基于DIS傳感技術的高中生、化跨學科融合教學案例研究

楊林春

摘要：高中化學 的“水溶液中的離子平衡”可以很好地解釋高中生物中的“人體內環(huán)境維持pH穩(wěn)定的機制”， 利用DIS傳感技術和化學平衡的知識相結合可以很好地呈現(xiàn)和解釋體液調節(jié)的過程，不僅可以加深學生對生物學科問題的理解與認識，還可以提升學生對化學知識的應用遷移能力。通過本節(jié)課的跨學科融合教學，以期引導學生在學習過程中學會多學科融合分析解決問題，提升綜合能力，發(fā)展學習思維，學科的核心素養(yǎng)得到培養(yǎng)。

關鍵詞：高中生化? DIS傳感技術? 跨學科融合

2017 年《普通高中化學課程標準》（以下簡稱新課標）指出：“化學是一門交叉學科，高中化學跨學科融合教學案例設計與實踐研究與材料、資源、能源、生態(tài)、環(huán)境、生命、醫(yī)藥、軍事國防，以及信息技術都有很強的交叉融合?！?[1]新課標要求培養(yǎng)的化學學科五大核心素養(yǎng)也具有明顯的跨學科性質。學生需要具備多角度思考問題、綜合運用多學科知識解決問題的能力。因此，在中學教育中實施跨學科教學是非常有必要的。

DIS傳感技術作為物理、化學、生物學科的傳統(tǒng)實驗的輔助和補充，可以很好地解決一些高中階段的難點問題，所以基于DIS傳感技術開發(fā)一些跨學科融合的教學內容，解決一些學科間交融的難點問題具有很重要的意義。

一、DIS傳感技術的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的化學實驗無法實現(xiàn)對一些較為復雜的、微觀的、定性的實驗進行探究和表征。而DIS傳感技術具有安全、方便、快捷、精確、具體、直觀等特點，對傳統(tǒng)實驗的欠缺給予了很好的輔助和補充。DIS傳感器可以很好地將一些微觀過程中的多個變量數(shù)據(jù)化、圖像化，通過定量實驗的方式將化學原理中的一些傳統(tǒng)實驗無法表征且抽象的問題更為直觀地展現(xiàn)給學生，使學生的認知過程由識和記轉變?yōu)樽灾鹘?，從而達到很好的學習效果。

二、跨學科融合教學的基本內容

郭統(tǒng)認為：跨學科融合理念下的高中化學教學實踐研究指的是以化學教學目標為基礎，以化學知識為主線，跨越學科界限，將其他學科知識有機融合到化學學科中，培養(yǎng)學生綜合多學科知識解決問題的意識和能力。[2]

有時候針對單一學科的某一問題的深入研究，需要其他學科的知識引入才能加以突破，這一點在生物學科和化學學科之間的學科交叉表現(xiàn)得尤為明顯。例如高中生物中的“氨基酸及其種類、蛋白質結構”與化學中的“化學鍵、氫鍵”知識交融，“ATP的結構、ATP與ADP的相互轉化”與“化學鍵、能量的轉化、可逆反應”知識交融，諸如此類的知識交叉點很多。如果通過跨學科知識融合，勢必會加深學生對學科問題的理解，同時學生綜合多學科知識解決問題的能力也會得到相應的提升。

三、基于DIS傳感技術的高中生、化跨學科融合教學案例研究

（一）教學內容的選擇

高中化學中的“水溶液中的離子平衡”與高中生物中的“人體內環(huán)境穩(wěn)定與重要性”學科內容之間有交叉。利用水溶液中的離子平衡知識來解釋人體內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，不僅很好地強化了學生對離子平衡的理解，而且更為深刻地理解了人體內環(huán)境的穩(wěn)定性。

（二）以“水溶液中的離子平衡”與“人體內環(huán)境維持pH穩(wěn)定的機制”為例

1.教學目標

（1）會用離子平衡的知識解釋人體體液調節(jié)機制，培養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)。

（2）利用DIS傳感技術探究緩沖溶液的緩沖能力，培養(yǎng)科學探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。

（3）通過跨學科融合教學，夯實單一學科知識的理解力，提升綜合分析問題、解決問題的能力。

2. 教學設計

【創(chuàng)設情境】呈現(xiàn) “新冠病毒防疫”圖片，引入一個家庭的體溫檢測結果，引導學生從以下幾個方面進行思考。

正常人的體溫有什么特點？人的體溫能否維持在一個相對穩(wěn)定的范圍？

分析血液檢查化驗單，發(fā)現(xiàn)健康人體內環(huán)境的每一項成分和理化性質都處于動態(tài)平衡中。

【提出問題】那么人體內環(huán)境的pH是如何維持相對穩(wěn)定的呢？

【自主探究】對比普通水與H2CO3和NaHCO3組成的混合溶液的抗酸堿能力有多大差異。

實驗儀器：燒杯、pH傳感器。

實驗試劑：自來水、0.1moL/L的NaOH、0.1moL/L的HCl、H2CO3和NaHCO3混合溶液（pH=7.4）。

實驗步驟：（1）在自來水和H2CO3和NaHCO3混合溶液分別加入HCl和NaOH溶液，利用pH傳感器測定其pH的變化；（2）將H2CO3和NaHCO3混合溶液進行有限稀釋，利用pH傳感器測定其pH的變化。

實驗結論：（1）H2CO3和NaHCO3混合溶液中加入少量的酸和堿時，pH變化不大；（2）自來水中加入酸堿物質后，pH變化幅度非常大。

總結：由H2CO3和NaHCO3組成的混合溶液，具有抵抗少量的外加強酸、強堿或者在有限量稀釋時，可保持pH基本不變的能力，這樣的溶液稱為緩沖溶液。

【合作交流】呈現(xiàn)資料：血液當中含有H2CO3和NaHCO3在維持血液 pH值穩(wěn)態(tài)中起著重要的作用；試從化學平衡的角度分析在混合溶液中加入少量的酸或者少量的堿時，溶液pH是如何變化的？

在血液中存在的電離如下：

H2CO3?H+ +HCO-3 ①；NaHCO3=Na++ HCO-3? ②；

當血液中進入少量酸時，H+會和大量的HCO-

3 結合生成H2CO3 ，H2CO3分解產(chǎn)生H2O和CO2，CO2由肺部排出，使血液中H+濃度變化不大；當血液中進入少量堿時， OH-會和血液中的H+結合成H2O。H+被消耗，血液中大量的H2CO3就立即電離出H+來補充，生成的NaHCO3由腎臟排出使血液pH值升高并不明顯。

【總結反思】（1）體液中的離子平衡是維持生物體pH穩(wěn)定的重要原因。（2）當體液中的pH超出范圍，出現(xiàn)不同程度的酸中毒或堿中毒。

【應用遷移】資料顯示：在血液中其實還存在著H2PO-

4/ HPO2-4? ，它也是人體血液中含有的緩沖系；請解釋這對緩沖液在維持血液pH時是如何發(fā)揮作用的。

（三）總結與反思

本節(jié)課不僅將化學知識應用遷移到了實際生活問題的分析與解決上，還從化學平衡的角度深入探討了人體內環(huán)境血液中pH維持相對穩(wěn)定的機制。學生初步體驗了在解決學科交叉問題時跨學科融合的重要性，感受了DIS傳感技術的方便、直觀與快捷。通過本案例跨學科融合教學不僅改變了單一的教學模式，而且融入先進的科學知識和信息技術，有利于激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，幫助學生逐漸建立科學的思維方法和能力，促進學生的綜合發(fā)展。[3]

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017 年版） [S].北京：人民教育出版社，2018：45.

[2] 郭統(tǒng).高中化學跨學科融合教學案例設計與實踐研究 [D].河南大學，2020.

[3] 陶忠華.跨學科融合視閾下的高中生物學課例探析[J].生物學教學，2018（43）：31.