1. 研究背景
近年来随着科学技术蓬勃发展，学科之间的界限日益模糊，单一学科的研究已经无法满足日益复杂的现实问题。如今科技创新与复合型人才已成为社会发展的关键力量，学科交叉融合是学科发展的必然趋势。从生物科技到人工智能，不同学科之间的交叉融合不断创造新的知识体系与科技前沿，同时也为重大科学突破提供无限可能。学科交叉研究打破传统学科界限，将不同学科的研究方法相互融合，为解决复杂问题提供新思路。能够为传统学科注入新活力，拓展研究视野，促进学科创新与发展。同时有助于整合我国优势学科资源，提高科技创新能力，服务国家战略需求。在教育领域，学科交叉教学旨在探索一套科学、系统的理论体系，为实践提供指导。通过跨学科整合，突破传统学科体系的束缚，培养学生跨学科思维、创新能力和综合素质。
2. 学科交叉
学科交叉融合整合不同学科的理论、方法和技术、找出学科之间的关联，打破其中的壁垒，为解决科学瓶颈提供全新的视角和途径[1]。学科交叉融合是科技创新的重要源泉，通过学习近代科学发展史可以发现许多科学研究的重大发现与科学理论的突破常常涉及多个学科的相互渗透与融合。目前学科交叉融合已成为当今科技创新的重要趋势，也是提高国家竞争力培养复合型人才的关键步骤[2]。同理，推动各学科之间相互融合对于我国探索科技创新前沿，推进科技强国建设具有重大意义。
我国在新课程改革中提出培养学生核心素养、创新与实践能力，将传统的分科教学向学科交叉融合的方向所转变，以期培养适应当代发展的复合型人才。学科交叉教学在教学内容上打破学科界限，将不同学科中相关联的知识进行整合，使学生形成更完整的知识体系与认知结构。在实际教学中进行多学科交叉融合教学，需要教师拓展知识范围加深对学科本质理解，促进教师教学能力的提升。并且以解决实际问题为导向，帮助学生打破学科间狭隘边界，拓宽其学科视野，加强学生解决综合性问题的能力[3]。
3. 化学跨学科教学
化学是一门位于科学，技术，工程，数学和医学学科之间的学科，并在与物理学、生物学、天文学、医学等学科的相互渗透中得到迅速发展。根据研究表明，学科交叉融合是未来科学技术创新发展的必然趋势。在高等教育中，如吉林大学开设“化学与交叉学科”课程，通过学习与化学相关交叉学科，使学生理解学科交叉必要性，认识交叉学科发展前沿，培养学生学科交叉意识和创新能力[4]。在基础教育中，我国化学新课程标准中提出教师在化学教学中重视跨学科主题的内容选择和组织，加强化学与物理学、生物学和地理学等学科联系，综合运用相关知识技能与方法分析解决化学问题[5]。
高中阶段化学与物理、生物和地理等课程有一定的相关性，可以将化学与其他课程进行学科交叉教学。如在“糖类”教学中，张宏以“壳寡糖的抑菌性”为主线情境，结合生物学科的“生物抑菌圈法”知识探究壳寡糖性质以及在日常生产生活中的应用，培养学生对多学科知识分析融合能力[6]。龚正权以调查校园水质影响因素为主题，开展化学与地理跨学科教学研究，培养学生构建完整科学知识认知[7]。在化学教学中开展跨学科教学不仅培养学生的知识迁移能力，完善认知结构，还有助于提高学生的化学学科核心素养。
4. 高中化学跨学科课堂教学案例分析
以“金属的腐蚀”为例，对高中化学跨学科教学进行案例分析。
4.1. 教学内容分析
本节课内容选自人教版高中化学选择性必修一化学反应原理中的第四章第三节第一课时，基于新课程改革中强调的重视跨学科教学，化学教学要加强与物理学、生物学等相关学科联系，所以此次在“金属的腐蚀”课堂教学采用学科交叉融合，在教学中融入生物学、材料学等相关知识，希望有助于培养学生的知识迁移能力，建立多学科认知结构。
本节课以“新型可降解金属支架——镁合金血管支架”为主线情景，结合生物学科中人体血液循环过程，提问血管堵塞会产生什么疾病，讲解血管支架作为治疗手段的应用，传统的血管支架帮助人体疏通血管以后仍滞留体内，损伤血管内膜并对血管造成长期牵拉及异物炎性反应等，导致血管内膜过度增生易造成术后再狭窄[8]。结合人体血液环境，探究新型的镁合金血管支架以电化学腐蚀原理降解，结合人体内富含的微量元素探讨为何选择镁合金为血管支架材料。在教学过程中不仅涉及电化学知识，也与生物学科交叉，同时让学生初步接触材料学，最终完成跨学科教学。教学时基于真实情境巧设问题链，引导学生主动探究学习，激发学生探究兴趣，培养学生科学态度与社会责任的化学学科核心素养[9]。通过本节课学习使学生认识事物具有双面性，认识到化学在日常生活中的重要性，认识到只要将所学的化学知识正确灵活应用，金属的腐蚀也会发挥有助于科学、医疗发展的重要作用。有助于培养学生科学态度与社会责任，提高化学核心素养。
4.2. 学情分析
教学案例选自人教版高中化学选择性必修一第四章第三节，面向高二学生。在学习本节课知识之前，在化学学科方面，学生已经掌握氧化还原反应的基本概念，能够书写氧化还原反应的化学方程式。知道温度、湿度、酸碱度等环境因素会影响金属腐蚀，并且学习了原电池与电解池，对于电化学已经建立初步的认知结构。但是学生对金属腐蚀的认识主要来源于生活经验，如铁制品生锈，这些认识往往停留在表面，对金属腐蚀的微观机制理解不深，难以从分子层面解释腐蚀过程，并且对金属腐蚀类型了解不多。在生物学科方面，学生学习了血液循环，了解人体内的血液环境，已经掌握了细胞结构、生物酶、心血管系统等基本知识。但学生对生物医学材料方面的知识较为欠缺，不了解新型可降解金属支架研究以及在人体血管中的以腐蚀的原理进行降解。
4.3. 教学目标(图1)
1) 了解金属腐蚀的定义、分类及常见腐蚀现象；
2) 理解电化学腐蚀的本质，能正确书写析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极反应式；
3) 掌握金属腐蚀的基本原理、影响因素及其在可降解镁合金支架中作用；
4) 初步了解新型可降解镁合金支架的研究进展，培养科学态度与社会责任。
Figure 1. Teaching flow chart
图1. 教学流程图
5. “金属的腐蚀”教学过程
5.1. 认识金属腐蚀
[情景] 播放金属腐蚀视频。
[问题] 金属发生腐蚀的原因是什么呢？
[讨论] 学生根据金属自身材料结构和所处周围环境小组讨论金属腐蚀的原因。
[设计意图] 学生根据金属结构与周围环境推测金属腐蚀原因，认识到金属分为化学腐蚀和电化学，建立认知模型，培养学生证据推理与模型认知核心素养。
5.2. 探究金属腐蚀
[情景] 展示生活中常见的生锈的铁锁与铜像图片。
[问题] 钢铁发生腐蚀原理？
[活动] 学生小组讨论探究生活中常见的钢铁制品腐蚀原理。
教师讲解析氢腐蚀与吸氧腐蚀，学生明确二者的概念与有关反应。
[设计意图] 学生从微观角度学习析氢腐蚀与吸氧腐蚀，构建金属腐蚀认知模型培养宏观辨识与微观探析学科核心素养。
5.3. 探讨金属腐蚀的利与弊
[问题] 金属腐蚀完全是弊端吗？
[活动] 学生探究金属腐蚀对生产生活造成的危害，教师讲述正确应用金属腐蚀原理对社会发展有一定的益处。
[设计意图] 认识到化学是双刃剑，应该正确应用所学化学知识。培养学生科学态度与社会责任学科核心素养。
5.4. 导入“血管支架”
[情景] 播放人体血液循环视频。
[问题] 血液循环过程是什么？如果发生血管内腔堵塞会产生什么后果？
[活动] 学生回忆生物中人体血液相关知识，回答血液循环两大环节：体循环和肺循环。教师引导学生思考血管内腔堵塞所造成的后果和疾病。
[设计意图] 创设情境，在生活中常见的问题中引入课程，引起学生的学习兴趣，学生回忆生物所学过的知识并且与生物进行联系，培养学生跨学科视角。
[教师] 血管堵塞造成极其严重的后果，如果发生血管堵塞，医生有时会选择支架植入术，在狭窄的血管部位植入支架，可以将血管撑开疏通，恢复血流。
5.5. 探究“镁合金支架”降解原理
[情景] 播放3D动画演示：新型镁合金血管支架植入人体血管的过程以及在血管疏通后降解模拟过程。
[问题] 镁合金支架植入血管中产生什么反应？降解原理是什么？
[探究] 镁在水环境中非常活泼，镁合金进入血管中先发生电化学腐蚀。
阳：Mg → Mg2+ + 2e−阴：2H2O + 2e− → 2OH− + H2总：2Mg+ + 2H2O → 2Mg2+ + 2OH− + H2
在反应过程中不断消耗H+并产生OH−时，pH值增加，有利于镁表面形成Mg(OH)2膜。
[问题] 镁合金表面形成Mg(OH)2膜，在一定程度上延缓腐蚀，那为什么仍然会发生腐蚀呢？
[探究] 结合人体血液环境思考。血液中最主要的阴离子是Cl−，将起保护作用的Mg(OH)2膜分解。反应为：Mg(OH)2 + 2Cl− → Mg2+ + 2Cl− + 2OH−，使金属镁直接暴露在腐蚀性介质中，使镁合金支架进一步腐蚀降解[10]。
[设计意图] 学生从微观视角学习电化学腐蚀，培养学生微观探析学科核心素养。
结合人体内血液环境探究腐蚀机理，培养学生的跨学科视角。
5.6. 探究血管支架材料选择
[问题] 为什么选择镁合金为支架材料？
[探究] 结合生物相关知识思考：镁是人体必需金属元素，是人体内第4位金属元素。镁合金血管支架经电化学腐蚀后所降解的镁离子是细胞内仅次于钾离子的第2位阳离子。它催化或激活机体300多种酶系，参与体内所有能量代谢。在体内三大代谢中通过调节核糖体DNA及RNA的结构而对蛋白质的合成起关键作用[11]。
[设计意图] 使学生认识血管支架植入术并且了解到现今医学上关于新型血管支架的研究，支架材料的创新发展让学生认识到化学在日常生活中重要性，促进学生建立学科与世界的联系，培养科学态度与社会责任核心素养。
6. 教学反思
本课例通过创设“可降解镁合金血管支架”情境，结合人体血液环境，人体富含的微量元素等知识探究镁合金在血液中以腐蚀原理发生的降解行为，融合生物和化学学科知识，培养学生跨学科知识融合能力。学生从微观视角认识金属腐蚀，培养学生微观探析核心素养。在教学过程中不仅讲解金属腐蚀带来的一系列严重后果，同时使学生认识到正确应用金属腐蚀机理可以对医疗等研究提供新的方向与帮助，促进学生建立学科与世界的联系，培养科学态度与社会责任核心素养。
在教学过程中有需要反思改进的地方。教学中涉及医学方面的研究，需要让学生在课前查阅相应的文献与研究报告以便在课堂上有清晰明了的思路。其次，跨学科教学对教师自身能力知识要求较高，教师备课时应与生物学科的教师集体备课，了解学生在此阶段生物学科的知识能力。最后，本课例教学内容较多，在实际教学中根据实际教学情况分配课时。
7. 总结与展望
跨学科教学对于教师自身的教学能力和知识储备要求极高。目前高中化学跨学科教学面临着学科整合度较差的困境，原因就是教师对于学科整合有着认知差异，教师将跨学科教学认为是简单的知识汇总，对于学科之间的知识联系未形成实际交叉，教师自身没有建立化学学科与其他学科本质上的联系，致使最终呈现的教学案例学科整合度差。想要突破眼前的困境，除了教师要提高自身对于其他学科知识的储备外，也要重视与其他任课教师的沟通交流，备课时最好采取多学科集体备课，注重知识之间的关联，教师关注不同学科在理论阐述、思维方式以及方法论上的融合，进一步提高学科整合度，加强化学跨学科教学质量[12]。
现今对于高中化学跨学科教学研究在理论和实践层面均取得一定进展，越来越多的一线化学教师在课堂上采用跨学科教学，有效落实培养学生化学学科核心素养。在教学时教师应注重选择贴切的跨学科教学主题，寻求学科核心素养间的整合点，坚持以化学学科为主体同时注重学科内外部的融会贯通，提高学科整合度。总之在如今社会对复合型人才的强烈需求与科技创新发展的前景下，学科交叉融合是未来必然趋势，跨学科教学是时代发展的重要要求。高中化学跨学科教学需要教育研究者与一线教师共同努力，不断进行本土化理论研究与实践，探索更适合中国化学教育的跨学科教学模式。