跨学科实践活动的设计与案例（3）

一、鱼菜共生系统

作为科学课程标准试点学校，广东碧桂园学校开展了系列跨学科探究实践活动。其中，彭韦力、康礼兵、黄惠琴老师带领五年级学生开展了鱼菜共生系统的综合实践活动，我对这一活动的方案进行了部分指导。

1.背景介绍

从探究实践的角度看，学生要先发现和提出问题，再进行探究实践。

发现问题。学生在校园参与劳动实践，包括给鱼投放饲料、清理鱼塘、给植物浇水、施肥时，发现了许多问题，如需要大量人力投入、需要大量肥料、鱼塘和菜地都要占用很多土地等。

提出问题。学生经过讨论后提出问题：能否把鱼和植物放在一起养？这样既可以节省土地，又可以让鱼的排泄物成为植物的养分。

解决问题。设计、制作一个鱼菜共生系统，维护系统的稳态运行。

这一活动涉及课程标准中的核心概念：工程设计与物化、生物体的稳态与调节。

2.活动任务分解

学生基于情境提出问题后，教师要把解决问题的过程分解为一系列任务：定义问题、明确任务—制订评估标准（见表1）—开展调查、归纳整理—设计鱼菜共生系统—实施计划、检验作品—制作鱼菜共生系统—测试与维护鱼菜共生系统—改进、完善鱼菜共生系统—成果发布、反思改进。

3.活动过程展示

参照科学课程中技术与工程的相关要求，教师要制订评估标准，作为学生活动的指引。之后，学生开展调查，查找资料，参观学校附近的鱼菜共生工厂，归纳整理：目前已有的鱼菜共生装置有哪些种类？有哪些结构特征？各自的优缺点是什么？在此基础上，学生提出方案，加工制作出成品（如图1），定期检测水质，对发现的问题进行讨论并改进作品。

在制作过程中，学生发现了一些问题，他们做了记录并进行了改进（如图2）。在设计、制作鱼菜共生系统的过程中，学生把劳动实践与科学探究、技术工程实践结合起来，像科学家一样思考，像工程师一样实践。

4.小结

学生在劳动实践过程中发现了“鱼菜共生”的问题，并利用科学课程中的技术与工程方法，创造性地解决了问题。通过活动，他们更深刻地理解了劳动实践和其中的科学原理，深刻认识到生态系统及其平衡的重要意义，锻炼了解决问题的能力。这一活动从培养学生核心素养的角度进行设计，采用大单元形式，利用5～6课时完成。涉及的学科包括：劳动（浇花、喂鱼）、生物（选哪种鱼与植物、系统保持稳态的条件）、化学（水质检测时选择某些主要的指标）、科学（设计、建造装置）、数学（装置的尺寸关系、检测数据的处理）。

这一活动还涉及如下跨学科概念：

物质与能量：通过光合作用，装置内的植物把外部的光能转化为生物能；装置内部的植物、鱼类、微生物构成物质循环。

系统与模型：鱼菜共生系统是一种生态系统，活动中的小型鱼菜共生系统是实际系统的简化与微缩，是一种模型。

结构与功能：现实中的生态系统有一定的结构层次，可以实现内在的循环，不同微生物、动物、植物都是这一结构中的不同环节；模型通过选择适当的生物品种来模拟生态系统；装置的结构要考虑特定的功能需求，包括结构稳定、水的过滤等。

稳定与变化：模型是简化的系统，不一定满足自动调节关系，如何让模型装置稳定运行（水中氨、氮的含量稳定）是探究的主要任务。

二、太空水球有多大

在第二次太空授课中，王亚平演示了在太空失重的环境下水球的形成、着色和泡腾片使水球膨胀等现象。我参与过太空授课的方案论证，正好借此机会从跨学科探究角度，展示其中一个有趣的问题：我们可以看到水球的体积在逐渐增加，能否根据相关学科知识，估算水球最初和最终的半径？

1.背景

在太空失重的环境下，水会自动收缩为水球，这与液体的表面张力有关（上一篇文章中已介绍），这里就不展开了。下面让我们来了解一下泡腾片。泡腾片是一种补充维生素的药片，含有两种重要的成分：碳酸氢盐和酸。当泡腾片遇到水时，碳酸氢盐和酸会立刻开始反应，产生二氧化碳。这就是为什么泡腾片在水中会发出轻微的“噼啪”声，并且冒出很多气泡的原因。在太空中，由于失重，水球中的泡腾片产生的二氧化碳气泡不会向上冒，而是在水球中四处漂浮。同时，由于水球被染了色，导致它像一个美丽的星球（如图3）。

2.分析过程

王亚平为什么只放半片泡腾片呢？这涉及泡腾片能产生多少气体的问题，具体与许多因素有关，包括泡腾片的具体成分、质量以及反应条件（如温度和压力）。我们可以大致计算一下，以含有1 g碳酸氢钠（NaHCO3）的泡腾片为例，酸碱反应的化学方程式如下：

从这个化学方程式中可以看到，每1 mol的碳酸氢钠会产生1 mol的二氧化碳。碳酸氢钠的摩尔质量约为84 g/mol，因此，1 g碳酸氢钠大约是0.012 mol。根据理想气体定律，在标准温度和压力（1大气压）下，1 mol的气体占据22.4 L的体积。因此，1 g碳酸氢钠能产生的二氧化碳的体积大约为270 cm3。

这一计算假设了所有的碳酸氢钠都能和酸完全反应。而在太空授课的演示环节，科学家需要考虑用多少泡腾片才能产生较好的演示效果。数量少了，水球的变化效果不明显；数量多了，水球膨胀过大，有可能导致部分水滴飞溅出来。

1 g碳酸氢钠能产生大约270 cm3的二氧化碳。假设有[x] g的碳酸氢钠参与反应，设初始时水球半径为[r]，泡腾片反应结束时水球半径为[R]，则有：

从泡腾片产品说明书中可以了解到其规格是每片4 g，所以上式中x=2 g（半片）。在不清楚初始水球半径的情况下，可以让r=1、2、3、4…9 cm。利用Excel软件算出相关数据（见表2），画出相关示意图（如图4），从而对水球半径的变化有一个初步了解，真实情况就是曲线中的某一点（这是数据处理中的一种技巧，遍历所有可能的情况）。

从图4中可以看出，如果初始水球半径比较大（如大于7 cm），加半片泡腾片后的水球的膨胀效果并不明显（R/r接近1.1）；如果初始水球半径比较小（如小于2 cm），加半片泡腾片后的水球会过于膨胀（R/r大于2.6），有爆裂飞溅的可能。因此，初步得出水球初始半径在2～7 cm之间。

下面根据视频截图来进一步估计水球的初始半径。先对比视频中初始状态和最终状态的水球，将截图中的背景文字“样本”作为参照，调整图像使两图中“本”字一样大（如图5）。再画出水球的外部轮廓，利用PPT软件中图形编辑的“大小与位置”功能，按比例测出水球尺寸，得到R/r=1.75。最后根据图4的曲线，找出水球的初始半径为3.1 cm（如图6）。

如何验证上述结论呢？可以根据视频截图，通过手与水球的相对大小估算一下水球初始的半径。一般情况下，成年人的拳头直径大约是10 cm，但拍摄时物体与镜头的距离不同，近大远小。视频中，王亚平左手拿着颜料，手和水球到镜头的距离基本相等，而右手在水球侧后方。可以明显看出，水球比拳头小。在PPT中进行大小分析，估计出水球的初始半径是3 cm，与结论基本吻合。

3.小结

这一活动涉及的学科包括：科学（失重环境）、生物（泡腾片的营养）、物理（表面张力）、化学（泡腾片的反应）、数学（球的体积、数据处理）、信息（软件使用、图形处理）。

这一活动还涉及如下跨学科概念。

物质与能量：水、泡腾片都是物质，相互作用后产生新的物质，反应中伴随着能量转换。

系统与模型：水球中包括水、泡腾片、气体等成分，共同构成一个系统；化学反应是系统中某些成分的相互作用；化学方程是化学反应的一种模型。

结构与功能：水球的形状、水球中不同物质的相互作用都是一种结构；太空中，是表面张力使水保持球状。

稳定与变化：随着泡腾片不断反应，水球的体积在不断变化；演示过程中，球的形状不变，系统的质量也不变。