基于項目學習的跨學科主題教學設計
——以“研究泡菜生產過程中的兩種食品防腐劑”為例

項今朝 沃秀娟 李伏剛

(1.北京市密云區第二中學;2.北京教育科學研究院)

“研究泡菜生產過程中的兩種食品防腐劑”的教學設計源于北京市密云區第二中學的校本課程需求,旨在培養高中生跨學科問題的解決能力。

《普通高中化學課程標準》(2017年版2020年修訂)(以下簡稱《化學課程標準》)提出:“在化學教學中,教師還應重視跨學科內容主題的選擇和組織,加強化學與物理學、生物學、地理學、材料科學和環境科學等學科的聯系。綜合運用化學和其他學科的知識分析解決有關問題,發展學生的科學素養?！薄镀胀ǜ咧猩飳W課程標準》(2017年版2020年修訂)提出:“加強學科間的橫向聯系,有利于學生理解科學的本質、科學的思想方法和跨學科的科學概念和過程?！被瘜W和生物學的課程標準中均給出了跨學科教學的建議且明確指出跨學科教學有利于發展學科核心素養。

跨學科教學強調多學科的交叉融合,鼓勵學生關注有挑戰性的、有趣的、與生產生活相關的問題,并應用科學、技術、工程或數學等學科相互關聯的知識解決問題。項目學習是一種建構性的教與學方式,教師將學生的學習任務項目化,指導學生基于真實情境提出問題,并利用相關知識與資料信息開展研究、設計和實踐操作,最終解決問題并展示和分享項目成果。項目學習是實施跨學科教學的有效手段,有利于學生創造性地整合不同學科的核心知識,完整體驗真實問題解決的全過程。

本項目選取泡菜的工業生產為情境,聚焦其中兩種防腐劑的使用問題,引導學生綜合利用化學和生物學相關知識,研究防腐劑的重要作用及合成工藝,形成對防腐劑的正確認識。

一、項目學習目標

1.通過對比泡菜的家庭制作和工業生產的過程,了解化學防腐劑的重要作用,分析泡菜的生物發酵過程,確定防腐劑加入的最佳時機及其對泡菜發酵過程的影響。

2.通過分析防腐劑對泡菜中總菌數和總酸含量的影響,比較兩種防腐劑抑菌效果和控制發酵的效果,培養學生控制變量的科學思想,增強學生分析圖像尋找證據的能力。

3.能設計實驗判斷兩種防腐劑水溶液中有效成分的含量,比較防腐劑的防腐作用。

4.能設計實驗檢測兩種防腐劑的官能團,分析防腐劑在人體內的代謝過程,比較兩種防腐劑對人體健康的影響。

5.能根據信息推斷山梨酸鉀和苯甲酸鈉的工業合成路線,培養學生有機合成路線的分析、設計思路,了解有機合成中增長碳鏈的一般方法。

6.通過總結兩種防腐劑的優缺點,權衡利弊,形成對化學防腐劑的正確認識。

二、項目導引

泡菜是一種具有獨特風味的乳酸發酵制品,蔬菜在低濃度食鹽溶液中緩慢發酵,在此過程中乳酸菌大量繁殖,在酶的作用下將蔬菜中的糖類轉化為有機酸,從而使泡菜產生酸味。在工業生產泡菜的過程中,需加入防腐劑來延長泡菜的保質期,抑制泡菜中雜菌的生長。加入防腐劑還有利于控制泡菜的發酵程度,防止在密封售賣的過程中過度發酵導致口味過酸,避免出現漲袋現象影響銷售。

泡菜中常用的防腐劑為苯甲酸鈉和山梨酸鉀,其有效成分是溶于水產生的苯甲酸和山梨酸。苯甲酸親油性強,易通過細胞膜進入細胞內,酸化細胞內的儲堿,抑制微生物細胞內的呼吸酶系的活性,從而起到防腐作用。山梨酸能夠與微生物酶系統的巰基結合,抑制酶的正常作用,破壞多種酶系統,可以有效抑制霉菌及酵母菌的活性。

三、項目設計思路及教學流程

參考《化學課程標準》在選修課程部分的內容建議:“知道常見的食品添加劑的組成、性質和作用”。本項目選取學生日常生活中常見的泡菜作為素材,引導學生關注泡菜生產中常用的兩種食品防腐劑——山梨酸鉀和苯甲酸鈉?；诖颂岢霰卷椖康目傭寗有詥栴}——在泡菜的工業生產過程中如何科學合理地使用食品防腐劑?設置了4個項目任務:①了解添加食品防腐劑的重要意義;②比較山梨酸鉀和苯甲酸鈉的防腐作用;③比較山梨酸鉀和苯甲酸鈉的工業合成路線;④權衡利弊,正確看待化學防腐劑。具體的教學流程如圖1所示。

圖1 “研究泡菜生產過程中的兩種食品防腐劑”項目的教學流程

四、項目實施過程

(一)了解添加食品防腐劑的重要意義

【展示】制作泡菜的操作流程及泡菜的發酵過程,如圖2所示。

圖2 制作泡菜的操作流程及泡菜的發酵過程

【提問】泡菜的工業生產和家庭制作有何區別,需要注意哪些問題?如何使泡菜在較長時間內不變質?

【回答】工業生產需要嚴格控制發酵的條件,保證泡菜出廠時品質統一穩定,包裝運輸過程中防止變質,具有較長的保質期等。因此可采取加入少量食品防腐劑,密封包裝,冷鏈運輸等措施。

【講解】加入防腐劑可以抑制雜菌生長,防止過度發酵。

設計意圖:對比泡菜的家庭制作和工業生產流程,使學生關注到食品的安全生產和銷售需要合理使用化學防腐劑。

【提問】那么泡菜中的食品防腐劑有哪些呢?

【展示】學生分組展示泡菜的配料表,簡要介紹其中作為防腐劑的物質。

【小結】泡菜中添加的防腐劑主要為山梨酸鉀或苯甲酸鈉,是兩種有機酸形成的鹽類物質,它們的結構簡式見圖3。

圖3 山梨酸鉀和苯甲酸鈉的結構簡式

設計意圖:引導學生觀察食品配料表,了解常見防腐劑的化學成分。

【討論】閱讀泡菜的發酵過程,了解泡菜為什么產生酸味,分析在泡菜發酵的哪一階段加入防腐劑更為合理?

【結論】泡菜產生酸味的原因:蔬菜中的糖類在乳酸菌等微生物的作用下轉化為有機酸。發酵中期加入防腐劑更為合理,可防止泡菜過酸,抑制霉菌和腐敗菌的生長。

設計意圖:分析泡菜發酵過程中微生物的變化,了解添加防腐劑的重要意義。

(二)比較山梨酸鉀和苯甲酸鈉的防腐作用

【提問】防腐劑的主要作用是抑制雜菌生長和防止過度發酵,其效果是否相同呢?分析圖4,比較山梨酸鉀和苯甲酸鈉的抑菌效果;分析圖5,比較山梨酸鉀和苯甲酸鈉控制發酵的效果。

圖4 山梨酸鉀和苯甲酸鈉對泡菜中總菌數的影響

圖5 山梨酸鉀和苯甲酸鈉對泡菜中活乳酸菌落數和總酸含量的影響

設計意圖:通過比較兩種防腐劑的抑菌效果和控制發酵的效果,培養學生獲取、處理信息的能力,增強“證據推理”的學科核心素養。

【提問】山梨酸鉀和苯甲酸鈉都屬于酸型防腐劑,其有效成分是什么?

【回答】水溶液中未電離的山梨酸和苯甲酸分子。

【追問】溶液中為什么存在未電離的酸?用離子方程式解釋原因。

【活動】寫出山梨酸鉀和苯甲酸鈉的水解過程。

【提問】哪一種防腐劑溶液中的有效成分(未電離的酸)更多?

【活動】設計實驗,比較等濃度山梨酸鉀和苯甲酸鈉水溶液中未電離酸的含量,完成實驗記錄表。

表1 實驗記錄表

【展示】山梨酸和苯甲酸的pKa數據:pKa(山梨酸)=4.76;pKa(苯甲酸)=4.21,驗證結果的準確性。

設計意圖:應用鹽類水解的基本知識,解釋山梨酸鉀防腐效果好的原因是其溶液中未電離酸的含量更多,為之前抑菌效果和控制發酵效果的數據比較提供實驗證據。

【活動】分析山梨酸和苯甲酸的結構簡式,判斷反應的活性位置及官能團信息,并設計實驗,檢驗其中含有的官能團。

表2 實驗記錄表

設計意圖:深化“結構決定性質”的學科思想,培養學生自主設計實驗的能力,使學生體會碳碳雙鍵和羧基等官能團的化學性質,為后續講解兩種防腐劑抑制細菌繁殖的生物過程進行鋪墊。

【展示】山梨酸鉀和苯甲酸鈉的防腐作用及代謝過程,見圖6。

圖6 山梨酸鉀和苯甲酸鈉的防腐作用及代謝過程

【討論】結合項目導引,分析兩種防腐劑中哪些特征結構有助于抑制細菌繁殖;了解防腐劑在人體中如何代謝?判斷哪種防腐劑對人體健康影響較小?

【結論】兩種防腐劑的關鍵結構——碳碳雙鍵和苯環對抑制細菌繁殖具有重要作用。山梨酸鉀的代謝過程:山梨酸鉀→山梨酸→CO2和H2O,對人體健康基本無害。苯甲酸鈉的代謝過程:苯甲酸鈉→苯甲酸(+甘氨酸)→馬尿酸,在肝臟中解毒,所需時間較長,易在人體中積累。故山梨酸鉀對人體健康影響較小。

設計意圖:通過分析物質特征結構對細胞的影響,進一步深化結構決定性質的學科觀念,學科融合逐步深入。通過分析防腐劑在人體中的代謝過程,從健康安全的角度深入認識化學防腐劑,發展“科學態度與社會責任”的學科核心素養。

(三)比較山梨酸鉀和苯甲酸鈉的工業合成路線

【提問】工業上如何合成這兩種防腐劑呢?哪種防腐劑的制備成本低一些?

【活動】以甲苯為原料,設計苯甲酸鈉的工業合成路線。

【討論】從官能團和碳骨架的角度分析苯甲酸鈉的合成路線,具體流程見圖7。

【活動】以乙酸和乙醛為原料,分析山梨酸鉀的合成方法。

【討論】從官能團和碳骨架的角度分析山梨酸鉀的合成路線,形成設計有機合成路線的一般思路。

【活動】完成山梨酸鉀工業合成路線第一步(活化乙酸中的α-H,便于后續與醛基加成):由乙酸制備中間體丙二酸,見圖8。

【推斷】A:BrCH2COOH、B:BrCH2COONa、C:NCCH2COONa。

【活動】完成山梨酸鉀工業合成路線第二步(增長碳鏈,引入第一個碳碳雙鍵):由乙醛制備中間體2-丁烯醛,見圖9。

圖9 由乙醛制備中間體2-丁烯醛

【推斷】D:CH3CH(OH)CH2CHO。

【活動】完成山梨酸鉀工業合成路線第三步(再次增長碳鏈,引入第二個碳碳雙鍵和羧基):合成山梨酸鉀,見圖10。

【分析】對比山梨酸鉀和苯甲酸鈉的工業合成路線可知:山梨酸鉀的合成路線更為復雜,步驟多產率低,技術要求較高,增加了經濟成本。

【講解】縱觀食品防腐劑的發展歷程,我們能夠看出,正是由于山梨酸鉀合成工藝較為復雜,其應用于食品防腐比苯甲酸鈉晚了50多年。

設計意圖:從工業合成的角度繼續認識兩種防腐劑,培養學生有機合成路線的分析、設計思路,掌握引入官能團的基本方法,知道“羥醛縮合”等反應可用于增長碳鏈,深化對醛基加成反應的理解。體會有機合成在工業生產中的重要價值,了解合成工藝的復雜程度將影響生產成本,從而限制其用途。

(四)權衡利弊,正確看待化學防腐劑

【提問】綜合以上信息,你會選擇哪種防腐劑,山梨酸鉀還是苯甲酸鈉?你如何看待化學防腐劑的使用?你認為食品防腐劑的發展趨勢是什么?

【活動】小組討論,形成研究報告,對泡菜生產中防腐劑的使用提出合理建議。

【報告】小組1:山梨酸鉀的抑菌效果和控制發酵的效果均好于苯甲酸鈉,且山梨酸鉀在身體內能夠完全轉化為無害物質,對人體健康幾乎不會產生影響。雖然生產成本較高,但作為消費者,肯定愿意選擇較為健康的食品添加劑,因此應該使用山梨酸鉀作為泡菜生產中的防腐劑。

【報告】小組2:苯甲酸鈉的生產成本較低,也是廣泛使用的食品防腐劑之一,添加量只要符合安全標準,仍然可以使用。作為生產廠家肯定愿意盡可能節約成本。雖然苯甲酸鈉在人體中代謝時間較長,存在累積風險,但只要不短時間內大量食用泡菜,完全可以規避風險。因此從節約成本的角度仍然可以使用苯甲酸鈉作為泡菜生產中的防腐劑。

【報告】小組3:隨著合成工藝的優化和發展,山梨酸鉀的生產成本也會逐漸降低,慢慢被更多的生產廠家所接受。若使用苯甲酸鈉,需在保證防腐效果的前提下盡可能減少使用量,也可結合其他生物技術共同作用于泡菜生產,如真空包裝隔絕空氣、添加有益菌等。

【小結】小組4:不用刻意追捧不含防腐劑的食品,科學合理地使用食品防腐劑有利于延長食品的保質期,而且并不會對身體健康產生危害。隨著科技的發展,更多綠色高效的天然防腐劑也會應用于食品加工領域。

【總結】在本項目中,我們認識了兩種常用的食品防腐劑——山梨酸鉀和苯甲酸鈉,它們廣泛存在于各種食品中,在食物的保鮮防腐方面起到了重要的作用,同學們可多關注食品的配料表,研究其他具有防腐作用的化學物質。

設計意圖:引導學生辯證地認識兩種食品防腐劑,能夠從生產廠家和消費者的視角權衡利弊,做出合理決策,形成合理使用化學防腐劑的正確認識。

五、項目教學反思及實施建議

(一)感受學科融合,應用跨學科教學培養學生的創新意識

“研究泡菜生產過程中的兩種食品防腐劑”作為2課時的跨學科項目,融合了化學和生物學的核心知識,在泡菜發酵這個典型的生物學情境中,探究化學防腐劑的重要作用。通過前期調查發現,學生對食品防腐劑的刻板印象是“有毒有害且不利于身體健康”,學生并沒有認識到食品防腐劑的重要作用。大部分學生從來不會關注食品配料表,缺乏對食品添加劑的了解。

學生在參與項目后,知道防腐劑并不一定會對人體產生危害,有些甚至能完全代謝為無害物質排出體外,科學合理地使用防腐劑能夠極大地提高物質生活水平,有效避免浪費,從而形成對防腐劑的正確認識。學生經歷了完整的項目流程,體會到跨學科研究的實際價值,在團隊合作設計實驗的過程中培養創新能力。

(二)深入挖掘素材,將學科核心知識融入到項目任務中

泡菜是學生日常生活中常見的食品,選取貼近生活的素材有利于提升學生的探究興趣,在驅動性問題的引導下,學生自主查閱泡菜發酵的工藝流程,關注發酵過程中菌落的變化。通過比較兩種防腐劑的抑菌效果和控制發酵的效果,培養學生獲取、處理信息的能力,增強學生“證據推理”的學科核心素養。

(三)反思項目實施過程,提出以下實施建議

在探究兩種防腐劑有效成分含量的實驗中,山梨酸和苯甲酸在水中的溶解度較小,配制溶液時可滴加少量乙醇助溶。由于山梨酸和苯甲酸水溶液的pH相差不大,可使用精密pH試紙或pH計輔助測量。

本項目選取的山梨酸鉀合成路線是早期的工業合成路線。目前合成山梨酸鉀的方式多種多樣,反應效果較好且產率很高,但反應機理脫離高中有機化學的基本反應,不利于學生深入分析。苯甲酸鈉的合成路線較為簡單,可由學生自行設計完成,而山梨酸鉀的結構較為復雜,在實施過程中可根據學生的層次,引導其推斷某些中間體的結構。

泡菜生產過程中會產生亞硝酸鹽等有害物質,本項目仍可繼續拓展,引導學生思考如何減少亞硝酸鹽的攝入,如控制亞硝酸鹽的產生,以及將產生的亞硝酸鹽進行無害化處理等,學生能夠關聯氮及其化合物的相關知識,對泡菜發酵過程有更加深入的認識。

北京市教育科學“十四五”規劃2021年度一般課題“指向高階思維的化學學科逆向教學設計實踐研究”(課題編號:CDDB21460)部分研究成果。