跨學科視閾下基于論證式教學的教學設計

摘 要：本文基于“魚類的呼吸”一節內容，圍繞“魚類的呼吸方式與生活環境相適應”展開論證，融合現代科技引導學生開展跨學科實踐。本課教學設計主要包括：學生通過觀察魚的呼吸方式，提升探究能力；通過分析魚鰓結構，理解魚類具有適應其生活方式和環境的相關結構；利用溶解氧傳感器探究魚的呼吸過程，提高信息技術水平；通過分析前沿科學，引入仿生學教學，構建模型并進行跨學科實踐。學生在教學過程中運用所學知識解決實際問題，加深對知識的理解，提升自身的跨學科實踐能力。

關鍵詞：跨學科教學；論證式教學；魚類的呼吸

文章編號：1003-7586（2024）10-0029-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《義教課標》）明確提出“教學過程重實踐”，探究實踐是培養創新型人才的重要方法，而發現問題、獲得證據、分析證據的過程是其關鍵環節。論證式教學是在教學過程中，采用科學論證的教學策略，通過觀察，查閱資料，結合實驗數據等證據論證、修正、完善主張，加深學生對現象和其本質的理解，促進學生批判、審視、質疑、論證等科學思維的發展。^［1］論證式教學框架是由問題引出的，根據已有的經驗或相關材料形成科學問題的初步主張，再依據科學史、事實或科學探究等證據進行推理，呈現由證據支持的主張。^［2］收集證據和運用證據進行質疑、判斷、解釋的學習過程，就是利用不同學科的知識和方法解決真實復雜問題的過程。^［3］當今，生物學與現代科技融合的跨學科教學實踐既是時代發展的要求，又為中學生物學課堂教學提供了全新的思路。教師從初中生物學教學實際出發，在培養學生結構與功能觀的教學中滲透仿生的內容，既有利于幫助學生加深對生物學知識的理解，提高學生的主觀能動性，又有利于激發學生的創造靈感，拓寬解決問題和創新實踐的路徑。

1 概念分析及設計思路

“魚的呼吸”是北京版義務教育教科書《生物學·七年級·下冊》第六章“生物的呼吸”第三節的內容，主要講述魚類的呼吸與水生環境相適應。該節內容不僅介紹了脊椎動物的呼吸結構特點，也從結構與功能、進化與適應的角度，通過觀察、比較和分類，歸納概括脊椎動物的結構與其生活環境相適應的特征。本節課利用實際生活素材，基于證據引導學生通過觀察、資料分享、探究實驗、仿生應用等方法建立結構與功能觀、進化與適應觀以及生態觀等生命觀念。《義教課標》對本部分的表述是“次位概念2.2.4脊椎動物都具有適應其生活方式和環境的主要特征”。該次位概念也指向了“運用生物學、物理、技術、工程學等學科概念，選擇恰當的材料，設計并制作模型，直觀表征相應的結構和功能，提升探究實踐能力”的相關要求，促進學生跨學科實踐能力的培養。本節論證式教學的模型如圖1所示。

2 教學目標

（1）通過觀察魚口與鰓蓋的開合情況，體驗魚的獨特呼吸方式以及水流在魚口和鰓蓋的流動情況，從生命活動中體會生物的呼吸行為，分析魚口與鰓蓋對魚類的意義，初步形成基于證據和邏輯分析問題的思維習慣。

（2）通過觀察魚鰓的位置、形狀、顏色及顯微結構，了解魚鰓獲取氧氣的結構特點，初步培養結構與功能觀、進化與適應觀。

（3）通過溶解氧數字傳感器探究魚的呼吸過程中水中氧氣含量的變化，培養基于證據和邏輯分析問題的思維方法。

（4）構建仿生模型，分析前沿科學事實，運用生物學、仿生學和其他學科知識、方法，采用工程學技術手段，進行模型設計、制作改進，形成物化成果，將解決問題的想法付諸實踐，逐步提升實踐創新能力，培養跨學科實踐能力。

3 教學過程

本節課程的教學環節設計如圖2所示。

3.1 導入環節，提升探究能力

教師提出問題：魚類不斷地張口、閉口，魚口的開合與鰓蓋的開合是同時進行的嗎？

學生主張：①不是同時進行的；②魚口的開合與鰓蓋的開合由于運動太快，無法觀察清楚。

尋找證據：①借助電子設備，通過錄制視頻再慢放的方式進一步觀察；②更換觀察材料，選擇呼吸頻率較慢的魚，進一步觀察；③小組合作，一人觀察魚口張開，另一人觀察魚口閉合并記錄。

完善修正主張：魚口的開合與鰓蓋的開合是交替進行的。

3.2 分析魚鰓結構，構建結構與功能觀

教師提出問題：魚口不斷開合只是在不停地喝水嗎？在魚的口前方滴入幾滴無毒墨汁或蔬菜汁，會發生什么現象？

學生主張：①為了進食；②為了喝水；③為了呼吸。

尋找證據：①在鯽魚的口前方滴入幾滴火龍果汁，紅色水流不斷從魚口進入，從鰓蓋處流出，說明魚沒有進食，也不是為了喝水；②無毒墨汁或蔬菜汁成束狀進入魚口，呈彌散狀從鰓蓋排出，說明水流在鰓蓋處進行了停留，流出時有一定的壓力。

完善修正主張：魚不斷地張口是為了不斷地呼吸，水流從魚口進入，從鰓蓋排出，水流在鰓蓋下方會短暫停留，能夠使水流與魚鰓充分接觸。

教師提出問題：魚鰓的位置、形狀、顏色分別如何？

學生主張：①魚鰓位于頭部；②魚鰓的形狀為扇形；③魚鰓的顏色為紅色。

尋找證據：學生用鑷子掀起魚的鰓蓋，觀察到魚鰓位于鰓蓋的下方，魚鰓的顏色為紅色。

完善修正主張：魚鰓位于魚頭部后方的鰓蓋內，為紅色的扇形結構。

教師提出問題：魚鰓主要結構是什么？

學生主張：①魚鰓由許多紅色的絲狀結構組成；②魚鰓上還有白色的絲狀結構。

尋找證據：學生通過觀察離體魚鰓，了解到魚鰓由三部分構成，分別是紅色的鰓絲、較硬的鰓弓、白色的鰓耙。

完善修正主張：魚鰓由多個鰓片組成，每個鰓片由鰓絲、鰓弓和鰓耙三部分構成。

教師提出問題：鰓絲的結構是什么？鰓絲是如何與外界實現氣體交換的？

學生主張：①肺的基本結構為肺泡，肺泡周圍具有豐富的紅色的毛細血管，推測鰓絲呈紅色是因為鰓絲的周圍也具有豐富的毛細血管；②肺泡與毛細血管之間通過擴散作用進行氣體交換，推測鰓絲周圍的毛細血管與水流間也能夠通過擴散作用進行氣體交換。

尋找證據：①學生通過光學顯微鏡觀察離體魚鰓，發現鰓絲里面有許多鰓小片，鰓小片與鰓絲垂直分布，鰓小片中含有豐富的毛細血管；②學生通過毛筆在水中和出水后的模擬狀態，發現毛筆的筆頭在水中呈分散狀態，出水后呈聚合狀態；③學生通過觀察離體魚鰓在水中和出水實驗，發現鰓耙和鰓絲在水中呈分散狀態，出水后呈聚合狀態。

完善修正主張：鰓絲里面有許多垂直于鰓絲的鰓小片，鰓小片內含有豐富的毛細血管。當水流不斷由魚口進入時，鰓絲散開，增大了與水的接觸面積；當水流過鰓絲時，水流與毛細血管充分接觸，并通過擴散作用完成氣體交換。

3.3 利用傳感器探究呼吸過程，培養科學思維

教師提出問題：如何證明魚體內發生了氣體交換？

學生主張：①魚體呼出的二氧化碳使水中的二氧化碳濃度增加，有利于植物的光合作用，能夠讓水生植物生長得更好；②水中氧氣減少會導致魚類死亡。

尋找證據：①利用溶解氧傳感器測定瓶中的溶解氧含量，隨著時間的延長，燒瓶中溶解氧含量減少；②利用溶解氧傳感器測定魚口與鰓蓋處的溶解氧（DO）含量，鰓蓋處溶解氧含量比魚口處低（見圖3、圖4）。

完善修正主張：學生利用現代數字化技術檢測水中溶解氧含量的變化趨勢，證明水體與鰓之間發生了氣體交換。

3.4 加深理解，跨學科遷移應用

教師分析前沿科學事實，將仿生學引入初中生物學教學。學生運用所學的知識，構建模型并進行跨學科實踐，解決實際問題。

教師提供資料：科研人員從魚類鰓耙濾食的機制獲得啟發，利用仿生魚鰓結構研制出體外血液凈化器，能夠將患者血液中的致病菌快速捕獲并清除。

學生主張：①可以利用鰓耙的過濾原理，設計河流污水過濾系統，對河流進行污水處理；②可以制作仿生人工魚鰓，讓人類在水下無須使用氧氣瓶供氧；③設計仿魚鰓結構的飄絮清潔裝置，主要結構包括進風口、出風口、袋身以及飄絮過濾結構，進風口用于風向流入，出風口用于風向流出，仿魚鰓結構用于過濾飄絮，同時保證空氣流動。

4 教學反思

部分教師在進行該內容的教學時，大多數采用觀察、播放視頻或動畫的形式進行教學，這種教學模式難以幫助學生多角度、辯證地分析問題，也不利于培養學生的批判質疑意識、科學思維以及科學創新遷移能力。而在論證式課堂教學中，教師通過提出問題或提供科學前沿事實，運用工程學技術等跨學科知識，由淺入深、循序漸進地培養學生構建概念和科學創新實踐的能力。學生通過分析仿生學的科學事實和跨學科實踐應用，提高了學習興趣，加深了對魚鰓結構特點的理解與應用，提升了創新思維，提高了運用知識的實踐能力，最終發展其生物學學科核心素養。

參考文獻

［1］張曉菲，劉宏哲，龐玥.論證教學在社會性科學議題教學中的應用——以“基因檢測”為例［J］.生物學通報，2024，59（1）：17-21.

［2］張雄，謝瑤.基于科學論證的次位概念構建——以“興奮在神經元之間的傳遞”為例［J］.生物學通報，2023，58（12）：31-35.

［3］辛語，胡婷，尹立偉，等.基于仿真軟件用論證式教學提升核心素養——以“探究鳥類適于飛行的特點”教學為例［J］.中學生物教學，2024（2）：49-52.