跨學(xué)科主題教學(xué)的探索*
——以一節(jié)“新冠疫情”主題課為例

張 弛 王亞玲

高中階段雖是分科教學(xué)為主，但我們理科教師的著眼點不應(yīng)僅僅停留于本學(xué)科的核心素養(yǎng)上，物理、化學(xué)、生物乃至數(shù)學(xué)學(xué)科都應(yīng)該注重培育學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。所以，在“新冠疫情”尚未結(jié)束的當(dāng)下，基于病毒和疫情開展相關(guān)跨學(xué)科主題式教學(xué)活動是必要的也是可行的。本次教學(xué)活動設(shè)計的主要內(nèi)容和流程如下。

一、關(guān)于病毒

1.化學(xué)屬性。

【知識介紹】引起此次疫情的病毒的叫作“2019 新型冠狀病毒”，屬單鏈RNA 病毒；病毒顆粒呈圓形或者橢圓形，直徑60～140 nm。

【提問】病毒的物質(zhì)基礎(chǔ)或者說本質(zhì)是什么？這個大小的顆粒如果做成材料，屬于什么材料？病毒有沒有可能被用于醫(yī)藥？

（設(shè)計意圖：從某種意義上說，病毒是聯(lián)結(jié)化學(xué)與生命科學(xué)的一種特殊原始生命體和物質(zhì)，也是培養(yǎng)學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)的很好素材。病毒顆粒是納米級顆粒，而納米材料是近年科技領(lǐng)域的明星，將二者聯(lián)系起來讓學(xué)生“遐想”是否可用于醫(yī)藥，可引導(dǎo)他們關(guān)注科學(xué)前沿，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識、思維發(fā)散能力。而病毒的“兩面性”也可以幫助學(xué)生形成辯證思維，學(xué)會一分為二地看問題。）

2.結(jié)構(gòu)。

【提問】冠狀病毒名稱的由來是否跟外形、結(jié)構(gòu)有關(guān)？我們能否通過光學(xué)顯微鏡來觀察？如果不能，可以借助哪些方法、手段來觀察？

【活動】復(fù)習(xí)原子光譜相關(guān)知識，辨析不同顏色光的波長；引導(dǎo)學(xué)生回憶X-射線衍射儀的相關(guān)功能；介紹我國科學(xué)家對電子顯微鏡的運(yùn)用成果。

（設(shè)計意圖：病毒作為特殊的物質(zhì)，有其內(nèi)在的結(jié)構(gòu)。此處的探討涉及“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊中原子光譜、晶體結(jié)構(gòu)探測常見方法等知識，強(qiáng)化了知識的應(yīng)用和遷移。而對我國科學(xué)家在電子顯微鏡應(yīng)用方面的介紹，可以借機(jī)進(jìn)行愛國主義教育。）

3.傳播。

【提問】新冠病毒傳播的途徑可能包括直接傳播、接觸傳播和氣溶膠傳播等。那么，什么是氣溶膠傳播？病毒為何能形成氣溶膠？請根據(jù)所學(xué)知識解釋。

【活動】復(fù)習(xí)必修模塊的“交叉分類法”，鞏固9 種分散系并加以舉例。讓學(xué)生認(rèn)識到，若分散劑為氣體，分散質(zhì)粒子大小處于膠體范圍內(nèi)，則形成氣溶膠。

【知識介紹】經(jīng)傳播后，病毒為何能感染人？這首先需要病毒（刺突蛋白）與人體胞蛋白之間發(fā)生作用。

【提問】其作用力到底是什么？這些作用力的特點是什么？

引導(dǎo)學(xué)生從氫鍵、范德華力和化學(xué)鍵三個方面進(jìn)行分析，同時介紹可逆性吸附、不可逆性吸附以及RNA病毒的二、三級結(jié)構(gòu)。

（設(shè)計意圖：根據(jù)我們的教學(xué)經(jīng)驗，學(xué)生對膠體的認(rèn)識一般都局限在液溶膠上，借助病毒傳播氣溶膠機(jī)理的討論，可以起到溫故知新的作用。病毒在感染的機(jī)理方面又源于微觀不同的作用力方式，這些都涉及豐富的化學(xué)知識，這些討論有利于幫助提升學(xué)生的“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)。）

二、關(guān)于消毒

【知識介紹】據(jù)資料，新冠病毒對熱敏感，在56℃保持30 分鐘即可滅活，另外，乙醚、75%濃度的乙醇、含氯消毒劑、過氧乙酸和氯仿等脂溶劑均可對其進(jìn)行有效滅活。

1.高溫消毒。

【提問】高溫消毒的原理是什么？是否只有56℃以上才具有消毒效果？消毒效果與溫度是什么關(guān)系？在消毒溫度調(diào)控方面是否有上限？溫度與消毒速率之間的關(guān)系可以用數(shù)學(xué)方法來表達(dá)嗎？

【活動】學(xué)生繪制自己所理解的“溫度—消毒速率關(guān)系曲線圖”。

2.酒精消毒

【知識介紹】乙醇也是常見的消毒劑，它的消毒原理是使細(xì)菌、病毒的蛋白質(zhì)脫水變性而凝固。

【提問】根據(jù)剛才對消毒溫度的分析，乙醇的消毒效果是不是也與其濃度呈正相關(guān)呢？有沒有什么無機(jī)反應(yīng)可與不同濃度酒精消毒效果不同的現(xiàn)象作類比？（預(yù)設(shè)：不使用硫酸與石灰石反應(yīng)制取二氧化碳，是因為生成的硫酸鈣是微溶的，會覆蓋在固體表面阻止反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生。）

3.其他消毒方法。

【提問】剛才還提及其他的一些消毒劑，你們能大致分析下相應(yīng)的消毒原理嗎？（預(yù)設(shè)：乙醚、氯仿等都是常見有機(jī)溶劑，它們可以通過溶解的方法破壞病毒的結(jié)構(gòu)，而含氯消毒劑、過氧乙酸等具有較強(qiáng)的氧化性，也可使蛋白質(zhì)變性。）

（設(shè)計意圖：病毒的物質(zhì)屬性是蛋白質(zhì)，學(xué)生已學(xué)習(xí)過破壞蛋白質(zhì)的思路和方法，所以此處的高溫、消毒劑等方法的消毒機(jī)理學(xué)生是可以自行得出的，有關(guān)實例分析學(xué)生也完全可以給出自己“專業(yè)”的解答。如此訓(xùn)練了他們的推理、判斷能力，有助于提升他們“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”方面的素養(yǎng)。此外，溫度與消毒時間之間關(guān)系的討論，還涉及生物、物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識。這些都是對跨學(xué)科的理科綜合能力的鍛煉，也指向了學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)精神與社會責(zé)任”等素養(yǎng)。）

三、關(guān)于醫(yī)藥

如果說消毒主要是針對外界環(huán)境、媒介所采取的消滅病毒的措施，那么針對人體環(huán)境就要輪到醫(yī)藥登場了。

1.西醫(yī)。

【知識介紹】針對此次疫情，有不少西藥進(jìn)入了臨床實驗，利托那韋就是其中之一，Bellani 等則在合成利托那韋時使用到了一種原料叫纈氨酸。（見圖1［1］）

【討論】①該物質(zhì)的分子式為____，分子中的手性碳原子____有____個。

②該物質(zhì)所包含的官能團(tuán)有____和____，同時擁有這兩個官能團(tuán)所具備的基本性質(zhì)叫作____，同時擁有這兩個官能團(tuán)的同分異構(gòu)體（不含自身、不考慮立體異構(gòu)）的數(shù)量有____種。

③該物質(zhì)兩個分子間發(fā)生交叉脫水所形成的環(huán)狀二肽中的環(huán)為____元環(huán)。

（設(shè)計意圖：藥物化學(xué)是化學(xué)的重要分支，也是化學(xué)學(xué)科價值具體體現(xiàn)的途徑。經(jīng)查閱有關(guān)資料，針對新冠病毒的大多數(shù)藥物的分子結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，超出了多數(shù)中學(xué)生的認(rèn)知。但我們還是可以以其中某些藥物的原料或者中間體為研究對象，分析其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等問題，從而讓生物、醫(yī)學(xué)問題成為真正的化學(xué)問題，訓(xùn)練他們解決實際問題的能力和知識遷移能力。）

圖1 纈氨酸分子結(jié)構(gòu)

2.中醫(yī)。

習(xí)近平總書記曾指出中醫(yī)是中國古代科學(xué)的瑰寶，也是打開中華文明寶庫的鑰匙。在此次新冠病毒感染的肺炎疫情中，中醫(yī)也發(fā)揮了十分積極的作用。國家衛(wèi)生健康委員會還推出了《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案》，其中特別強(qiáng)調(diào)了“中醫(yī)治療”辯證性的指導(dǎo)意見，各地在實際使用中效果也良好。

【提問】中醫(yī)在中國土地上傳承了數(shù)千年，許多前輩舍命嘗百草，為后人留下寶貴經(jīng)驗，這體現(xiàn)了怎樣的精神？中醫(yī)的基本理念有“糾偏”“正氣存內(nèi)，邪不可干”，你怎么理解“糾偏”和“正”？俗話說“是藥三分毒”，如何看待這個問題？

（設(shè)計意圖：對于中醫(yī)的價值，有人的確有疑惑。通過對相關(guān)問題的探討，學(xué)生可以體會到中醫(yī)也是唯物的，是經(jīng)過實踐檢驗的，其中蘊(yùn)含了平衡觀、辯證觀，是深刻的智慧，作為中國人，要有自己的文化自信。以上相關(guān)問題的辨析有利于培養(yǎng)學(xué)生的“證據(jù)推理”能力和素養(yǎng)。事實上，中醫(yī)、西醫(yī)各有所長，我們應(yīng)鼓勵學(xué)生立志學(xué)好傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)，使之更完美地融合，更好地造福人類，形成應(yīng)有的“科學(xué)精神與社會責(zé)任”。）

四、拓展活動

1.關(guān)于防護(hù)。

【提問】此次疫情最重要的防護(hù)手段之一就是戴口罩。熔噴布是口罩中最核心的材料，它的主要成分是聚丙烯。你覺得它應(yīng)該屬于哪類材料，具有怎樣的性質(zhì)？如何驗證它的性質(zhì)？

【活動】①判斷口罩質(zhì)量的指標(biāo)包括口罩的呼吸阻力、過濾效率和適配性等。［2］學(xué)生分組討論設(shè)計實驗，用于判斷口罩的呼吸阻力性能。（見圖2）（預(yù)設(shè)：設(shè)計透風(fēng)實驗，將口罩套緊功率恒定電吹風(fēng)的出風(fēng)口，開啟冷風(fēng)檔，在正前方豎直放置毛發(fā)或者紙張漸漸向電吹風(fēng)靠近，當(dāng)毛發(fā)或者紙張恰好可被吹彎時測量此時的距離，距離越遠(yuǎn)則說明透氣性能越好。）

②醫(yī)用防護(hù)口罩含有疏水層，是不允許透水、也不允許通過病毒氣溶膠的，分組討論設(shè)計簡單的透水性實驗，驗證其過濾性能。

③探究口罩的種類、使用范圍、結(jié)構(gòu)組成、可以過濾的物體、防護(hù)的原理、重復(fù)利用的效果，設(shè)計、制作一些實用的防毒裝置。

（設(shè)計意圖：幫助學(xué)生了解一些有用的公共衛(wèi)生知識，通過設(shè)計實驗來探究口罩的質(zhì)量等問題，可以鍛煉他們解決實際問題的能力，培養(yǎng)他們“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的素養(yǎng)。）

2.藝術(shù)欣賞。

播放筆者在所任教學(xué)校牽頭成立的原創(chuàng)音樂工作室的原創(chuàng)歌曲《自然》，基于此疫情，強(qiáng)調(diào)我們對待大自然應(yīng)有的態(tài)度。

【活動】課后請學(xué)生基于此次活動，模仿化學(xué)版《青花瓷》等作品，為自己喜歡的歌曲重新填寫化學(xué)版的歌詞。

（設(shè)計意圖：藝術(shù)有其特殊的感染力，能起到特別的教育效果。歌曲《自然》符合當(dāng)前對疫情反思的主題，能喚醒人們珍愛自然的意識。給歌曲填詞的活動還有利于學(xué)生人文素養(yǎng)與科學(xué)素養(yǎng)的同步發(fā)展。）

圖2 口罩透風(fēng)性實驗示意圖

總的來說，此次活動是教育和學(xué)科教學(xué)雙重視角的一次主題式教學(xué)活動。從教育層面來說，是通過探究、反思和情境渲染來培養(yǎng)學(xué)生的愛心、同情心，形成使命感、社會責(zé)任感，幫助他們樹立學(xué)好科學(xué)知識、將來回饋社會、造福人類的志向。從學(xué)科教學(xué)層面來說，主要是探析和挖掘涉及病毒和疫情的化學(xué)學(xué)科知識，引導(dǎo)他們運(yùn)用這些知識去解釋相關(guān)現(xiàn)象和問題，提高他們聯(lián)系生活實際的能力和解決實際問題的能力，提升他們的化學(xué)核心素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)。

筆者認(rèn)為，學(xué)生擁有較高素養(yǎng)水平的重要表征就是具備了相應(yīng)的必要觀念，在這些觀念的指導(dǎo)下，他們能夠正確合理地解釋、解決所面對的各種實際問題。就此次活動而言，涉及的觀念有：物質(zhì)觀、微粒觀、結(jié)構(gòu)觀、運(yùn)動觀、轉(zhuǎn)化觀、平衡觀、辯證觀、自然觀、生命觀、大科學(xué)觀（指向綜合科學(xué)素養(yǎng)）等，具體例證、闡釋可見圖3。

圖3 主要觀念圖

當(dāng)然，這些觀念有的屬于化學(xué)學(xué)科的基本觀念，有的屬于更廣范疇的自然科學(xué)觀念，有的還屬于哲學(xué)觀念，而且這些觀念也并非是孤立的，而是存在相互依賴、相互支撐等關(guān)系。希望筆者的上述思考能為同行創(chuàng)造性地開展相關(guān)的主題活動提供借鑒。