duì)會(huì)對(duì)其起緩沖作用，使內(nèi)環(huán)境的pH仍能維持在一定范圍內(nèi)。例如緩沖對(duì)HCO^-/HCO，其中碳酸氫鹽為抗酸成分，碳酸為抗堿成分。

學(xué)生完成勒夏特列原理的應(yīng)用和圖像的隨堂測(cè)試，課后基于本主題的學(xué)習(xí)，建構(gòu)化學(xué)平衡移動(dòng)分析的認(rèn)知模型，并進(jìn)行自我評(píng)估與反思（R、E-2、T）。

3 基于UbD模式的化學(xué)跨學(xué)科主題教學(xué)反思

本研究通過(guò)收集評(píng)估學(xué)生的關(guān)鍵證據(jù)和調(diào)查問(wèn)卷，發(fā)現(xiàn)跨學(xué)科教學(xué)由于內(nèi)容量、思考量偏大，可能會(huì)面臨學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷升高、未能有效聯(lián)系其他學(xué)科內(nèi)容的問(wèn)題。為了達(dá)成基于UbD模式的化學(xué)跨學(xué)科主題教學(xué)的有效性，可以從以下幾個(gè)方面入手。

3.1 跨學(xué)科內(nèi)容選取應(yīng)注意適切性

教師在跨學(xué)科教學(xué)中，不應(yīng)受知識(shí)的限制影響教學(xué)的開放度，不要將拓展知識(shí)作為活動(dòng)的主要目的，不要將基本要求以外的知識(shí)納入評(píng)價(jià)范圍^［17］。本文中，化學(xué)作為跨學(xué)科主題教學(xué)的中心學(xué)科，為了防止難度過(guò)大而給學(xué)生帶來(lái)額外的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)和心理壓力，其他學(xué)科內(nèi)容的選取應(yīng)注意適切性，建議從學(xué)生的舊知中尋找相關(guān)內(nèi)容，新知以“淺出深入”的形式出現(xiàn)，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)中心學(xué)科的深入理解和跨學(xué)科聯(lián)系的認(rèn)識(shí)。

3.2 預(yù)留靈活的調(diào)整時(shí)間

研究和經(jīng)驗(yàn)均表明，良好的反饋和善用反饋是獲得真正理解的最有效方法^［18］。如果希望學(xué)生獲得更高水平的學(xué)習(xí)成效，教師需要預(yù)留足夠的彈性時(shí)間以便作出靈活的調(diào)整，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)。在實(shí)際教學(xué)中，我們需要爭(zhēng)取學(xué)校的支持以獲取相對(duì)充裕靈活的時(shí)間，開展跨學(xué)科教學(xué)，盡量避免教師因既定教學(xué)安排出現(xiàn)提速而未提質(zhì)的現(xiàn)象，導(dǎo)致部分學(xué)生未能在“理解意義”的基礎(chǔ)上“實(shí)現(xiàn)遷移”。

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