“三新”背景下項(xiàng)目式—跨學(xué)科教學(xué)案例設(shè)計(jì)與實(shí)施

摘要：本文以“滲透作用”為例，闡述利用物理、化學(xué)等相關(guān)學(xué)科交叉知識(shí)開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，分析解決生物學(xué)相關(guān)的知識(shí)和問(wèn)題，旨在引起廣大教育者的共鳴和思考，使其結(jié)合當(dāng)前“三新”背景下的教學(xué)改革，總結(jié)各學(xué)科間的聯(lián)系，探究學(xué)科交叉滲透融合的教學(xué)方法和思路，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)和自身知識(shí)結(jié)構(gòu)的完善，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，使其成為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的綜合型人才。

關(guān)鍵詞：生物學(xué)" 跨學(xué)科" 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)" 案例設(shè)計(jì)

在新時(shí)代背景下，社會(huì)發(fā)展加快、科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步以及環(huán)境污染加劇，一系列問(wèn)題日益凸顯，社會(huì)越來(lái)越需要綜合能力強(qiáng)和素質(zhì)高的人才。學(xué)科交叉式教學(xué)是指以具備優(yōu)勢(shì)的學(xué)科為主，其他相關(guān)學(xué)科為輔，打破原有學(xué)科間的隔閡與壁壘，整合學(xué)科間資源，促進(jìn)基礎(chǔ)學(xué)科與應(yīng)用學(xué)科的融合，培養(yǎng)具備問(wèn)題解決能力、創(chuàng)新能力的新時(shí)代綜合型人才。

利用項(xiàng)目式—跨學(xué)科方式培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維是新課程、新教材改革的重要理念之一。施一公先生在人教版必修教材的開篇科學(xué)家訪談中提到：生物學(xué)已經(jīng)能在分子水平上，利用定量的物理、化學(xué)等手段來(lái)研究生命過(guò)程和重大疾病的分子基礎(chǔ)，從根本上理解生命、促進(jìn)健康。因此，教師利用生物學(xué)與其他學(xué)科的交叉知識(shí)輔助學(xué)生構(gòu)建生物學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)和體系，并引導(dǎo)學(xué)生分析和解釋生物學(xué)相關(guān)現(xiàn)象，符合科學(xué)發(fā)展的基本要求。本文以高考真題為引，以教材中的問(wèn)題探討為輔，著重分析學(xué)科交叉的重要性。

一、高考真題中出現(xiàn)的“巧合”——酶的本質(zhì)

2018年高考真題全國(guó)卷Ⅰ化學(xué)選擇題第8題的B選項(xiàng)表述為：酶是一類具有高選擇催化性能的蛋白質(zhì)。此選項(xiàng)在當(dāng)時(shí)是存在較大爭(zhēng)議的。該題意在考查糖類、脂質(zhì)及蛋白質(zhì)的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及分類等相關(guān)內(nèi)容，與生物學(xué)科內(nèi)容有極高的相似度，不依據(jù)題號(hào)辨別，多數(shù)學(xué)生可能會(huì)認(rèn)為其是生物學(xué)科高考題。但是該題出現(xiàn)明顯的“巧合”偏差，就是B選項(xiàng)中關(guān)于酶的概念在不同學(xué)科間的分析或表述是有差異的。

化學(xué)學(xué)科認(rèn)為酶是一類具有高選擇催化性能的蛋白質(zhì)；生物學(xué)科認(rèn)為酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的，且具有催化作用的有機(jī)物，其中極少數(shù)成分為RNA，而絕大多數(shù)都是蛋白質(zhì)。由此可以看出，學(xué)科間的差異導(dǎo)致學(xué)生在發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題時(shí)出現(xiàn)疑惑，其主要因?yàn)閷W(xué)科教學(xué)缺少融合滲透。同樣，各種復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題，基本上都具備綜合性和跨學(xué)科性等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的分科教學(xué)缺少學(xué)科間的滲透融合，對(duì)學(xué)生構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)體系和發(fā)展學(xué)生綜合思維能力有部分影響。因此，在常規(guī)分科教學(xué)的基礎(chǔ)上，借助多種學(xué)科教學(xué)內(nèi)容開展項(xiàng)目式—跨學(xué)科教與學(xué)，可豐富教學(xué)方式，發(fā)揮學(xué)生自身特長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)生思維創(chuàng)新能力，提升學(xué)生核心素養(yǎng)，可謂一舉多得。

二、高考真題中生物學(xué)與化學(xué)學(xué)科的交叉應(yīng)用

以2020年高考真題全國(guó)卷Ⅱ生物第5題為例，本題意在考查滲透作用的條件等相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，滲透作用為生物學(xué)新教材必修一“被動(dòng)運(yùn)輸”中的一部分內(nèi)容，是開展大單元深度學(xué)習(xí)的重要組成部分，其概念、條件及過(guò)程方向更是需要重點(diǎn)分析和學(xué)習(xí)的模塊。

若教學(xué)中未能闡明滲透作用中濃度差是指物質(zhì)的量濃度差，而非質(zhì)量濃度差，或者學(xué)生對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與物質(zhì)的量濃度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系掌握不夠牢固，勢(shì)必造成學(xué)生存在知識(shí)漏洞的情況，出現(xiàn)分析和理解偏差。因此，積極開展項(xiàng)目式—跨學(xué)科教與學(xué)，將化學(xué)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行分析拓展應(yīng)用，在提高學(xué)生能力的同時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，加強(qiáng)學(xué)生知識(shí)遷移和應(yīng)用能力，提升學(xué)生核心素養(yǎng)。基于此，我們應(yīng)首先明確與滲透作用相關(guān)的知識(shí)和內(nèi)容（如表1）：

其次，將植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)作為滲透作用的應(yīng)用案例，分析問(wèn)題時(shí)應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)對(duì)應(yīng)膜兩側(cè)的濃度差為細(xì)胞液與外界溶液之間的物質(zhì)的量濃度差，而非溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差（或質(zhì)量濃度差）。那么在兩濃度差間建立起橋梁和聯(lián)系，則是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。若在進(jìn)行生物學(xué)“滲透作用”相關(guān)教學(xué)時(shí)，適當(dāng)開展與化學(xué)學(xué)科交叉的跨學(xué)科—項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，將化學(xué)中溶液的物質(zhì)的量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)等相關(guān)內(nèi)容予以展現(xiàn)和分析，必然有利于學(xué)生分析和理解（如表2）：

學(xué)生在理解和掌握物質(zhì)的量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系后，對(duì)該高考題的疑惑便迎刃而解。

通過(guò)建立物質(zhì)的量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的聯(lián)系，理解溶液在質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，溶液物質(zhì)的量濃度不同，從而造成滲透作用吸水存在差異。通過(guò)開展項(xiàng)目式—跨學(xué)科教與學(xué)，學(xué)生可以主動(dòng)思考，利用學(xué)科交叉知識(shí)將所學(xué)內(nèi)容化繁為簡(jiǎn)、活學(xué)活用，建立學(xué)科知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，拓展思維，提升核心素養(yǎng)。

2019年版新教材生物學(xué)必修一“被動(dòng)運(yùn)輸”一節(jié)的問(wèn)題探討（如表3）中提到：漏斗管內(nèi)的液面會(huì)上升多少？會(huì)無(wú)限升高嗎？教師教授該部分時(shí)，主要分析滲透作用的條件和方向等。而“膜兩側(cè)的濃度差導(dǎo)致水進(jìn)出漏斗的速度不同”“當(dāng)管內(nèi)液體上升到一定高度，管中產(chǎn)生的壓力使水的擴(kuò)散達(dá)到平衡，液面不再上升，那么達(dá)到平衡后半透膜兩側(cè)是否仍有濃度差？若有，液面為何不再上升？”此類問(wèn)題，讓多數(shù)學(xué)生頓感疑惑，也讓部分教師束手無(wú)策。而借助交叉學(xué)科——物理學(xué)中液體壓力壓強(qiáng)等相關(guān)知識(shí)，開展跨學(xué)科—項(xiàng)目式教學(xué)進(jìn)行定量分析，問(wèn)題則迎刃而解（如表4）。

倒置漏斗中的溶液對(duì)半透膜有向下壓力，而溶液物質(zhì)的量濃度偏大，導(dǎo)致滲透壓方向向上，當(dāng)漏斗中形成的液柱對(duì)半透膜向下的壓力與溶液向上的滲透壓相等時(shí)，達(dá)到平衡（如下公式推導(dǎo)）。

液體壓力F=ρgΔhS=πΔCB=F0滲透壓。

依據(jù)定量分析發(fā)現(xiàn)，液體壓力與滲透壓之間的關(guān)系可視為高度差Δh與半透膜兩側(cè)物質(zhì)的量濃度差ΔCB的關(guān)系：Δh～ΔCB。漏斗中液面若要維持一定高度Δh，必須膜兩側(cè)有一定的物質(zhì)的量濃度差ΔCB，如此便解決了平衡后膜兩側(cè)仍有濃度差及液面不繼續(xù)上升等相關(guān)問(wèn)題。通過(guò)生物學(xué)科和物理學(xué)科的交叉開展定量分析，便可輕而易舉解決師生疑惑。

四、模擬題中跨學(xué)科知識(shí)綜合拓展

有關(guān)滲透作用相關(guān)內(nèi)容的討論分析，主要集中于溶質(zhì)分子不能透過(guò)半透膜。此類內(nèi)容可通過(guò)高度差Δh與半透膜兩側(cè)物質(zhì)的量濃度差ΔCB的關(guān)系Δh～ΔCB判斷并解決。但若溶質(zhì)分子能穿過(guò)半透膜，進(jìn)而導(dǎo)致膜兩側(cè)的濃度有所變化的情況時(shí)，我們需從動(dòng)態(tài)平衡的角度進(jìn)行分析，利用化學(xué)微觀粒子動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)和滲透壓等方面的知識(shí)進(jìn)行解釋。

如模擬題：某U型管滲透裝置裝有甲和乙不同種溶質(zhì)分子的兩種溶液（兩溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同），溶質(zhì)甲和水分子可以穿過(guò)半透膜，但溶質(zhì)乙不能，開始時(shí)U型管兩側(cè)高度一致，則在發(fā)生滲透作用過(guò)程中兩側(cè)液面變化情況和最終兩側(cè)液面情況分別是什么樣的呢？

在解答該問(wèn)題之前，首先我們要明確半透膜兩側(cè)滲透壓的問(wèn)題，它是指溶液中微觀粒子對(duì)水的吸引力，其大小與溶液中溶質(zhì)微粒的多少有關(guān)，微粒越少，滲透壓越低。其次溶液中溶質(zhì)溶解時(shí)，其對(duì)應(yīng)微粒做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，無(wú)序度增加，混亂度增加，其熵也增加，最終使溶液向動(dòng)態(tài)平衡的趨勢(shì)發(fā)展。題干中雖明確溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相等，但由于兩種溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量未知，需對(duì)兩溶液的物質(zhì)的量濃度進(jìn)行分類討論，這是學(xué)生的易錯(cuò)點(diǎn)一。

若甲的溶質(zhì)摩爾質(zhì)量大于乙，通過(guò)轉(zhuǎn)換關(guān)系可知乙溶液的物質(zhì)的量濃度偏高，對(duì)應(yīng)U型管右側(cè)滲透壓偏高，液面上升。但基于物質(zhì)擴(kuò)散平衡原理，乙溶質(zhì)可以穿過(guò)半透膜進(jìn)入甲溶液，使膜兩側(cè)的乙溶質(zhì)有轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶庀嗟鹊内厔?shì)，導(dǎo)致U型管左側(cè)溶液的甲乙兩溶質(zhì)物質(zhì)的量總濃度增加并最終高于U型管右側(cè)，進(jìn)而引起左側(cè)滲透壓高于右側(cè)，吸水能力強(qiáng)于右側(cè)，導(dǎo)致左側(cè)液面逐漸升高并最終高于右側(cè)，這是學(xué)生的易錯(cuò)點(diǎn)三。

以學(xué)科交叉融合為基礎(chǔ)開展教與學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，積極探索跨學(xué)科融合的教學(xué)模式，開展項(xiàng)目式—跨學(xué)科教與學(xué)課堂實(shí)踐，可以促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面提升。

五、總結(jié)與反思

開展項(xiàng)目式—跨學(xué)科教與學(xué)是新時(shí)代社會(huì)發(fā)展的需求。社會(huì)的高速發(fā)展帶來(lái)的復(fù)雜棘手的社會(huì)性問(wèn)題往往都不是利用單一學(xué)科知識(shí)能解決的，需要融合多學(xué)科知識(shí)才能解決社會(huì)性問(wèn)題。

開展項(xiàng)目式—跨學(xué)科教學(xué)是“新課標(biāo)、新教材、新高考”的必然要求。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》實(shí)施建議中明確強(qiáng)調(diào)注意學(xué)科間的聯(lián)系，加強(qiáng)學(xué)科間的橫向聯(lián)系。這將有利于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)、科學(xué)的思想方法和跨學(xué)科的科學(xué)概念和過(guò)程。根據(jù)新教材構(gòu)建生物學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)和體系、分析和解釋生物學(xué)相關(guān)現(xiàn)象，有利于學(xué)生建立科學(xué)的生命觀、正確的價(jià)值觀和積極的世界觀。新高考模式下的3+1+2改革，打破了傳統(tǒng)文理學(xué)科間的壁壘，更加注重對(duì)學(xué)生問(wèn)題解決能力、思維遷移能力、創(chuàng)新應(yīng)用能力以及學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，項(xiàng)目式—跨學(xué)科教與學(xué)則是實(shí)現(xiàn)對(duì)“新課標(biāo)、新教材、新高考”要求的重要途徑之一。

開展項(xiàng)目式—跨學(xué)科教學(xué)是對(duì)新時(shí)代教師教學(xué)的必然要求，是培養(yǎng)符合新時(shí)代社會(huì)發(fā)展需求的創(chuàng)新性和綜合性人才的重要途徑。教師要不斷更新理念，在掌握本專業(yè)的學(xué)科知識(shí)的同時(shí)，還要具備學(xué)科交叉意識(shí)，積極學(xué)習(xí)相關(guān)學(xué)科的知識(shí)，與相關(guān)學(xué)科教師積極溝通，依據(jù)學(xué)生知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和能力，抓住學(xué)科間滲透融合的交叉點(diǎn)，適時(shí)適度地在教學(xué)中滲透相關(guān)學(xué)科知識(shí)，提高學(xué)生的思維遷移能力。

開展項(xiàng)目式—跨學(xué)科教學(xué)是對(duì)新時(shí)代高中生學(xué)習(xí)的必然要求，不僅能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、遷移和應(yīng)用能力，更有利于學(xué)生掌握必備知識(shí)，形成關(guān)鍵能力以及學(xué)科素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，完善自身知識(shí)結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生核心素養(yǎng)，使其成為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的綜合型人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]張紫屏.跨學(xué)科課程的內(nèi)涵、設(shè)計(jì)與實(shí)施[J].課程.教材.教法，2023，43（1）：66-73.

[2]朱玉娟.高中生物學(xué)跨學(xué)科交叉教學(xué)研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2022.

[3]姚菲，陳嚴(yán).如何開發(fā)跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)課程資源——以蘇教版生物學(xué)八（上）“生物多樣性及其保護(hù)”教學(xué)為例[J].初中生世界，2022（48）：66-68.

[4]葛麗紅.從高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)談學(xué)科交叉的重要性[J].中學(xué)生物教學(xué)，2018（12）：9-10.

[5]吳朝暄，管曉恬，林麗珍，等.利用教材學(xué)科交叉內(nèi)容 發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維[J].生物學(xué)教學(xué)，2021，46（10）：25-26.

[6]王冰瑜.與化學(xué)相融合的高中生物有效思維課堂的構(gòu)建——以《降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶》一課為例[J].延邊教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，34（3）：232-234.