凸顯理科屬性：初中生物學跨學科實踐活動的教學研究

鄭云桓

[摘要] 初中生物學課程中存在著大量關聯(lián)理科屬性的跨學科內容。圍繞概念鋪陳、實驗探究與調查交流等基本課型，可分別采用具象模擬、定量轉化與項目研學的方式促進理科屬性的貫通。實施具體的跨學科實踐活動時，可使用主題引領、問題為本的合作探究形式，從而進一步深化學科的理科屬性。

[關鍵詞] 初中生物學;跨學科實踐活動;理科屬性;模型制作;發(fā)酵食品制作

生物學作為一門自然科學學科，其發(fā)展過程中必然與物理、化學、數(shù)學、工程學等其他學科相互聯(lián)系與影響。生物學中的許多重要科學發(fā)現(xiàn)也離不開其他學科的進步和支持。而在DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)這一分子生物學誕生的標志性科學事件后，跨學科聯(lián)動解決真實性科學問題的研究就更為普遍了。然而，現(xiàn)實的學校教育的分科育人體系雖解決了各領域經驗覆蓋的問題，但卻一定程度上造成了學科間的相互割裂。正因如此，《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱

“新課標”）中明確提出了“生物學與社會·跨學科實踐活動”學習主題，這也是此次新課標的重要改動和亮點內容之一[1]。因此，教師也應當結合當?shù)貙嶋H情況，開展豐富的跨學科實踐活動，在實踐活動中滲透跨學科知識，培育學生的科學素養(yǎng)。

一、關聯(lián)理科屬性：跨學科內容梳理

在實際教學過程中，生物學知識往往會和其他學科知識產生聯(lián)系，這些知識也就成了跨學科的學習內容。跨學科的內容對于學生統(tǒng)整性理解學科發(fā)展、厘清學科之間的內在聯(lián)系至關重要[2]。因此，教師在教學中不僅要關注生物學科知識本身，還需要關注與生物學知識相關的跨學科內容。初中生物學教學內容中有大量與物理、化學、數(shù)學等學科相關的跨學科內容，包括在進行生物學研究當中所運用到的科學方法、技術原理等等都涉及了大量的學科交叉內容。仿照《義務教育歷史課程標準（2022年版）》的跨學科知識圖譜處理方式，筆者將初中生物學中有關理科部分的跨學科內容梳理如下。從表1的梳理結果中不難發(fā)現(xiàn)，由于生命科學的進步一定程度上依賴于數(shù)學、物理與化學的發(fā)展，導致其在生物體具體成分檢測、微觀世界探察跟蹤，以及生態(tài)環(huán)境變遷計量中均包含一定的跨學科內容。

二、貫穿理科屬性：跨學科教學的基本課型

根據(jù)新課標羅列的教學活動，且考慮到生物學課程內容部分為抽象性概念與情境實例的集合，生物學課程大致可以分為概念鋪展、實驗探究與調查交流等基本課型。圍繞三種基本課型進行理科部分的跨學科教學，方能更好地貫穿理科屬性。因此，研究者基于自身的教學經驗，以課例闡釋的方式對三種基本課型中如何展開理科部分的跨學科教學予以說明。

1.具象模擬的概念鋪陳課跨學科教學

初中生正處于形象思維走向抽象思維的關鍵期，而生物學概念往往是多數(shù)生命科學現(xiàn)象的總結提煉與抽象概括。在此基礎上，如果所教授的生物學概念涉及更為抽象的物理、化學等理科知識，則跨學科教學更為不易。因此，在生物學概念鋪陳課中，可以采用具象模擬生物學模型，以融入跨學科內容的方式進行教學。這樣既能夠促進學生真正理解生物學概念，也能夠讓學生將其蘊含的跨學科知識理解透徹。

例如，在進行“眼和視覺”這一概念的教學中便涉及了物理學中光的折射原理應用：晶狀體就猶如一個凸透鏡，當光通過時便發(fā)生了折射，睫狀體通過對晶狀體曲度的調節(jié)從而使眼睛能夠看到不同距離的物體。而近視形成的原因便是眼球的前后徑過長，或是晶狀體曲度過大且不易恢復原大小，遠處物體反射過來的光線通過晶狀體等折射形成的物像，就會落到視網(wǎng)膜的前方，這樣看到的是一個模糊不清的物像。若要解決近視這一問題，可采取佩戴近視鏡的方法進行矯正（凹透鏡起到了發(fā)散光線的作用）。這一跨學科概念的教學可通過制作眼球結構及成像模型來幫助學生進行理解。

生物學中這樣的跨學科知識教學的內容還有很多，如呼吸運動的產生與大氣壓強的關系、呼吸作用與光合作用中的物質變化、聲波與聽覺的產生等，教師在教授這一類的跨學科知識時可通過模型制作、動畫演示等多種方式幫助學生理解其原理。

2.定量轉化的實驗探究課跨學科教學

生物學是一門以實驗為基礎的自然科學課程，初中生物學教學內容中包含了大量實驗內容。實驗類型包括探究性實驗、驗證性實驗、觀察性實驗等。受學生學段的心智特征影響，其中多數(shù)的生物學實驗以定性觀察為主。若以定量轉化的方式進行探究，則可以很好地融合化學與數(shù)學等密切聯(lián)系的跨學科內容，進而通過跨學科學習幫助學生掌握實驗原理，感悟生物學的理科屬性，理解生命現(xiàn)象的本質。

例如，人教版七年級下冊中的探究實驗“饅頭在口腔中的消化”，便是探究物理性消化和化學性消化對淀粉分解的作用。其中，牙齒的咀嚼和舌的攪拌屬于物理性消化，可將饅頭切成小塊，從而增大與唾液淀粉酶的接觸面積，而唾液淀粉酶可將淀粉初步分解為麥芽糖，是在酶的催化作用下發(fā)生的化學反應。本實驗需要在37℃條件下進行，也說明了酶發(fā)揮催化作用需要較為溫和的環(huán)境。在本實驗中關于淀粉是否被分解，可用碘液進行檢測，淀粉遇碘變藍，麥芽糖遇碘不變藍。這里又涉及化學學科里的顯色反應對解決生物學問題的幫助。

在進行實驗教學的跨學科知識滲透中，教師可多采用問題鏈引導的方式進行實驗教學。例如，在探究實驗“饅頭在口腔中的消化”中，引導學生思考如下問題：為什么要將實驗裝置放在37°C的溫水中？牙齒、舌和唾液的作用，有什么區(qū)別和聯(lián)系？口腔中有什么物質使淀粉發(fā)生變化？可用通過什么手段檢測淀粉是否分解呢？

3.項目研學的調查交流課跨學科教學

生命科學研究中蘊含著大量的物種調查的發(fā)現(xiàn)式探究，以及科學史推理的論證式探究過程。因此，調查交流課也是初中生物學中的重要課型之一。隨著調查活動的開展，學生在觀察生命科學實例及其現(xiàn)象的基礎上，通過項目化的學習進行深入交流，學會與材料文本對話、與同伴對話、與老師對話、與自然對話。項目化的學習可以采用一定主題的任務，讓學生自主分解問題，注重生物學與社會中相關學科交叉知識的掌握。

在人教版七年級下冊的活動“擬定保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的計劃”中，建議學生分組調查校園周圍或家庭所在社區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況，可以進行實地調查，或到當?shù)丨h(huán)境保護部門咨詢，也可以通過圖書館、報紙雜志、電視臺或互聯(lián)網(wǎng)收集資料，完成調查報告并擬定保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的計劃。如在調查生態(tài)環(huán)境狀況時，可以讓每組至少選擇一個當?shù)卮嬖诘膯栴}進行調查。

若要調查當?shù)卮髿馕廴厩闆r，那么學生首先應該了解的跨學科知識就有大氣污染物的類型，包括氣溶膠狀態(tài)污染物和氣體狀態(tài)污染物。其中，氣溶膠狀態(tài)污染物主要有粉塵、煙液滴、霧、降塵、飄塵、懸浮物等，我們所熟知的PM2.5就屬于其中的一種。氣體狀態(tài)污染物主要是以二氧化硫為主的硫氧化合物，以二氧化氮為主的氮氧化合物，以一氧化碳為主的碳氧化合物，以及碳、氫結合的碳氫化合物。大氣污染不僅危害人體健康，還會對氣候、工業(yè)、農業(yè)造成巨大的影響，例如二氧化硫等污染物的排放導致酸雨的形成，對森林、農作物、建筑物等帶來危害;氟氯烴類等污染物使臭氧大量分解，引發(fā)“臭氧洞”問題等。

在初中生物學調查交流活動中，學生必須掌握一定的跨學科知識，才能夠使調查活動更加有效地開展，更好地理解生物學與社會的關系。在進行調查活動的跨學科知識滲透時，教師可更多地讓學生自主查閱資料，以調查走訪的形式獲得相關的跨學科知識，并進行小組匯報，分享、交流調查結果。

三、深化理科屬性：跨學科實踐課例分析

新課標中明確提出“生物學與社會·跨學科實踐活動”為初中生物學七大學習主題之一，在課時中占比為10%。通過跨學科實踐活動，學生能夠認識生物學與社會的關系，能夠理解科學、技術、工程學、數(shù)學等學科的相互關系。通過設計和制作，解決現(xiàn)實問題或生產特定的產品，發(fā)展核心素養(yǎng)。

新課標將初中階段可供開展的跨學科實踐活動分為了模型制作類跨學科活動、植物種植與動物飼養(yǎng)類跨學科活動和發(fā)酵食品制作類跨學科實踐活動。模型制作類跨學科實踐活動，例如制作實驗裝置模擬吸煙有害健康、設計并制作能維持較長時間平衡的生態(tài)缸等。植物種植與動物飼養(yǎng)類跨學科實踐活動，例如探究栽培一種植物所需的物理和化學環(huán)境條件;飼養(yǎng)家蠶，搜集我國養(yǎng)蠶的歷史資料等。發(fā)酵食品制作類跨學科實踐活動，例如收集當?shù)孛姘湍妇N，比較發(fā)酵效果;設計簡單裝置，制作酸奶等。

在新課標關于“生物學與社會·跨學科實踐活動”的學業(yè)要求中明確提出，學生在實踐活動中要嘗試提出需要解決的生物學和跨學科問題，設計可行研究方案，如確定變量研究步驟，收集和記錄實驗證據(jù)，撰寫實踐活動報告，分享實踐結果、交流討論，改進實驗方案[3]。那么，如何有效地開展生物學與社會·跨學科實踐活動呢？筆者以“設計簡單裝置，制作酸奶”這一跨學科實踐活動為案例，設計并實施了如下教學過程。

1.課前準備

【活動要求】依據(jù)乳酸菌代謝所需的環(huán)境條件、營養(yǎng)來源、產物，以及蛋白質在不同酸度環(huán)境中的狀態(tài)不同等相關概念，以牛奶、乳酸菌（或酸奶）為材料，按照乳酸發(fā)酵技術的操作規(guī)范和程序制作酸奶;測定并分析酸奶的酸度和甜度，確定適宜的酸度和甜度范圍。

【學情分析】學生在八年級上冊已經學習過微生物的相關知識，“人類對細菌和真菌的利用”一課中已經開展過“制作米酒”活動，對微生物發(fā)酵相關知識具備一定的實踐基礎，但實踐方案設計能力相對欠缺。

【跨學科知識分析】酸奶發(fā)酵中的跨學科知識，就化學而言有物質變化、乳糖到乳酸的變化、酸堿度測定、溶液配制，就物理而言有物態(tài)變化，就數(shù)學而言有數(shù)據(jù)收集與分析、繪制圖表。

2.提出跨學科問題

【情境創(chuàng)設】酸奶是一種常見的乳制品，其口感與營養(yǎng)價值深受廣大消費者的喜愛。那么，人們是如何發(fā)現(xiàn)并制作這一美食的呢？酸奶的起源雖然無法確定，但許多學者都認為最早的酸奶可能出現(xiàn)在安納托利亞高原一帶。古代牧民將羊奶儲存在羊皮袋中，受到依附在袋內的細菌自然發(fā)酵，成了最早的酸奶。根據(jù)之前的情境創(chuàng)設，嘗試引導學生提出以下跨學科問題：

酸奶發(fā)酵過程中需要什么微生物參與？酸奶為什么有酸味？酸奶為何質地黏稠？酸奶的發(fā)酵過程需要什么樣的環(huán)境條件？制備酸奶需要準備哪些材料？

跨學科問題的解決可采取學生課后通過互聯(lián)網(wǎng)搜集資料的方式進行。學生的資料收集過程，其實就是跨學科知識領悟的過程，此時學生已經對該實踐活動過程中的主要跨學科知識有了大體的了解。

3.跨學科知識講解

在學生嘗試收集資料解決跨學科問題后，可引導學生以小組交流討論的形式，分享觀點，整合跨學科知識資料。之后，教師通過講解，明確跨學科實踐活動原理：

酸奶是利用乳酸菌（一種厭氧性微生物）發(fā)酵牛奶而形成的一種乳制品。乳酸菌可將牛奶中的乳糖轉化成乳酸，使牛奶產生酸味。同時，也使得酸奶更加適合乳糖不耐受的人群食用。隨著發(fā)酵過程的不斷進行，酸堿度逐漸下降，達到了牛奶中酪蛋白的等電點（酪蛋白是牛乳中的一種蛋白質，等電點時pH為4.6～4.7），使酪蛋白聚集沉降，從而形成半固體狀態(tài)的凝膠體物質。

4.實踐活動方案設計，小組合作

（1）滅菌。將制作酸奶所需要用到的用具進行滅菌。將保溫鍋、攪拌工具等用水煮開殺菌或用剛燒開的沸水進行沖燙。鮮奶需要先煮沸3 min殺菌消毒，以避免其他雜菌的干擾，待溫度降低至40°C以內后，可倒入保溫鍋中。（如果牛奶出廠時，已經經過消毒，則可以不用煮開消毒）

（2）接種。將溫牛奶放入保溫鍋或酸奶機后，向牛奶中加入一定比例的乳酸菌種（2%～4%）或酸奶（牛奶與酸奶比例10：1～5：1），用筷子或勺子充分攪拌。還可加入一定量的白糖，使酸奶的口感更好。攪拌均勻后，用蓋子密封。

（3）保溫發(fā)酵。牛奶放在保溫鍋或酸奶機中進行保溫發(fā)酵（40°C左右）。一般發(fā)酵8～10小時即可。隨著發(fā)酵過程的不斷進行，酸度逐漸增加，質地也逐漸變得黏稠。

（4）冷藏保存。將保溫發(fā)酵好的酸奶轉移至冰箱中進行冷藏保存（0～5°C），保存12h后即可食用，此時的酸奶呈半凝固狀態(tài)，質地潔白有光澤，酸甜可口。

在本實踐活動中，教師可以分小組進行活動方案的設計，小組合作探究不同因素對制作的酸奶品質的影響及其甜度和酸度的區(qū)別。例如，設置不同發(fā)酵溫度組別，設置菌種的接種量;設置發(fā)酵過程中的pH及凝固度變化，設置加入白糖的量對酸奶甜度及口感的影響。

5.分享交流，反思總結

各小組制作好酸奶后，大家可以相互品嘗，分享交流，評選哪個小組制作的酸奶品質最好，可設計評價量表（如表2），讓學生進行打分評選。

酸奶的酸度可用酸堿檢測試紙進行測量，隨著接種的時間加長，酸奶的酸堿度逐漸降低，黏稠度逐漸升高。酸奶的甜度則可通過感官評定方式來進行測定。例如，我們可以將蔗糖的甜味系數(shù)定為1，并將蔗糖配制成質量分數(shù)1%的標準溶液。將待測酸奶稀釋成不同的濃度，并讓同學們進行品嘗，使得在稀釋一定程度后的酸奶與質量分數(shù)1%的標準蔗糖溶液甜味程度相同。此時，標準蔗糖溶液濃度和酸奶濃度的比值，就是被測酸奶的甜味系數(shù)。通過酸堿度測試及學生對甜味的評價，可測定并分析不同酸奶樣品的酸度和甜度，從而確定適宜的酸度和甜度范圍。

[參考文獻]

[1]丁奕然，李雁冰.《義務教育生物學課程標準（2022年版）》解讀與教學建議[J].天津師范大學學報（基礎教育版），2022，23（03）：7-12.

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[3]馮爽.中學物理課程跨學科實踐主題的模型構建及實施路徑[J].物理教師，2022，43（05）：59-62，65.