凸顯理科屬性：初中生物學(xué)跨學(xué)科實踐活動的教學(xué)研究

鄭云桓

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

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

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

“新課標(biāo)”）中明確提出了“生物學(xué)與社會·跨學(xué)科實踐活動”學(xué)習(xí)主題，這也是此次新課標(biāo)的重要改動和亮點內(nèi)容之一[1]。因此，教師也應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，開展豐富的跨學(xué)科實踐活動，在實踐活動中滲透跨學(xué)科知識，培育學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

一、關(guān)聯(lián)理科屬性：跨學(xué)科內(nèi)容梳理

在實際教學(xué)過程中，生物學(xué)知識往往會和其他學(xué)科知識產(chǎn)生聯(lián)系，這些知識也就成了跨學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容?？鐚W(xué)科的內(nèi)容對于學(xué)生統(tǒng)整性理解學(xué)科發(fā)展、厘清學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系至關(guān)重要[2]。因此，教師在教學(xué)中不僅要關(guān)注生物學(xué)科知識本身，還需要關(guān)注與生物學(xué)知識相關(guān)的跨學(xué)科內(nèi)容。初中生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容中有大量與物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科相關(guān)的跨學(xué)科內(nèi)容，包括在進行生物學(xué)研究當(dāng)中所運用到的科學(xué)方法、技術(shù)原理等等都涉及了大量的學(xué)科交叉內(nèi)容。仿照《義務(wù)教育歷史課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的跨學(xué)科知識圖譜處理方式，筆者將初中生物學(xué)中有關(guān)理科部分的跨學(xué)科內(nèi)容梳理如下。從表1的梳理結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)，由于生命科學(xué)的進步一定程度上依賴于數(shù)學(xué)、物理與化學(xué)的發(fā)展，導(dǎo)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(xué)科內(nèi)容。

二、貫穿理科屬性：跨學(xué)科教學(xué)的基本課型

根據(jù)新課標(biāo)羅列的教學(xué)活動，且考慮到生物學(xué)課程內(nèi)容部分為抽象性概念與情境實例的集合，生物學(xué)課程大致可以分為概念鋪展、實驗探究與調(diào)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(xué)科教學(xué)，方能更好地貫穿理科屬性。因此，研究者基于自身的教學(xué)經(jīng)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(xué)科教學(xué)予以說明。

1.具象模擬的概念鋪陳課跨學(xué)科教學(xué)

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

例如，在進行“眼和視覺”這一概念的教學(xué)中便涉及了物理學(xué)中光的折射原理應(yīng)用：晶狀體就猶如一個凸透鏡，當(dāng)光通過時便發(fā)生了折射，睫狀體通過對晶狀體曲度的調(diào)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(fù)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(xué)科概念的教學(xué)可通過制作眼球結(jié)構(gòu)及成像模型來幫助學(xué)生進行理解。

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

2.定量轉(zhuǎn)化的實驗探究課跨學(xué)科教學(xué)

生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程，初中生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容中包含了大量實驗內(nèi)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(xué)生學(xué)段的心智特征影響，其中多數(shù)的生物學(xué)實驗以定性觀察為主。若以定量轉(zhuǎn)化的方式進行探究，則可以很好地融合化學(xué)與數(shù)學(xué)等密切聯(lián)系的跨學(xué)科內(nèi)容，進而通過跨學(xué)科學(xué)習(xí)幫助學(xué)生掌握實驗原理，感悟生物學(xué)的理科屬性，理解生命現(xiàn)象的本質(zhì)。

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(xué)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(xué)反應(yīng)。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(guān)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(xué)學(xué)科里的顯色反應(yīng)對解決生物學(xué)問題的幫助。

在進行實驗教學(xué)的跨學(xué)科知識滲透中，教師可多采用問題鏈引導(dǎo)的方式進行實驗教學(xué)。例如，在探究實驗“饅頭在口腔中的消化”中，引導(dǎo)學(xué)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(zhì)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(xué)的調(diào)查交流課跨學(xué)科教學(xué)

生命科學(xué)研究中蘊含著大量的物種調(diào)查的發(fā)現(xiàn)式探究，以及科學(xué)史推理的論證式探究過程。因此，調(diào)查交流課也是初中生物學(xué)中的重要課型之一。隨著調(diào)查活動的開展，學(xué)生在觀察生命科學(xué)實例及其現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，通過項目化的學(xué)習(xí)進行深入交流，學(xué)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(xué)習(xí)可以采用一定主題的任務(wù)，讓學(xué)生自主分解問題，注重生物學(xué)與社會中相關(guān)學(xué)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(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的計劃”中，建議學(xué)生分組調(diào)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(diào)查，或到當(dāng)?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(diào)查報告并擬定保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的計劃。如在調(diào)查生態(tài)環(huán)境狀況時，可以讓每組至少選擇一個當(dāng)?shù)卮嬖诘膯栴}進行調(diào)查。

若要調(diào)查當(dāng)?shù)卮髿馕廴厩闆r，那么學(xué)生首先應(yīng)該了解的跨學(xué)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(jié)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(nóng)業(yè)造成巨大的影響，例如二氧化硫等污染物的排放導(dǎo)致酸雨的形成，對森林、農(nóng)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(xué)調(diào)查交流活動中，學(xué)生必須掌握一定的跨學(xué)科知識，才能夠使調(diào)查活動更加有效地開展，更好地理解生物學(xué)與社會的關(guān)系。在進行調(diào)查活動的跨學(xué)科知識滲透時，教師可更多地讓學(xué)生自主查閱資料，以調(diào)查走訪的形式獲得相關(guān)的跨學(xué)科知識，并進行小組匯報，分享、交流調(diào)查結(jié)果。

三、深化理科屬性：跨學(xué)科實踐課例分析

新課標(biāo)中明確提出“生物學(xué)與社會·跨學(xué)科實踐活動”為初中生物學(xué)七大學(xué)習(xí)主題之一，在課時中占比為10%。通過跨學(xué)科實踐活動，學(xué)生能夠認識生物學(xué)與社會的關(guān)系，能夠理解科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的相互關(guān)系。通過設(shè)計和制作，解決現(xiàn)實問題或生產(chǎn)特定的產(chǎn)品，發(fā)展核心素養(yǎng)。

新課標(biāo)將初中階段可供開展的跨學(xué)科實踐活動分為了模型制作類跨學(xué)科活動、植物種植與動物飼養(yǎng)類跨學(xué)科活動和發(fā)酵食品制作類跨學(xué)科實踐活動。模型制作類跨學(xué)科實踐活動，例如制作實驗裝置模擬吸煙有害健康、設(shè)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(xué)科實踐活動，例如探究栽培一種植物所需的物理和化學(xué)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(xué)科實踐活動，例如收集當(dāng)?shù)孛姘湍妇N，比較發(fā)酵效果;設(shè)計簡單裝置，制作酸奶等。

在新課標(biāo)關(guān)于“生物學(xué)與社會·跨學(xué)科實踐活動”的學(xué)業(yè)要求中明確提出，學(xué)生在實踐活動中要嘗試提出需要解決的生物學(xué)和跨學(xué)科問題，設(shè)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(jié)果、交流討論，改進實驗方案[3]。那么，如何有效地開展生物學(xué)與社會·跨學(xué)科實踐活動呢？筆者以“設(shè)計簡單裝置，制作酸奶”這一跨學(xué)科實踐活動為案例，設(shè)計并實施了如下教學(xué)過程。

1.課前準(zhǔn)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(chǎn)物，以及蛋白質(zhì)在不同酸度環(huán)境中的狀態(tài)不同等相關(guān)概念，以牛奶、乳酸菌（或酸奶）為材料，按照乳酸發(fā)酵技術(shù)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(xué)情分析】學(xué)生在八年級上冊已經(jīng)學(xué)習(xí)過微生物的相關(guān)知識，“人類對細菌和真菌的利用”一課中已經(jīng)開展過“制作米酒”活動，對微生物發(fā)酵相關(guān)知識具備一定的實踐基礎(chǔ)，但實踐方案設(shè)計能力相對欠缺。

【跨學(xué)科知識分析】酸奶發(fā)酵中的跨學(xué)科知識，就化學(xué)而言有物質(zhì)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(xué)而言有數(shù)據(jù)收集與分析、繪制圖表。

2.提出跨學(xué)科問題

【情境創(chuàng)設(shè)】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(xué)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(nèi)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(shè)，嘗試引導(dǎo)學(xué)生提出以下跨學(xué)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(zhì)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(zhǔn)備哪些材料？

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

3.跨學(xué)科知識講解

在學(xué)生嘗試收集資料解決跨學(xué)科問題后，可引導(dǎo)學(xué)生以小組交流討論的形式，分享觀點，整合跨學(xué)科知識資料。之后，教師通過講解，明確跨學(xué)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(zhuǎn)化成乳酸，使牛奶產(chǎn)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(zhì)，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(zhì)。

4.實踐活動方案設(shè)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(nèi)后，可倒入保溫鍋中。（如果牛奶出廠時，已經(jīng)經(jīng)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?jǐn)嚢?。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(zhì)地也逐漸變得黏稠。

（4）冷藏保存。將保溫發(fā)酵好的酸奶轉(zhuǎn)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(zhì)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(shè)計，小組合作探究不同因素對制作的酸奶品質(zhì)的影響及其甜度和酸度的區(qū)別。例如，設(shè)置不同發(fā)酵溫度組別，設(shè)置菌種的接種量;設(shè)置發(fā)酵過程中的pH及凝固度變化，設(shè)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(jié)

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(zhì)最好，可設(shè)計評價量表（如表2），讓學(xué)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(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的標(biāo)準(zhǔn)溶液。將待測酸奶稀釋成不同的濃度，并讓同學(xué)們進行品嘗，使得在稀釋一定程度后的酸奶與質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的標(biāo)準(zhǔn)蔗糖溶液甜味程度相同。此時，標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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。

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