基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的跨學(xué)科探究

摘" 要：數(shù)學(xué)是探索自然科學(xué)的重要工具，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)去解答跨學(xué)科的難題，可以讓問題變得更加直觀和簡單。將數(shù)學(xué)融入其他自然科學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，能幫助解讀它們的本質(zhì)。文章以一道數(shù)學(xué)中考題為切入點(diǎn)開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究，在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)思想下解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科研究能力。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科教學(xué)；跨學(xué)科思維；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)

一、跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的教材設(shè)計(jì)思路探究

《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中指出，在義務(wù)教育階段，數(shù)學(xué)語言主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)意識(shí)和數(shù)據(jù)觀念，模型意識(shí)和模型觀念、應(yīng)用意識(shí)。學(xué)生能夠有意識(shí)地運(yùn)用數(shù)學(xué)語言與其他學(xué)科事物中的性質(zhì)、關(guān)系和規(guī)律，逐步形成跨學(xué)科應(yīng)用意識(shí)和實(shí)踐能力，這就迫切需要在教學(xué)中引入跨學(xué)科主題教學(xué)，尤其是以數(shù)學(xué)的數(shù)據(jù)分析觀念解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題。在結(jié)合科學(xué)實(shí)驗(yàn)的跨學(xué)科項(xiàng)目化教學(xué)中需注意以下幾點(diǎn)：一是要做調(diào)查研究，收集數(shù)據(jù)，通過分析判斷，體會(huì)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)涵的信息；二是針對(duì)同樣的數(shù)據(jù)，可以運(yùn)用多種分析方法，需要根據(jù)問題的背景而選擇合適的方法；三是要通過數(shù)據(jù)分析體驗(yàn)隨機(jī)性；四是要清楚數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)分析。

與傳統(tǒng)跨學(xué)科項(xiàng)目相比，面臨的問題在類型、規(guī)模和難度上都有巨大不同，因此當(dāng)前的跨學(xué)科研究呈現(xiàn)出一些新的態(tài)勢(shì)和特點(diǎn)。其一，是學(xué)科跨度加大、數(shù)目增加、非學(xué)科類內(nèi)容日益增多，方式日趨復(fù)雜，界限越來越不明晰；其二，科學(xué)研究中組織化程度提高了，通過這種組織，不同的學(xué)科和領(lǐng)域的教師自覺地開展合作性的科學(xué)研究，學(xué)科封閉越來越?jīng)]有市場(chǎng)和發(fā)展空間；教學(xué)中，教師通過小組實(shí)驗(yàn)帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行探究。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師通過一道數(shù)學(xué)題，成功引導(dǎo)了學(xué)生從科學(xué)實(shí)驗(yàn)的角度探究植物光合作用的原理，并通過開展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)驗(yàn)證了自己的猜想；同時(shí)，教師還結(jié)合了數(shù)據(jù)分析，開展跨學(xué)科教學(xué)。由此幫助學(xué)生提升跨學(xué)科思維，提高學(xué)生分析問題和解決問題的實(shí)踐能力。

二、跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的教學(xué)目標(biāo)探究

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，為著重培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科核心素養(yǎng)，教師應(yīng)制訂相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)。在本項(xiàng)目中，學(xué)生通過初中科學(xué)中的實(shí)驗(yàn)研究解決一個(gè)真實(shí)的、有吸引力且復(fù)雜的問題。跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是以學(xué)生為中心，基于真實(shí)問題情境，以知識(shí)建構(gòu)、問題解決、成果呈現(xiàn)為目的。

第一，通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)，了解綠色植物的原料、產(chǎn)物以及實(shí)驗(yàn)條件，理解光合作用原理在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的運(yùn)用及發(fā)展趨勢(shì)。

第二，運(yùn)用已掌握的知識(shí)做出實(shí)驗(yàn)假設(shè)，嘗試控制實(shí)驗(yàn)變量，設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)。引導(dǎo)學(xué)生記錄、處理數(shù)據(jù)，培育學(xué)生的研究探索能力。

第三，培養(yǎng)小組合作互動(dòng)，創(chuàng)建良好的學(xué)習(xí)氛圍，幫助學(xué)生樹立對(duì)科學(xué)知識(shí)的探索精神。

第四，學(xué)習(xí)科研人員探究大豆光合作用速率實(shí)驗(yàn)的方法，掌握科學(xué)的結(jié)論。

第五，經(jīng)過對(duì)兩組數(shù)據(jù)的比較和計(jì)算方差得知：方差越大的那組大豆，光合作用速率更不穩(wěn)定，波動(dòng)也越厲害。幫助學(xué)生學(xué)會(huì)利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析解決問題。

三、跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的教學(xué)過程探究

（一）實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入

第一步，科學(xué)教師引入實(shí)驗(yàn)探究：天竺葵光合作用的實(shí)驗(yàn)探究。

第二步，明確實(shí)驗(yàn)材料：天竺葵、暗箱、燒杯、酒精燈、鐵架臺(tái)、 黑紙片、蒸餾水、酒精溶液、碘液等。

第三步，出示課件：《實(shí)驗(yàn)探究：綠色植物在光下制造有機(jī)物》。

第四步，提出疑問：綠色植物在光下能制造有機(jī)物嗎？教師需引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合理猜想，強(qiáng)調(diào)“光下”這個(gè)先決條件。

第五步，作出猜想：綠色植物是否只能在光下才能制造出有機(jī)物。

（二）小組活動(dòng)

1. 小組討論，合作制訂實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

學(xué)生開展小組交流活動(dòng)，形成實(shí)驗(yàn)思路。交流內(nèi)容：針對(duì)假設(shè)猜想，是否需要對(duì)照實(shí)驗(yàn)；若需要對(duì)照實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該更改哪些條件等問題。在學(xué)生充分討論后，對(duì)各個(gè)問題做出解答。

第一步，確定問題。根據(jù)是否有光所做的對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，以下哪一種方案更科學(xué)、合理？A方案是選兩盆綠色植物，然后各選一片葉子進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)；B方案是選一盆綠色植物，然后隨機(jī)擇取兩片葉子進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)；C方案是選一盆綠色植物，然后隨機(jī)擇取一片葉子的兩部分進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

第二步，學(xué)生回答。假如學(xué)生最終選擇了C方案，那么他應(yīng)進(jìn)一步說明選擇C方案的依據(jù)。

第三步，教師總結(jié)。教師應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、改變單一變量的實(shí)驗(yàn)思路，幫助他們掌握單一變量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理。在該實(shí)驗(yàn)中，“光”是實(shí)驗(yàn)的首要條件，C方案中“一片葉子的兩個(gè)部分”是變量最少的，因此選擇C方案。

第四步，內(nèi)容引申。教師可讓學(xué)生猜想綠葉在光下制造的有機(jī)物可能是什么。

2. 科學(xué)教師演示實(shí)驗(yàn)

第一步，確定實(shí)驗(yàn)對(duì)象：淀粉（在實(shí)物投影儀下做實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）。

第二步，明確實(shí)驗(yàn)要求：用碘液滴到饅頭上，觀察饅頭顏色的變化。

第三步，教師總結(jié)：淀粉遇碘變藍(lán)，由此得出，可以用這個(gè)方法驗(yàn)證淀粉的存在。

第四步，小組討論：盆栽天竺葵1號(hào)：先暗處理一晝夜，然后進(jìn)行葉片遮光，隨后光照數(shù)小時(shí)；盆栽天竺葵2號(hào)：前提未經(jīng)暗處理，進(jìn)行葉片遮光，隨后光照幾小時(shí)；盆栽天竺葵3號(hào)：實(shí)驗(yàn)期間一直放在暗處。

第五步，學(xué)生思考： 第一，應(yīng)選用哪一盆天竺葵作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)材料；第二，在天竺葵上有遮光和未遮光的葉片，其中，同時(shí)正反兩面都被遮住一部分的葉片與只用黑紙片遮住表皮的葉片相比，應(yīng)選取哪一類葉片來做實(shí)驗(yàn)；第三，簡述選取的理由；第四，是否可以在剛摘下的葉片上滴加碘液來觀察葉色的變化.

待科學(xué)教師演示完實(shí)驗(yàn)，學(xué)生即可開展合作，然后小組派代表進(jìn)行跨組交流，最后由科學(xué)教師幫助各組完善實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的流程及內(nèi)容，完成實(shí)驗(yàn)后各小組派代表匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3. 分析原因

第一，“為什么實(shí)驗(yàn)要加熱，進(jìn)而溶解葉綠素”？第二，“清水和酒精，哪個(gè)更溶解葉綠素”？第三，“使用酒精，為什么要隔水加熱”？第四，“實(shí)驗(yàn)過程中，綠色植物制造產(chǎn)生的有機(jī)物是什么”？第五，“實(shí)驗(yàn)過程中，為什么用黑紙片把葉片的一部分兩面都遮起來”？

4. 總結(jié)歸納

第一，回顧實(shí)驗(yàn)全過程，總結(jié)實(shí)驗(yàn)步驟。第一步是對(duì)正常植株暗處理；第二步是將葉片一半曝光一半遮光；第三步是在光下再培養(yǎng)一段時(shí)間；第四步是酒精加熱脫色；第五步是用碘液處理脫色后的葉片；第六步是觀察葉片顏色的變化。

第二，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)得知，曝光的葉片經(jīng)過碘液處理后會(huì)變成藍(lán)色，而遮光的葉片經(jīng)過碘液處理后不會(huì)變藍(lán)。

第三，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過程中滴碘變藍(lán)區(qū)域——有淀粉；實(shí)驗(yàn)過程中滴碘不變藍(lán)區(qū)域——沒有淀粉；實(shí)驗(yàn)過程中變藍(lán)區(qū)域——接受了光照；實(shí)驗(yàn)過程中不變藍(lán)區(qū)域——沒有接受光照。于是學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：綠葉可在光下形成淀粉。

初中科學(xué)是一門融合生物、化學(xué)、物理等多門課程的精密型綜合理科。在項(xiàng)目化推進(jìn)科學(xué)教學(xué)以及解決科學(xué)實(shí)驗(yàn)核心概念、核心內(nèi)容、核心思想、核心能力等關(guān)鍵問題的過程中，不可避免地需要進(jìn)行跨學(xué)科設(shè)計(jì)、討論、融合、提煉、遷移。在制定天竺葵光合作用的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中，創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)情境，讓學(xué)生切身體會(huì)到光合作用的數(shù)據(jù)收集、處理及變量設(shè)定，利用數(shù)學(xué)跨學(xué)科的方差理念與知識(shí)進(jìn)行深度融合的教學(xué)活動(dòng)，解決實(shí)際問題，提升學(xué)生創(chuàng)新、邏輯思維的高度，有效激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣，打破學(xué)科之間的壁壘，與學(xué)生的真實(shí)生活建立更好的聯(lián)系。

四、跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)案例

《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中指出，要建立應(yīng)用意識(shí)。應(yīng)用意識(shí)就是有意識(shí)地運(yùn)用數(shù)學(xué)的概念、原理、方法去解釋現(xiàn)實(shí)世界方法和規(guī)律，解決現(xiàn)實(shí)世界的問題。通過跨學(xué)科主題項(xiàng)目化學(xué)習(xí)建立不同學(xué)科之間的聯(lián)系。在此結(jié)合大豆光合作用實(shí)驗(yàn)引入。以天竺葵的光合作用實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合大豆光合作用速率結(jié)論，來解決一道中考數(shù)學(xué)真題，從而開展跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)研究，使得課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)核心素養(yǎng)得到發(fā)展。

【2022年山西省中考數(shù)學(xué)真題】

生物學(xué)研究表明，植物光合作用速率越高，單位時(shí)間內(nèi)合成的有機(jī)物越多。為了解甲、乙兩個(gè)品種大豆的光合作用速率，科研人員從甲、乙兩個(gè)品種的大豆中各選五株，在同等實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)量它們的光合作用速率（單位：umol﹒m-2﹒s-1），結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1，則兩個(gè)大豆品種中光合作用速率更穩(wěn)定的是_______（填“甲”或“乙”）。

（一）問題探究

問題1：探究兩組大豆的光合作用速率快慢是通過什么統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來反應(yīng)的？

學(xué)生回答：先觀察各組數(shù)據(jù)，然后計(jì)算光合作用速率的平均數(shù)，平均數(shù)越大，速率越快；平均數(shù)越小，速率越慢。這一題中，已經(jīng)給出兩組速率的平均數(shù)相等，因此不需要再去計(jì)算平均數(shù)。

問題2：在兩組光合速率平均數(shù)相等的情況下，哪一組光合作用速率更加穩(wěn)定？學(xué)生回答：對(duì)比兩組數(shù)據(jù)，通過比較平均數(shù)，計(jì)算方差，方差越大的那一組，大豆光合作用的速率越不穩(wěn)定。

（二）真題計(jì)算

第一步，學(xué)生小組各自進(jìn)行計(jì)算，由各小組組長對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行展示并相互點(diǎn)評(píng)。

第二步，教師展示正確解答：

甲組的方差為：

乙組的方差為：

∵ 29.6gt;4

∴ 兩個(gè)大豆品種中光合作用速率更加穩(wěn)定的是乙，故答案為：乙。

（三）題后討論

學(xué)生1：方差公式比較復(fù)雜，在計(jì)算的時(shí)候容易出錯(cuò)，尤其容易忘記將各組數(shù)據(jù)與平均數(shù)之差進(jìn)行平方。

學(xué)生2：有的人忘記除以n。

學(xué)生3：有的人在寫的過程中方差符號(hào)S2右上角的平方漏掉了。

學(xué)生4：有的人只會(huì)計(jì)算方差，但并不理解方差的意義，不知道方差越大，數(shù)據(jù)波動(dòng)越小。

學(xué)生5：有人記反了，以為方差越大，數(shù)據(jù)波動(dòng)越大。

學(xué)生6：方差要結(jié)合平均數(shù)一起看，比如一個(gè)人數(shù)學(xué)成績一直都在0分到10分波動(dòng)，但另一個(gè)人的分?jǐn)?shù)在30分到90分之間波動(dòng)。很顯然，第一個(gè)人方差較小，成績穩(wěn)定；第二個(gè)人方差較大，成績不穩(wěn)定，但其成績更好。因此，討論方差之前，應(yīng)先看平均數(shù)。

（四）小組活動(dòng)中的教學(xué)總結(jié)

本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)是以“方差和標(biāo)準(zhǔn)差教學(xué)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合”為基礎(chǔ)進(jìn)行的一次探索。最初設(shè)計(jì)雛形來源于2022年山西省中考數(shù)學(xué)真題，結(jié)合科學(xué)實(shí)驗(yàn)中植物的光合作用教學(xué)內(nèi)容，從提升學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)原理、收集數(shù)據(jù)、總結(jié)結(jié)論、理解問題背景、解決數(shù)學(xué)問題及開展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)等內(nèi)容作為跨學(xué)科教學(xué)的切入點(diǎn)，從而培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⒔鉀Q問題能力，以及鍛煉學(xué)生在特定情境下運(yùn)用“核心概念”的能力。這個(gè)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)的邏輯和銜接考慮得較為充分，所以整體跨學(xué)科教學(xué)實(shí)施情況較為順利。

跨學(xué)科素養(yǎng)呼喚跨學(xué)科的教學(xué)與設(shè)計(jì)，跨學(xué)科教學(xué)衍生出跨學(xué)科中考題其中一項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)、組織、指導(dǎo)、實(shí)踐上，需要讓學(xué)生經(jīng)歷真實(shí)、多元的跨學(xué)科問題情境，科學(xué)實(shí)驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)，經(jīng)過激烈的醞釀、比對(duì)、討論、篩選、體驗(yàn)、修正、完善、選擇、實(shí)踐、歸納、反思、分析等學(xué)習(xí)過程，實(shí)現(xiàn)真正意義上的跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)。

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