跨學(xué)科主題單元“蘋果酒制作及品質(zhì)特性分析”的實踐研究

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，實現(xiàn)知識與生活的整合。本文通過架構(gòu)跨學(xué)科主題單元“蘋果酒制作及品質(zhì)特性分析”，使學(xué)生認(rèn)識到高中生物學(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)知識去解決真實問題，實現(xiàn)學(xué)科育人的價值。

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

文章編號：1003-7586（2024）02-0043-03 中圖分類號：G63391 文獻標(biāo)識碼：B

跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)是基于學(xué)生的知識基礎(chǔ)，圍繞某一研究主題，以某一學(xué)科課程內(nèi)容為主干，運用并整合其他課程的相關(guān)知識和方法，開展綜合性學(xué)習(xí)的過程。自然科學(xué)中的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等各門學(xué)科，在思想方法、基本原理、研究內(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)科知識如有機物、實驗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、實驗探究、社會責(zé)任等，是實現(xiàn)跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)的較優(yōu)組合。本文通過跨學(xué)科主題單元“蘋果酒制作及品質(zhì)特性分析”的實踐研究，使學(xué)生認(rèn)識到高中生物學(xué)與化學(xué)學(xué)科知識之間的聯(lián)系，并能夠有效地綜合不同學(xué)科所學(xué)的知識去解決真實問題，真正實現(xiàn)學(xué)科育人的價值。

1主題概述

1.1背景分析

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

“果酒和果醋的制作”是滬科教版《普通高中教科書生物學(xué)選擇性必修3生物技術(shù)與工程》中的實驗內(nèi)容。果酒的發(fā)酵是一個微觀的過程，伴隨著諸多生化指標(biāo)的變化。學(xué)生不禁產(chǎn)生疑問：蘋果酒的制作過程發(fā)生了哪些物質(zhì)變化？制作蘋果酒的裝置可以被進一步優(yōu)化從而實現(xiàn)控制有機反應(yīng)過程嗎？自制的蘋果酒品質(zhì)如何？基于以上真實情境中的實際問題，結(jié)合高中生物學(xué)和化學(xué)的相關(guān)知識，筆者設(shè)計了以“蘋果酒制作及品質(zhì)特性分析”為主題的跨學(xué)科主題單元，通過運用多學(xué)科知識、方法和思維解決真實問題。

1.2內(nèi)容分析

本跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)以“情境－問題－活動”為主線，依次提出“蘋果酒的制作原理是什么？”“如何制作蘋果酒？”“如何判斷自制蘋果酒的品質(zhì)？”3個核心問題。根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)策略對跨學(xué)科主題單元進行整合，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)對常見的有機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，科學(xué)探究的基本方法也基本掌握。而“蘋果酒制作及品質(zhì)特性分析”是真實情境中的實際問題，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)實踐相結(jié)合。如何運用這些跨學(xué)科的知識、技能和思維在復(fù)雜的真實情境中解決問題，是需要學(xué)生去實踐和挑戰(zhàn)的，也是檢驗學(xué)生核心素養(yǎng)是否達成的重要標(biāo)準(zhǔn)。

1.4資源分析

學(xué)校生物創(chuàng)新實驗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)的順利進行，教師可開發(fā)并提供相對應(yīng)的學(xué)習(xí)工具或?qū)W習(xí)資料，如文獻資料、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)計與對應(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)圍繞真實的問題展開，通過設(shè)置適切的學(xué)習(xí)任務(wù)，實現(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實施過程舉例

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

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

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

[活動]觀看演示實驗“不同供氧環(huán)境下酵母的呼吸方式”。

請學(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“無氧呼吸”的概念。

設(shè)計意圖：通過觀察演示實驗，學(xué)生分析歸納出有氧呼吸和無氧呼吸的產(chǎn)物，幫助學(xué)生從物質(zhì)轉(zhuǎn)變的角度認(rèn)識有氧呼吸和無氧呼吸。

[活動]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)模式圖畫在下發(fā)的白板上。請學(xué)生閱讀PPT上呈現(xiàn)的有氧呼吸過程的文字描述，并根據(jù)反應(yīng)場所將有氧呼吸分為兩個階段。同桌合作，一人對照文字描述有氧呼吸的過程，一人利用教師下發(fā)的寫好關(guān)鍵詞的磁力貼展示在剛才畫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)生完成簡單的“有氧呼吸”模型構(gòu)建后，再根據(jù)過程寫出有氧呼吸的總反應(yīng)式。

設(shè)計意圖：有氧呼吸的過程是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點和難點，單純地閱讀記憶很難引起學(xué)生的興趣。通過動手畫、動嘴說、動手貼等活動，多方位調(diào)動學(xué)生的積極性，通過構(gòu)建簡單的“有氧呼吸”模型，鍛煉學(xué)生的模型與建模思維。

[活動]觀看視頻“家庭自制葡萄酒”。

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

設(shè)計意圖：讓學(xué)生認(rèn)識到生物學(xué)知識來源于生活又服務(wù)于生活，為接下來蘋果酒的制作奠定基礎(chǔ)。

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

[情境]在悠久的歷史文化中，有關(guān)酒的古詩詞數(shù)不勝數(shù)，關(guān)于釀酒的傳說也很美。如：“濁酒一杯家萬里，燕然未勒歸無計”“綠蟻新醅酒，紅泥小火爐”“昨夜雨疏風(fēng)驟，濃睡不消殘酒”“野花紅碧自爭春，村酒酸甜也醉人”。

[問題]自制蘋果酒有哪些品質(zhì)特性？如何用化學(xué)實驗的方法來檢測這些性質(zhì)？

[活動]測定果酒的濁度

自制的果酒從外觀看很混濁，學(xué)生首先想到的是過濾。酒的澄清度也是衡量酒質(zhì)量的一個相當(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，請學(xué)生來測定果酒的濁度。

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

[活動]測定果酒的酒精含量

對于酒來說，酒精含量即酒的度數(shù)也是衡量酒質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。學(xué)生書寫果酒釀制中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，即酒精的來源。測定酒精的含量就是用數(shù)值來體現(xiàn)微觀變化。

設(shè)計意圖：結(jié)合生物學(xué)知識，用化學(xué)語言表示糖類變化過程。培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識和證據(jù)推理能力。

[活動]測定果酒的酸度

乙醇被氧化后會形成乙酸，同時一部分糖類也會形成酸，所以果酒中也含有一定量的酸。請同學(xué)們設(shè)計用多種方法測定果酒的酸度，以小組為單位設(shè)計實驗方法及實驗步驟。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過設(shè)計實驗方案，并進行比較，提高解決問題的能力。同時形成運用多學(xué)科知識解決真實問題的跨學(xué)科思維，發(fā)展核心素養(yǎng)。

5學(xué)習(xí)評價

跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)踐行促進學(xué)習(xí)的評估方式，包括過程性評價和總結(jié)性評價兩部分。過程性評價針對設(shè)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)而設(shè)計，用于檢驗學(xué)習(xí)進度并促進學(xué)生討論與反思，采用自評與師評結(jié)合的方法，如理論課主要通過收集學(xué)生的學(xué)案、練習(xí)題或課堂回答問題的表現(xiàn)進行評價，實驗課通過觀察學(xué)生動手實驗及實驗記錄的表現(xiàn)進行評價。總結(jié)性評價在跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)結(jié)束后，以研究報告書或主題學(xué)習(xí)匯報的形式進行，采用小組互評與師評結(jié)合的方法。

6實踐反思

生物學(xué)與化學(xué)作為兩門獨立的自然學(xué)科，有諸多重合的研究內(nèi)容，但出于學(xué)科特點，在學(xué)習(xí)的過程中呈現(xiàn)出不同的側(cè)重點。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。在進行跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)的過程中，就需要考慮到學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)策略的整合。“蘋果酒制作及品質(zhì)特性分析”的設(shè)計以生物學(xué)為主干，通過理論課與實驗課的結(jié)合完成蘋果酒的制作，化學(xué)主要以實驗課的形式完成蘋果酒的化學(xué)性質(zhì)分析。

跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)的實施也存在一定的困難，如時間的安排。蘋果酒的制作本身需要較長的發(fā)酵時間，同時需要協(xié)調(diào)生物學(xué)與化學(xué)的學(xué)習(xí)活動安排，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)活動之間的時間進度，充分利用好課前、課中和課后的時間開展跨學(xué)科主題單元學(xué)習(xí)。