基于“教、學(xué)、評”一體化的跨學(xué)科融合教學(xué)探究
——以“分子的手性”為例

沈玉勤|浙江省平湖中學(xué)

化學(xué)是一門在分子、原子水平上研究物質(zhì)的基礎(chǔ)學(xué)科，與其他學(xué)科存在著密切的聯(lián)系。但當(dāng)前的化學(xué)教學(xué)中仍存在缺少系統(tǒng)性思維的統(tǒng)領(lǐng)、缺少跨學(xué)科融合的目標(biāo)體系、評價體系與目標(biāo)不一致等問題，這就使學(xué)生在面對與其他學(xué)科相關(guān)聯(lián)的概念或問題時不能融會貫通，甚至覺得它們相互矛盾。

為解決這一問題，筆者基于《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“《課程標(biāo)準(zhǔn)》”）所倡導(dǎo)的“教、學(xué)、評”一體化理念，對跨學(xué)科融合教學(xué)的路徑進(jìn)行了探索。“教、學(xué)、評”一體化要求在整個教學(xué)系統(tǒng)中，教師的教、學(xué)生的學(xué)以及對學(xué)習(xí)結(jié)果的評價之間要協(xié)調(diào)配合，旨在實(shí)現(xiàn)所學(xué)即所教、所教即所評、所學(xué)即所評［1］。具體教學(xué)中，筆者以系統(tǒng)性思維為統(tǒng)領(lǐng)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，運(yùn)用物理、數(shù)學(xué)、生物等學(xué)科的知識和方法，共同指向要解決的化學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，使其在應(yīng)用和發(fā)展各學(xué)科知識的同時，提高處理現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜問題的能力，進(jìn)而系統(tǒng)掌握知識、提升學(xué)科核心素養(yǎng)，以下詳細(xì)闡述。

一、以化學(xué)系統(tǒng)性思維為統(tǒng)領(lǐng)

在化學(xué)教學(xué)中，要打破學(xué)科界限、整合知識，需要有化學(xué)系統(tǒng)性思維［2］。化學(xué)系統(tǒng)性，包括化學(xué)學(xué)科內(nèi)部的系統(tǒng)性以及化學(xué)與其他學(xué)科之間的系統(tǒng)性（其層級框架詳見圖1）。因此，化學(xué)系統(tǒng)性思維重視學(xué)科內(nèi)的重組以及跨學(xué)科的關(guān)聯(lián)，從整體的角度綜合思考目標(biāo)體系問題，強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的觀念。在系統(tǒng)性思維統(tǒng)領(lǐng)下實(shí)施教學(xué)，能幫助學(xué)生克服“學(xué)科孤立”的問題。

圖1 化學(xué)系統(tǒng)性層級框架

“分子的手性”首次出現(xiàn)于人教版普通高中教科書《化學(xué)》選擇性必修2《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》第二章第三節(jié)，選擇性必修3《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》中也有相當(dāng)部分的內(nèi)容有所涉及。手性的發(fā)現(xiàn)開啟了化學(xué)通向生命科學(xué)的大門，而發(fā)現(xiàn)手性的實(shí)驗(yàn)又依賴于物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科的知識。手性還體現(xiàn)了化學(xué)之美，可造福人類，對探究新領(lǐng)域也有啟示?！胺肿拥氖中浴毕嚓P(guān)內(nèi)容詳見圖2。

圖2“分子的手性”相關(guān)內(nèi)容

在具體展開“分子的手性”教學(xué)時，還會涉及技術(shù)要素、思政教育、美學(xué)素養(yǎng)等更多方面的內(nèi)容。

二、確定跨學(xué)科融合教學(xué)的目標(biāo)

目標(biāo)是課程的靈魂，是教學(xué)的關(guān)鍵?？鐚W(xué)科融合教學(xué)的目標(biāo)要與交叉學(xué)科的學(xué)習(xí)要求有機(jī)融合，而非簡單地羅列。因此，教師不但要清楚化學(xué)學(xué)科的要求，也要了解相關(guān)學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)，明確其他學(xué)科與化學(xué)相關(guān)聯(lián)的概念、知識和技能，實(shí)現(xiàn)和諧統(tǒng)一。該目標(biāo)還要在學(xué)生已有知識技能的基礎(chǔ)上統(tǒng)籌規(guī)劃，體現(xiàn)對跨學(xué)科知識、技能、思維的培養(yǎng)，指向具體的知識技能、素養(yǎng)達(dá)成等。

高中階段對“分子的手性”的教學(xué)要求并不高，《課程標(biāo)準(zhǔn)》對《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》中此部分內(nèi)容的要求是“結(jié)合實(shí)例初步認(rèn)識分子的手性對其性質(zhì)的影響”，對《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》此部分內(nèi)容的要求是“能說明立體異構(gòu)現(xiàn)象”。高中生物學(xué)教材雖然沒有對手性作出具體要求，但生物分子中的手性現(xiàn)象更為普遍，因此可以將生物學(xué)中的相關(guān)內(nèi)容納入化學(xué)中的“分子的手性”教學(xué)，以幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)知識?！胺肿拥氖中浴苯虒W(xué)也需要用到偏振光等，而物理學(xué)科對偏振光及其應(yīng)用有具體的教學(xué)要求。此外，“分子的手性”教學(xué)也涉及思政、歷史等學(xué)科。

根據(jù)上述分析，筆者在設(shè)計“分子的手性”跨學(xué)科融合教學(xué)時融入思政、人文、價值觀等教育，設(shè)定目標(biāo)，并厘清了相關(guān)跨學(xué)科知識，詳見表1。

表1 “分子的手性”跨學(xué)科融合教學(xué)的目標(biāo)及相關(guān)跨學(xué)科知識

三、建立跨學(xué)科融合教學(xué)的評價體系

“教、學(xué)、評”一體化的關(guān)鍵在于發(fā)揮“評”對“教”和“學(xué)”的導(dǎo)向和促進(jìn)作用。評價目標(biāo)與教學(xué)目標(biāo)應(yīng)保持一致性，既要依據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)置評價目標(biāo)，又要依據(jù)評價目標(biāo)開展評價活動、設(shè)定教學(xué)流程、展開教學(xué)活動。評價要有融合性、針對性、多樣性、多元性，要將診斷性評價、形成性評價和終結(jié)性評價相結(jié)合。除了重視教師對學(xué)生的評價外，還應(yīng)重視學(xué)生對教師的評價，以及學(xué)生自評、生生互評的有機(jī)結(jié)合。跨學(xué)科融合教學(xué)的評價體系詳見圖3。

圖3 跨學(xué)科融合教學(xué)的評價體系

根據(jù)以上原則，筆者基于“分子的手性”跨學(xué)科融合教學(xué)的目標(biāo)，確定其教學(xué)環(huán)節(jié)、評價目標(biāo)及評價方案，詳見表2。

表2 “分子的手性”跨學(xué)科融合教學(xué)的教學(xué)環(huán)節(jié)、評價目標(biāo)及評價方案

四、在真實(shí)情境下設(shè)計驅(qū)動任務(wù)，展開教學(xué)活動

依據(jù)教學(xué)目標(biāo)和評價目標(biāo)，選擇凸顯化學(xué)主體地位的真實(shí)情境，是跨學(xué)科融合教學(xué)的具體依托。教師要以教學(xué)目標(biāo)為起點(diǎn)和核心，先在與之對應(yīng)的評價體系上實(shí)施任務(wù)驅(qū)動，設(shè)置符合邏輯性、導(dǎo)向性、層次性、生成性且有利于學(xué)科融合的問題，再將評價任務(wù)拆分成小的任務(wù)，并根據(jù)學(xué)生在活動中的反饋不斷調(diào)整教、學(xué)、評的方式，從而推動教學(xué)目標(biāo)的有效達(dá)成。

在教學(xué)活動的設(shè)計上，教師要懂得“壓薄”，即精簡活動，減少對學(xué)生思維的限制，使學(xué)生的思維發(fā)展空間變大、活動形式更加多樣化，從而使學(xué)習(xí)的范圍“變寬”，更有利于實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科融合教學(xué)［3］。教師不僅要以培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)社會發(fā)展的能力為終極目標(biāo)，注意啟發(fā)學(xué)生的思維并使其向多元的方向延展，還要懂得留白，給學(xué)生留有自主發(fā)展提升的空間，使其達(dá)成學(xué)習(xí)能力的進(jìn)階、提升終身學(xué)習(xí)的能力。

“分子的手性”跨學(xué)科融合教學(xué)的具體環(huán)節(jié)如下。

【環(huán)節(jié)1】神奇的分子手性

［任務(wù)］認(rèn)識鏡像對稱和空間疊合的區(qū)別

情境：照鏡子，觀察右側(cè)戴花和不戴花、左右手的對稱性。

問題：鏡子中的“我”是不是我？

設(shè)計意圖：從宏觀生活小實(shí)驗(yàn)認(rèn)識鏡像對稱和空間疊合，診斷學(xué)生的空間判斷能力，為手性的認(rèn)識做好鋪墊。

【環(huán)節(jié)2】認(rèn)識分子的手性

［任務(wù)1］初識分子的手性

情境：學(xué)生搭建CHFClBr 分子模型，比較空間特點(diǎn)并嘗試疊合。

問題：（1）搭建的模型是不是同種分子？（2）能否將分子疊合？

設(shè)計意圖：通過實(shí)驗(yàn)自主探究，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)具有相同組成和空間結(jié)構(gòu)的分子無法在空間疊合，這與宏觀層面中左右手的關(guān)系類似，使其認(rèn)識到手性異構(gòu)體和手性分子的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步建立對手性分子的認(rèn)識。組織學(xué)生自評和互評，診斷和發(fā)展學(xué)生從實(shí)物模型到知識模型、從宏觀到微觀的認(rèn)識水平，幫助學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)。

［任務(wù)2］探究手性分子的形成條件

情境：學(xué)生搭建CH2ClBr 分子模型，比較空間特點(diǎn)并嘗試疊合。

問題：（1）互為鏡像對稱的CH2ClBr 分子能否疊合？（2）與CHFClBr 相比，CH2ClBr 在空間上有什么特點(diǎn)？（3）手性分子在組成和結(jié)構(gòu)上存在什么特點(diǎn)？

設(shè)計意圖：通過自主實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生逐步探究手性分子的形成條件，建立含一個碳原子的手性分子的模型，認(rèn)識到CH2ClBr 分子不具有手性是因?yàn)槠浞肿泳哂袑ΨQ面。此處不僅有抽象的化學(xué)知識，還能充分調(diào)動學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。教師參與到活動中，與學(xué)生一起探討、歸納和補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)互相評價。診斷和發(fā)展學(xué)生利用模型認(rèn)識微觀結(jié)構(gòu)的科學(xué)探究意識，發(fā)展學(xué)生從個別到一般的證據(jù)推理能力以及從現(xiàn)象到結(jié)構(gòu)的模型認(rèn)知素養(yǎng)。

［任務(wù)3］認(rèn)識常見的手性分子，再探手性碳原子和手性分子

情境：（1）展示甘氨酸、丙氨酸、乳酸、甘油醛的結(jié)構(gòu)；（2）以圖片和視頻的形式展示酒石酸鹽晶體結(jié)構(gòu)；（3）閱讀巴斯德首次發(fā)現(xiàn)分子的手性并手工分離兩種晶體的科學(xué)史。

問題：（1）這些常見的有機(jī)物質(zhì)是否具有手性？用“*”標(biāo)出其中的手性碳原子；（2）酒石酸鹽晶體屬于對映異構(gòu)體嗎？

設(shè)計意圖：以生物學(xué)中常見的物質(zhì)為例，既融合了有機(jī)化學(xué)部分的知識，也結(jié)合了生物學(xué)的知識。讓學(xué)生思考后在黑板上演示，引導(dǎo)生生互評。診斷并強(qiáng)化學(xué)生對手性碳原子和手性分子的理解和判斷，使其將含一個碳原子的手性特點(diǎn)拓展到含多個碳原子的分子，認(rèn)識到晶體也有手性，從而完善認(rèn)識模型，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的深化。

［任務(wù)4］認(rèn)識手性分子的性質(zhì)

情境：（1）觀看酒石酸鹽旋光性的實(shí)驗(yàn)視頻；（2）肌肉運(yùn)動和糖類發(fā)酵產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的乳酸。

問題：（1）手性分子具有哪些特別的性質(zhì)？（2）這些性質(zhì)與什么相關(guān)聯(lián)？

設(shè)計意圖：以實(shí)例說明手性分子能使偏振光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，手性分子的產(chǎn)生與生命活動有關(guān)，利用了旋光儀的測定技術(shù)，結(jié)合了偏振光的相關(guān)知識和生物活性問題。讓學(xué)生充分討論后表達(dá)自己的觀點(diǎn)，并通過生生互評和師生互評得出結(jié)論。調(diào)動學(xué)生的多學(xué)科知識，診斷并發(fā)展學(xué)生的歸納和科學(xué)探究能力，發(fā)展結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的科學(xué)觀，促進(jìn)知識在學(xué)科間的融會貫通。

［任務(wù)5］知道手性分子的簡單命名

情境：知識拓展：以CHFClBr 為例介紹絕對命名法，以甘油醛、葡萄糖為例介紹相對命名法。

問題：結(jié)合模型，你認(rèn)為乳酸分子名稱中D、L的含義是什么？

設(shè)計意圖：結(jié)合模型，知道兩種常見的手性命名，知道有機(jī)化學(xué)、生物學(xué)中常見分子名稱的含義，診斷并發(fā)展學(xué)生的知識遷移能力。

［任務(wù)6］綜合判斷手性碳原子和手性分子

情境：展示酒石酸的結(jié)構(gòu)簡式，并簡單介紹R-S命名法。

問題：（1）用“*”標(biāo)出手性碳原子；（2）酒石酸可能有哪些光學(xué)異構(gòu)體？（3）這些光學(xué)異構(gòu)體中哪些互為對映異構(gòu)體？（4）這些手性碳原子使偏振光的偏轉(zhuǎn)一致嗎？

設(shè)計意圖：通過層層深入的問題驅(qū)動，經(jīng)過分組討論、書寫及師生共同探討，引導(dǎo)學(xué)生判斷含多個碳原子的分子的手性問題，簡單認(rèn)識外消旋體和內(nèi)消旋體。診斷并提升知識遷移能力，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的觀念、運(yùn)用模型解釋化學(xué)問題的能力，并在不斷打破原有“分子的手性”模型的基礎(chǔ)上建立更完善的認(rèn)知模型，推動深度學(xué)習(xí)。

【環(huán)節(jié)3】用好分子的手性

［任務(wù)1］理解手性分子發(fā)現(xiàn)的重要意義

情境：（1）“反應(yīng)?！钡纳鐣栴}；（2）“化學(xué)史上最美實(shí)驗(yàn)”與巴斯德介紹。

問題：（1）沙度利安有沒有對映異構(gòu)體？（2）通過“反應(yīng)停”事件，你能認(rèn)識到什么問題？（3）如何看待巴斯德的實(shí)驗(yàn)位居“化學(xué)史上最美實(shí)驗(yàn)”之首？

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生交流評價“反應(yīng)?！笔录J(rèn)識到巴斯德發(fā)現(xiàn)手性對人類社會的重要意義，通過巴斯德的事跡，認(rèn)識科學(xué)家偉大品格的魅力。新的認(rèn)識模型在此處得以應(yīng)用。診斷并發(fā)展學(xué)生從化學(xué)理論遷移到具體應(yīng)用的能力，讓學(xué)生體會化學(xué)之美，提升學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任感，使學(xué)生樹立用科學(xué)服務(wù)人類的信念。

［任務(wù)2］認(rèn)識不對稱催化的重要意義和前景

情境：（1）與學(xué)生互動握手；（2）2001 年諾貝爾化學(xué)獎介紹；（3）周其林及其團(tuán)隊(duì)?wèi){借“高效手性螺環(huán)催化劑的發(fā)現(xiàn)”獲得了2019 年度國家自然科學(xué)獎一等獎。

問題：（1）若有機(jī)合成產(chǎn)物同時有左旋和右旋產(chǎn)物，會造成什么問題？（2）為什么握手的時候都用右手？能不能是右手和左手？（3）通過握手，給我們在手性合成中帶來怎樣的靈感？

設(shè)計意圖：診斷并評價學(xué)生對綠色化學(xué)的理解；通過與學(xué)生互動，引導(dǎo)學(xué)生將催化劑的專一性以及生物學(xué)中酶催化的鎖鑰原理遷移到使用手性催化劑實(shí)現(xiàn)高效不對稱合成技術(shù)中，使新建認(rèn)識模型進(jìn)一步得以應(yīng)用。診斷和提升學(xué)生的知識遷移融合能力和問題解決能力，發(fā)展創(chuàng)新精神，增強(qiáng)民族自信。

【環(huán)節(jié)4】再識分子的手性

［任務(wù)1］宏微結(jié)合再識手性

情境：（1）圖片展示地球的旋轉(zhuǎn)，海螺，纏繞的藤蔓，石英螺旋鏈和石英的左、右型晶體，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；（2）再次照鏡子觀察。

問題：（1）通過這節(jié)課，你獲得了哪些新的知識？（2）再次歸納，什么樣的物質(zhì)具有手性？（3）“我”有沒有手性因素？鏡子中的“我”是不是我？

設(shè)計意圖：通過交流討論，展開生生互評、師生互評，從宏微結(jié)合的角度歸納總結(jié)手性知識。手性的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)的不對稱，導(dǎo)致三維空間無法疊合?！胺肿拥氖中浴闭J(rèn)識模型得以進(jìn)一步完善。診斷并提升學(xué)生的總結(jié)歸納能力和模型建構(gòu)水平，首尾呼應(yīng)，從不同角度判斷手性問題，并引發(fā)哲學(xué)思辨。

綜上，“分子的手性”實(shí)際應(yīng)用廣泛，涉及化學(xué)與其他學(xué)科的諸多方面。筆者基于“教、學(xué)、評”一體化實(shí)施跨學(xué)科融合教學(xué)，以系統(tǒng)性思維為統(tǒng)領(lǐng)，使學(xué)生從多元化的視角“發(fā)現(xiàn)→認(rèn)識→完善→應(yīng)用‘分子的手性’”，既使學(xué)生掌握了陌生知識，建立了認(rèn)識新事物的一般模型，又使學(xué)生梳理了已有認(rèn)識并學(xué)以致用，實(shí)現(xiàn)了知識、能力、素養(yǎng)的共同提升。