基于诊断能力发展的“单糖与多糖转化”项目式教学

朱汝葵 周欢

【摘要】本文基于项目式教学法理论，以“二氧化碳合成淀粉”教学为例，从项目主题内容的分析、项目目标的确定、项目任务的设计、项目教学的实施、项目教学的评价等5个方面，论述项目式教学法在化学课程教学中的具体应用，同时对项目式教学法的应用实践进行反思。

【关键词】项目式教学法 二氧化碳合成淀粉

诊断能力 单糖与多糖转化

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）14-0104-05

所谓项目式教学，就是以学生为中心，通过联系真实的生活、生产情境设计学习项目任务，指导学生以小组合作的形式开展学习、解决问题的教学方式。本文以“二氧化碳合成淀粉”教学为例，具体论述基于能力诊断的“单糖与多糖转化”项目式教学的设计与实施。

一、项目主题内容的分析

淀粉（C6H10O5）n是最常见的多糖，是植物光合作用的主要产物之一，是动植物生存能量的主要来源。在自然界中，淀粉的产生是一个极漫长、复杂的过程，涉及水在阳光下的分解、高能化合物ATP的形成与还原、二氧化碳的固定、C3与C5的转化等60多个环节的生化反应，但近年来我国科学家通过11步反应便成功合成了淀粉（如图1所示）。本文以“二氧化碳合成淀粉”的教学为为例，引导学生充分了解国家新科技，促进学生化学学科核心素养的发展。教学中，首先让学生观看我国科学家利用二氧化碳合成淀粉的新闻及相关视频，初步认识“单碳化合物→三碳糖→六碳糖→淀粉”的合成过程;其次，通过引导学生分析六碳糖的官能团，预测单糖可能具有的性质;再次，通过引导学生分析淀粉合成路线，学习“淀粉由葡萄糖分子组合形成”这一知识，并结合相关材料推测淀粉的水解产物;最后，引导学生设计实验，验证猜想。

二、项目教学目标的确定

（一）确定项目教学目标的依据

根据《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称化学课程标准）的要求，在化学必修模块学习中学生应能辨识有机物中的官能团，能从化合物性质的角度讨论与人类健康、环境相关的实际问题;在选择性必修模块学习中学生应能简单分析淀粉的合成路线，能够探究葡萄糖的结构和性质等。要实现这些教学目标，化学课程标准倡导实施基于核心素养培养的教、学、评一体化课堂教学，并及时评价学生在不同学习阶段的核心素养发展情况。

根据教学内容和知识特点分析，“糖类”知识点虽然不是高考考查的重点，但“糖”作为生命活动的基本营养物质，与人类生活、生命息息相关，贯穿于化学学科学习的始末，是引导学生关注生活与社会的重要教学知识点之一，具有较好的育人价值。因此，在教学中教师要重视“糖”的知识的教学，创设真实的生活与问题情境，为学生学习有机化合物知识提供科学的引导。

根据教学重、难点的分析，“糖类”知识的学习应遵循有机化合物的学习方法，即以学习糖类物质的结构、性质及性质的验证为主。但对学生而言，在陌生情境中探究有机化合物的结构与性质是比较困难的。因此，教师在施教前要明确如下教学重点、难点：重点应为分析葡萄糖与果糖的结构及其性质，了解淀粉的水解;难点应为掌握葡萄糖和果糖结构的确定方法。

（二）项目教学与评价目标的设计

据上文对教学目标确定依据的分析，教师设计了本课的教学目标：①能够绘制淀粉合成路线简图并能做简单的分析;②了解常见的有机化合物结构的确定方法;③掌握葡萄糖和淀粉的性质及其特征反应。同时，确定了课程评价的目标：①通过从官能团分析的角度预测单糖的性质以及特征反应，培养学生的“结构决定性质”化学学习观念;②通过设计实验方案并验证淀粉的水解产物及程度，诊断并发展学生的证据推理能力与科学探究素养;③通过分享交流让学生认识二氧化碳合成淀粉的重要意义，逐渐认识化学的重要作用，从而培养学生的責任心和学科核心素养。

三、项目任务的设计

根据化学课程标准和项目教学的目标要求，以发展学生的学科素养与实践能力为导向，教师要明确项目教学的具体任务，在教学过程中学生需要完成的活动和活动设计意图，以及教师需要给学生提供哪些学习支持（如表1所示）。

四、项目教学的实施

项目式教学法的核心是“项目”，即以学习项目为驱动，让学生在完成项目任务的过程中深刻理解学科知识，并学会运用相关知识解决实际问题，实现深度学习。在具体教学过程中，教师首先要设计具有梯度性、启发性、可操作性的项目任务，然后通过创设生活化学习情境，引导学生合作完成相应的学习项目，并由教师进行分析点评，及时反馈学生的学习情况。在本课教学中，教师设计了如下5个教学项目任务。

【任务一】绘制合成路线简图

利用多媒体播放关于在实验室内用二氧化碳合成淀粉的新闻报道视频，展示文字材料，文字材料如下：“我国科学家首次以二氧化碳为原料，经过11步反应在实验室合成了淀粉。我国科学家以电解水制取的氢气和二氧化碳为原料首先制成甲醇，再氧化为甲醛，在通过甲醛酶合成三碳糖，再合成六碳糖，最后借助高能量物质ADP与ATP将葡萄糖转换为淀粉。此方法是植物合成淀粉效率的8.5倍，是世界上首次在细胞外合成淀粉的伟大突破。”根据这则材料，教师抛出问题：从二氧化碳到合成淀粉经历了哪些关键步骤？你能依据以上的信息绘制出简单的合成路线吗？根据问题，学生进行小组讨论、小组合作研究，然后通过观看视频，并结合相关图片阅读文字材料，完成合成路线简图的绘制。结合学生项目任务的完成情况，教师进行深度分析：从宏观角度来分析，实验室利用二氧化碳合成淀粉的本质过程主要涉及三碳糖→六碳糖→淀粉的转化过程，从微观角度来分析，其过程则主要涉及二羟基丙酮→果糖-6-磷酸→葡萄糖-6-磷酸的转化过程。同时，教师出示单糖合成多糖分析图（如图2所示），引导学生做整体观察，从而全面地理解二氧化碳合成淀粉的原理。

【任务二】预测六碳糖的性质

为了更好地激发学生的学习兴趣，在该任务教学中，教师首先出示化学史料，引导学生进入真实的学习情境，具体史料为：18世纪德国化学家马格拉夫从葡萄干中分离出一种具有甜味的白色晶粒状粉末，这种物质直到1838年才被命名为葡萄糖（glucose），这是一种碳水化合物，到了19世纪“糖化学之父”费歇尔最终确定了它的分子结构。据此，教师抛出问题：已知葡萄糖和果糖互为同分异构体，分子式为C6H12O6，各含有5个-OH，请你尝试猜想它们的空间结构是怎样的？你能利用手中的球棍模型尝试搭建它们的结构吗？学生根据问题进行小组合作，搭建果糖与葡萄糖的球棍模型。教师针对学生的讨论结果进行分析，并出示葡萄糖与果糖的分子结构（如图3所示），同时抛出问题：科学家如何确定合成的产物是葡萄糖和果糖呢？请大家找出葡萄糖与果糖分子中的官能团，说一说该官能团有哪些特征反应？学生结合问题进一步合作学习，得出结论：葡萄糖分子中具有醛基，能够发生银镜反应，还能与新制的氢氧化铜溶液反应生成砖红色沉淀;果糖分子中有羰基，应该没有明显的特征反应来检验，但是可以通过核磁共振图谱来判断。

【任务三】体验六碳糖合成淀粉的过程

在该任务教学中，教师直接抛出问题：淀粉的分子结构是什么样的？你能利用葡萄糖分子搭建淀粉部分结构的球棍模型吗？小组之间将葡萄糖单分子连接起来，是不是需要走动消耗能量？大家知道科学家借助了哪些手段从葡萄糖合成淀粉？根据这些问题，学生以小组为单位开展合作学习，搭建了淀粉部分结构的球棍模型，并得出结论：ATP是一种不稳定的高能化合物，是传递和储存能量的重要物质，ADP可以看作ATP的水解产物，二者的相互转化既确保了能量在生物体中的储存与转运，也是绿色植物进行光合作用合成淀粉的关键步骤之一。

【任务四】设计实验，验证猜想

在该任务教学中，教师首先提出“科学家合成淀粉后，是如何利用简单的方法检验淀粉呢？你有什么简单的检验方法吗？”等问题，引导学生进行实验操作，让学生初步认识如何合成淀粉，然后创设如下任务情境：淀粉作为一种主要的能源物质，是生命活动的主要能量来源之一，但由于它是高分子聚合物，无法直接被人体吸收，往往要在人体内水解为简单的六碳糖才能被吸收，请你根据人体的环境并结合以上材料预测淀粉水解的产物及水解程度，同时小组合作设计实验并验证猜想。通过讨论后，学生提出如下猜想：①淀粉是由葡萄糖合成的，所以水解的最终产物是葡萄糖;②淀粉虽然是葡萄糖直接合成的，但水解产生有可能是六碳糖，也有可能是果糖。结合学生的猜想，教师提出“淀粉在什么环境中才能发生水解反应？”的问题，要求学生根据实验需求设计实验方案，然后学生按照实验方案，分组完成实验（第一组滴加少量稀硫酸，第二组滴加适量稀硫酸，第三组滴加过量稀硫酸），同时记录实验现象（如下页表2所示）。接着，教师抛出“你能由此确定淀粉的水解产物就是葡萄糖吗？”的问题，同时提供两个资料卡片，供学生参考学习。（投屏展示卡片1：果糖中虽然没有醛基，但是由于受到多羟基的影响，同样具有醛的性质，能够产生银镜，也能使新制的氢氧化铜产生砖红色沉淀。卡片2：核磁共振图谱是一种测定有机物分子结构的有效工具。除此以外，科学家还会借助质谱仪测定分子的分子量等，通过多种仪器的配合快速准确地得到复杂有机物的分子结构。科学家最终采用核磁共振谱图工具确定了实验室合成的淀粉与自然界合成的淀粉在结构上完全是一致的）

【任务五】分享与交流

在该任务教学中，教师通过多媒体设备，展示如下3个讨论任务：①谈一谈你学习本课的收获与思考，②谈一谈你对科学研究的认识，③说一说二氧化碳对环境有哪些危害？二氧化碳合成淀粉技术的突破对“碳中和”目标达成具有哪些意义？同时，教师让学生以小组为单位尝试总结本课学习所得：在本课学习中，我们除了掌握了基础知识，还知道了有机物的研究中的一些重要研究方法和仪器，实验室合成淀粉是一项伟大的技术突破，对解决能源和粮食危机有着很大的作用，能够有效缓解耕地面积紧缺的问题，在一定程度上也能够减少温室气体的产生，为实现碳中和的目标、保护环境和共建美好家园有着非常重要的战略意义。

五、项目教学的评价

（一）表现性评价

表现性评价是对学生在学习活动中的课堂参与情况的综合性评价，这一评价方式改变了传统的试卷测试、练习题评测等形式，主要通过学生自评、互评及教师评价来客观反映学生的学习状况、学习成效（如表3所示）。

（二）能力水平评价

依据化学课程标准关于化学学科核心素养水平的划分，同时参照北京师范大学教授王磊所提的化学学科能力及其表现模型，结合本项目的教学内容，笔者制订了学生能力水平诊断和教学目标达成情况测量表（如表4所示），对学生的能力水平做出科学评价。

（三）评价结论

通过对“表现性评价表”进行分析，可知有超过90%的学生能够积极参与课堂，对项目任务表现出极大的兴趣，说明学生比较喜欢情境化的课堂教学。通过一段时间学习后，学生掌握了基本的知识，具备了一定的动手能力，但仍有部分学生不理解“葡萄糖与果糖结构不同为什么却具有相同的特征反应”。此外，约有10%的学生的语言组织及表达能力欠佳。

通过对“能力水平和教学目标自测表”进行分析，可知约有50%的学生在水平1、水平4与水平5的得分为2分（含2分）以下，而几乎所有学生在水平8的得分为4分左右，由此反映出学生的辩证思维得到了较好发展，但是在有机物合成路线分析、推断能力和实验设计能力等方面则比较欠缺，在今后的实验教学中教师要加强以学生为中心的实验教学，培养学生的实验设计能力、分析和推断能力。此外，教师还需适当加强工艺流程、有机物合成等题型的训练，进一步提高学生的分析推理能力。

六、项目教学的思考

在本项目教学中，教师主要引导学生从官能团的角度预测物质的性质及特征反应，培养学生认识有机物的思路与方法，同时通过实验探究、证据收集等方式诊断并发展学生的证据推理能力与实验探究能力。以本项目教学为例，学生在初中阶段已经知道二氧化碳是温室气体，对大气环境有危害，通过学习本项目学生对二氧化碳有了更科学、全面的认识，不仅了解了其危害性的一面，也发现了其在现实生活中的利用价值，发展了学生的科学态度辩证思维与价值观念。通过实施本项目的教学，笔者形成了以下两点思考。

一是要注重真实情境的创设。项目式教学不但要把握所教内容的特点与本质，更要重视创设真实生动的教学情境。在教学设计时，教师要设计驱动任务，创设以化学史、生活现象及化工生产为背景的教学情境，通过发掘情境背后的知识线引导学生充分认识知识的建构与形成过程。在课堂上，教师要鼓励学生主动参与甚至是设计学习任务，在发现问题与解决问题的过程中培养学生的高阶思维。

二是要将科学的教学评价贯穿教学始终。相较于学习结果，项目式教学更关注学生在完成项目任务过程中的表现与收获，通过开展过程性评价，及时观察、反馈学生的学习效果。教师在教学活动中要做好学生的表现性评价，及时通过口头表扬等形式对学生的表现予以反馈，如从课堂参与的积极性、表达能力、合作意识、动手能力等方面对学生做出评价，要善于从学生的表情和语言等方面检测学生学习情况。

要想确保项目式教学的实效，就需要创设一个能激发学生求知欲望、引发学生学习兴趣的问题情境，要基于学生的興趣爱好设计项目学习任务，而且所设计的任务活动除了要包含教材与课标所要求的能力与知识，还要具有一定的延伸性、拓展性、挑战性，这样才能充分发挥项目式教学的育人作用。

参考文献

[1]熊景春，徐浩年.高中化学“糖类”的项目式教学：食物中的糖类在人体中的转化[J].安徽教育科研，2020（21）.

[2]王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017.

[3]陶云.“教、学、评”一体化的“葡萄糖”线上教学[J].中学化学教学参考，2020（24）.

注：本文系广西壮族自治区教育厅2019年广西学位与研究生教育改革课题“依托高水平学科竞赛提高专业硕士研究生实践创新能力的研究”（JGY2019115）、广西壮族自治区教育厅2019年广西高等教育本科教学改革工程项目一般B类“面向师范专业认证的课程建设与教学改革研究——以化学专业为例”（2019JGB267）的研究成果。

作者简介：朱汝葵（1970— ），广西玉林人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为化学课程与教学、信息技术与课程研究整合;周欢（1997— ），甘肃庆阳人，主要研究方向为中学化学教学。