初中生物學模型制作類跨學科實踐的教學設計與實施

摘 要：跨學科教育強調知識的整合與應用，鼓勵學生在實踐活動中綜合運用多學科的知識和方法解決實際問題。教師以“吸煙有害健康科普產品研發”為例，通過整合生物學、物理、技術、工程學等多學科知識與技能，在初中生物學教學中設計并實施旨在提升學生健康素養、跨學科思維能力、實踐能力和團隊協作能力的模型制作類跨學科實踐活動，加深學生對吸煙危害的認識與理解，促進學生知識的融合與創新能力的發展。

關鍵詞：初中生物學；跨學科實踐；模型制作；吸煙有害健康

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）25-0072-06

初中生物學作為連接自然科學與日常生活的橋梁，其教學不應局限于書本知識的傳授，更應注重培養學生將所學知識轉化為解決實際問題的能力。生物學與社會·跨學科實踐作為《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《2022年版生物學課標》）新增的課程內容，體現了新課程方案強調培養學生創新與實踐能力的教學理念。模型制作類跨學科實踐活動要求針對特定的生物學內容，運用生物學、物理、技術、工程學等學科概念，以及“結構與功能”“尺度、比例和數量”“系統與模型”等跨學科概念，選擇恰當的材料，設計并制作模型，直觀地表征相應的結構與功能，提升學生的探究實踐能力［1］28。這種學習方式的獨特價值在于能幫助學生深刻理解各學科的概念，促進學生創新思維、決策技巧和團隊協作等綜合素質的發展。然而，目前符合新課程標準要求的模型制作類跨學科實踐教學案例相對較少，致使教師在教學設計與實施過程中面臨不少挑戰。初中階段是學生形成健康觀念和行為習慣的關鍵時期，教師通過設計和實施跨學科實踐活動，引導學生深入探究吸煙的危害，有助于增強學生的健康意識，激發學生對科學探究的興趣。筆者以開展“吸煙有害健康科普產品研發”項目為例，深入分析生物學模型制作類跨學科實踐的學習目標、教學內容、模式設計和實施策略，旨在為教師提供實用的教學參考，促進跨學科實踐教學的有效實施。

一、跨學科實踐的學習目標設定及教學內容整合

（一）立足生物學課標要求設定學習目標

初中生物學模型制作類跨學科實踐學習目標的設定應立足于生物學科，符合《2022年版生物學課標》的要求，致力于提升學生的生物學核心素養，凸顯跨學科實踐學習的獨特價值。同時應與其他相關學科的國家課程標準相協調，確保學習目標、教學內容和評價策略的一致性。學習目標還要與學生當前的學習階段、知識背景緊密相關，確保與學生的認知水平和發展需求相匹配。

“吸煙有害健康科普產品研發”在《2022年版生物學課標》中的學習要求如下：運用多學科的知識和方法自制實驗裝置，模擬香煙煙霧對呼吸道黏膜的危害；形成吸煙有害健康的觀念，自覺拒絕吸煙；學會用科學證據向公眾宣講吸煙有害健康［1］28-29。為提高學習目標的可操作性，切實培養學生的綜合素養，教師可以將“吸煙有害健康科普產品研發”學習目標細分為五個領域（如表1）。

（二）有機整合多學科教學內容

每個學科之間具有一定的內在邏輯和聯系。不同的學科在“吸煙有害健康科普產品的研發”跨學科實踐活動中各自扮演著不同的角色（如圖1）。例如，生物學揭示生命奧秘，助力開發關注生態、健康等主題的科普產品；物理學解析自然規律，激發學生探索科學原理的興趣；工程技術則結合實際應用，使科普產品更具實用性和創新性。有機整合多學科知識，有助于增強科普產品研發的科學性和趣味性，還能提高學生的科學素養。

可見，基于工程設計的關鍵問題是模型制作類跨學科實踐活動中各學科的天然黏合劑，將科學、技術、工程、數學、社會和人文藝術等相關學科自然而然地進行跨學科整合，變成相互聯系的統一整體，能更好地為學生創設跨學科融合機會，培養學生創新能力和解決問題能力。

二、跨學科實踐的教學流程設計及特點

（一）教學流程設計：整合科學探究與工程設計

探究實踐是生物學課程要培養的核心素養之一，主要包括科學探究和跨學科實踐活動，其主要環節為：發現問題或提出任務，制定方案，實施方案，獲得證據或形成初步產品，分析證據或改進設計，得出結論或物化成果，進行表達、交流或展示等［1］5。模型制作類跨學科實踐活動更加強調工程設計和科學探究過程。教師可根據生物學課標要求和教學內容，結合他人對工程設計和科學探究過程的分析比較，從真實情境、關鍵問題、設計方案、實施方案、改進方案和產品交流展示六大共同要素出發［2］，整合工程設計和科學探究過程，作為“吸煙有害健康科普產品研發”的教學流程（如圖2）。

學生首先參與工程設計的1至7環節，制作能收集香煙煙霧的裝置，然后利用裝置收集煙霧，通過科學探究8至12環節模擬香煙煙霧對呼吸道或肺的危害，最后基于兩個過程的成果完成表達、交流或展示。此教學流程需要3周的時間跨度，采用課內課外相結合的教學模式，其中課內4.5課時。

（二）教學流程特點

一是教學流程具有靈活性。“吸煙有害健康科普產品研發”科學探究和工程實踐環節交叉整合或循環迭代，共同服務于一個系統整合的實踐性關鍵問題。但模型構建類跨學科實踐具體流程因學習內容、探究目的和學生個人探究風格、個性化需求的不同而不同，不存在統一的、固定的環節，也不一定是線性的關系。在常見模式中以工程設計為主線，將科學探究整合于工程實踐中，可發生于制定方案之前或者改進設計環節之中，利用探究結論為工程實踐的方案制訂和改進提供依據；兩者也可以為遞進關系，其中一項為另一項的先決條件。因此，教師在教學過程中要靈活處理，避免將跨學科實踐教學流程程式化，以保持其創造性和適應性。

二是學習過程與結果具有開放性。科學探究與工程設計過程雖相似，但在解決方案、成果形式等方面有顯著差異。科學探究的成果形式一般為證據和結論，具有唯一性、一致性，即在相同條件下不同人、不同次的結果和結論具有一致性；而工程設計的成果是物化形式，即使在相同的產品標準下，解決方案和成果形式也具有多元性、開放性。這種開放性要求教師在開展跨學科實踐教學活動時，必須考慮到學生的創造性、學習過程與結果的不確定性，從而確保教學活動的有效性和包容性。

三、跨學科實踐的教學實施策略

（一）創設真實的表現性任務情境

學生學習了人教版生物學七年級下冊“人體的呼吸”單元之后，教師結合“選擇健康的生活方式”教學內容，創設真實的表現性任務情境：學校將面向七年級學生招標，請若干團隊設計和制作一套符合一定標準的科普產品，模擬吸煙損害健康的過程，運用具體的實驗現象和科學證據，在今年5月31日世界無煙日和6月校園科技節上向其他同學宣講吸煙損害健康的原理，幫助同學們形成吸煙有害健康的觀念，自覺拒絕吸煙。你和團隊可否像設計師、工程師一樣運用多學科的知識和方法接受這一挑戰呢？

教師要將學習內容和學習目標轉化為學生要真實完成的表現性任務，引導學生置身于真實或模擬的任務情境中，完成一個可公開展示的產品。接下來，教師將“吸煙有害健康科普產品研發”按活動環節的順序分解為系列子任務，對應系列清晰的操作性活動和階段性成果表現，使跨學科實踐活動流程具體化（如圖3）。

（二）引導學生明確跨學科項目實施的標準和條件

在實施跨學科項目時，引導學生明確作品標準和實施條件，包括作品的材料、用具、操作環境，以及實驗空間、時間和經費等，有助于培養學生在有限條件下進行權衡、抉擇、設計方案和實施方案的能力，也能提高大班教學情境下面向全體學生開展活動的可操作性。

“吸煙有害健康科普產品研發”的設計標準包括：第一，材料是生活中常見、易得的；第二，能利用合適的材料模擬出呼吸道黏膜細胞或肺的結構；第三，通過裝置或實驗能直觀展示出吸煙對健康的危害；第四，成品外形美觀、體積適中、操作方便和能重復使用，總價不超過100元；第五，成品宣傳的內容和形式符合受眾特點，能利用具體的科學證據展示吸煙損害健康的原理。教師可以提供草履蟲、培養液、洗耳球、玻璃管等實驗材料和設備，規定完成項目任務的截止日期。

（三）促進高效的團隊合作

解決現實世界的復雜問題離不開跨專業領域的團隊合作。在跨學科實踐活動中，團隊合作是教學過程中的一種組織形式，也是提升學生的協作能力、獲得人際互動技能的有效途徑。首先，教師引導學生構建學習共同體，明晰團隊合作的要求，并提供必要的指導。其次，學生通過任務分工表來確定各自的角色、任務、標準和時間節點，確保每個團隊成員都能充分參與并為集體目標作出貢獻。此外，通過整合自評與他評活動，學生能夠根據團隊合作的標準，對團隊表現和成果進行自主評估，從而推動團隊的持續改進和發展。有效的團隊合作，有助于學生順利實現學習目標，體驗學習成就感，并形成積極的學習動力。

（四）以工程設計為核心任務和實踐路徑

工程設計是生產生活中問題解決的一種普遍方法，是模型構建必不可少的過程。因此，模型制作類跨學科實踐活動以工程設計任務為核心，強調設計思維。學生在這一過程中應遵循明確的工程實踐路徑，所采取的方法和獲得的思維方式具有可遷移性：當現實中面臨其他挑戰時能夠采用類似的策略來尋找解決方案。

以“吸煙有害健康科普產品的研發”中的發現問題或提出任務環節為例。首先，教師引導學生明確關鍵問題，如設計目標、目標用戶及其需求等。然后，教師鼓勵團隊采用觀察、文獻調研、現有方案分析、訪談和調查等方式，來收集研發吸煙有害健康科普產品所需的信息。具體任務包括：通過網絡閱讀《中國吸煙危害健康報告2020》《2020全球癌癥報告》等資料，完成吸煙有害健康的調查報告，總結吸煙對肺和呼吸道的危害，并在文末注明信息來源；研究調查和記錄至少兩個團隊認可的他人的實驗裝置，結合項目實施的標準和條件形成分析報告。

《2022年版生物學課標》中吸煙有害健康的實驗裝置如圖4所示［1］65，某團隊對該裝置進行了如下分析：優點是原理明白易懂，操作簡單、方便；需要優化之處是左邊空氣泵的小桶材料難以獲取；改進思路是使用礦泉水瓶替代小桶，在上方開設小孔作為加水口，并使用漏斗輔助加水，工作時用軟質橡皮泥封住加水孔以確保裝置的密閉性。經歷這一體現工程設計特征的活動，學生能夠站在已有研究的基礎上，借鑒前人的成果，提出有效的解決方案，提升工程設計領域的理解能力和實踐能力。

（五）鼓勵學生提出多元化解決方案

跨學科實踐問題的解決方案和成果不止一個，教學中教師要避免提供現成的、單一的解決方案，防止方案和產品的同質化。教師應引導學生進行深入的思維活動，經歷制訂方案階段，鼓勵學生提出具有可行性的多樣化的解決方案。團隊成員先通過頭腦風暴活動，圍繞科普產品的名稱、材料、適合人群、設計圖、制作流程等展開創意討論，記錄每個成員的意見；然后按照產品標準、實施條件進行分析討論和衡量；最終按照提供的模板，確認一份團隊成員一致認可的最佳科普產品創意投標書。以下是三個團隊的不同設計方案。

團隊1設計的“模擬探究香煙煙霧對呼吸道黏膜細胞的影響”的方案主要思路：用圖5所示的實驗裝置收集香煙煙霧進行探究，處理瓶中的草履蟲，與未經處理的草履蟲形成對照。通過顯微鏡觀察比較草履蟲的生活狀態，如纖毛擺動、細胞質流動和攝食情況，尋找香煙煙霧對草履蟲纖毛影響的證據。根據呼吸道黏膜細胞與草履蟲都有纖毛的相似性，推斷香煙煙霧對呼吸道黏膜的潛在危害。

團隊2、團隊3設計的“模擬探究香煙煙霧對肺的危害”的方案主要思路：使用圖6、圖7所示的實驗裝置進行探究，模擬連續吸入香煙煙霧后的情況。通過記錄和比較棉花顏色的變化，結合所查閱的資料，分析香煙煙霧對肺部的不利影響，并得出結論。

這三個方案都符合預定的產品標準，但方案的解決策略各異，體現了問題解決的多元性，有利于培養學生的創新思維。

（六）讓學生在動手實踐和循環迭代中實現創意

跨學科實踐倡導“動手做、做中學、創中學”的理念，讓學生在深刻的思維活動基礎上積極參與實踐操作［3］。通過親歷構建模型、實驗探究等活動，學生能夠將方案里的設想和創意通過真實的行動轉化為物化的成果，避免設計方案成為單純的思維活動。

各團隊根據自己的設計方案和成員分工，動手制作煙霧收集裝置的初代產品。然而產品很少能一次成功，團隊可能在多個階段發現方案或模型的不足，經歷重新設計、構建和完善的循環迭代過程。循環迭代是科學探究和工程設計的共同特征，是跨學科實踐學習過程中不可或缺的環節，并不限于特定環節。特別是在“改進設計、物化成果”環節，教師要為學生留出充足的時間體驗這一過程，采用過程性評價和形成性評價相結合，將評價融入學習活動中。教師指導團隊參照圖8的迭代循環及評價流程，依據設定的產品標準，通過組內自評和他評的形式，對初代裝置進行質量測試、收集改進信息，評估證據，發現不足，并據此進行修改和再設計，以形成最佳解決方案和高質量產品。這一過程也體現了評價促進學習和評價即學習的教學理念。

如圖9所示，團隊2在初代產品測試中發現“空氣泵使用玻璃瓶，沒有進水口，無法實現持續加水”的問題，提出改進策略：改用兩個5L礦泉水瓶，增加加水孔，用橡皮泥封口密封，通過玻璃管和乳膠管與水龍頭相連，實現持續加水。通過多次改進形成滿足需求的最終產品。學生利用經過改進的最終裝置收集煙霧完成科學探究，獲得證據，分析證據，得出結論。動手實踐、循環迭代過程加深了學生對理論知識的理解和掌握，提高了學生的探究能力和團隊合作能力，同時發展了學生的批判性思維、分析和決策等高階思維能力。

四、成果展示及教學效果評估

跨學科實踐活動常與相關的評價活動進行整合，將學生視為工程師和科學家的角色，以推介和交流團隊的學習過程與成果。評價活動不應僅在項目結束時進行，而應貫穿整個實踐過程。考慮學生的能力水平、個性特點等差異，教師設計多樣化的表達、交流和展示活動，既能面向全體學生，滿足共同的需求，也能關注個體差異，使每一個學生在不同的學習體驗中都能有所進步。

（一）提供多樣化的表達與展示形式

學生可以根據項目需求，選擇研究報告、展板、演示文稿（PPT）、視頻、海報、實物展示和解說等多種形式進行成果展示。教師應提供展示的模板和范例，以支持學生的成果展示活動。

例如，表2為團隊1的研究報告1d8ef61d212967a1b29053be9694b9e8a5547919c2e5dac4b37fc2a919314b6a的部分內容。從實驗結果可知，香煙煙霧中的有害物質會對草履蟲造成損害，導致纖毛運動變慢，影響草履蟲的生命活動，如攝食、排出廢物和細胞質的運動受到抑制。學生由此得出結論：香煙煙霧可能導致呼吸道黏膜細胞受損，抑制纖毛擺動和細胞的其他生命活動，進而影響呼吸道的正常功能。

（二）創設不同類型、不同層級的交流與展示平臺

學校需為學生提供多樣化的展示形式和不同層次的平臺，將學生階段性成果統整為最終的實踐成果。學校可以設立班級演講、年級作業展、全校性項目成果展、校外學術評審、競賽和展示等多樣化的展示平臺，促進學生相互學習、共同進步。

一是面向全體學生的班級展示。各團隊撰寫研究報告并在班級內展覽；準備3分鐘的產品推介演講稿，介紹產品特點，如有需要可輔以8頁以內的PPT；通過實物演示、解說或PPT形式進行演講，或錄制宣傳視頻推介交流，每個團隊限時4分鐘；使用小組整體績效量表進行自評和互評。

二是中標團隊在全校性活動校園科技節上進行展示。團隊將研究報告制作成展板，在指定攤位展示；向評委現場演講和展示研究過程和成果，接受評委質詢，并進行答辯；現場推介演示裝置，展示實驗結果，指導觀眾參與，接受觀眾評委的小紅花投票；綜合評定，爭取獎學金。

總之，在初中生物學模型構建類跨學科實踐中，教師通過不同學科整合，將物理、化學、工程、藝術等多學科知識運用于生物模型制作過程當中，可以激發學生的探究興趣，促進學生對生物學知識的深入理解和綜合運用，培養學生的工程設計、團隊合作、創新思維和問題解決等綜合能力，為生物學教育提供了一種全面培養學生核心素養的新途徑，進一步提升了初中生物學教學質量。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.義務教育生物學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］鄭葳.中國STEAM發展報告［M］.北京：科學出版社，2017：99.

［3］中華人民共和國教育部.義務教育課程方案（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：5.

注：本文系2024年廣東省基礎教育課程教學改革深化行動專題研究項目（粵教教研函〔2024〕1號）“基于國家課程標準的科學與社會·跨學科實踐主題教學實踐研究”（序號11）和深圳市教育科學“十四五”規劃2023年度課題之成果培育課題“基于設計的生物科學與社會·跨學科實踐的教學設計與實施”（cgpy23013）的階段性研究成果。

（責編 韋榕峰）

作者簡介：沈藝，1981年生，廣東梅州人，碩士研究生，高級教師，主要研究方向為初中生物學教學。