生產與科研場景視角下的生物學跨學科實踐教學

摘"要：當今時代，科學技術的迅猛發展要求教育不僅要跟上時代的步伐，更要前瞻性地培養未來的創新人才。從生產與科研場景出發，對“生物技術與工程”課程中生物工程部分的跨學科知識進行系統梳理，提出課程中具體的跨學科教學策略建議以及促進科研素養和創新能力培養的教學方式。生產與科研場景視角下的生物學跨學科實踐教學旨在同步課程改革，貫徹立德樹人的教育理念，在新時代背景下為學生提供生產實用性強、科研創新性高的跨學科實踐教學內容，以培養能夠適應未來社會需求的跨學科復合型人才。

關鍵詞：生物學；跨學科實踐；生產與科研

Abstract：In"today's"era，the"rapid"development"of"science"and"technology"requires"education"not"only"to"keep"up"with"the"pace"of"The"Times，but"also"to"cultivate"innovative"talents"in"the"future.Starting"from"the"production"and"scientific"research"scenarios，this"paper"systematically"sorts"out"the"interdisciplinary"knowledge"of"bioengineering"in"Biotechnology"and"Engineering"course，and"puts"forward"specific"interdisciplinary"teaching"strategies"and"suggestions"in"the"course，as"well"as"teaching"methods"to"promote"the"cultivation"of"scientific"research"literacy"and"innovation"ability.The"interdisciplinary"practical"teaching"of"biology"from"the"perspective"of"production"and"scientific"research"scenes"aims"to"synchronize"curriculum"reform，implement"the"educational"concept"of"moral"cultivation，and"provide"students"with"interdisciplinary"practical"teaching"content"with"strong"production"practicability"and"high"scientificnbsp;innovation"in"the"new"era，so"as"to"cultivate"interdisciplinary"and"composite"talents"who"can"meet"the"needs"of"future"society.

Keywords：biology；interdisciplinary"practice；production"and"scientific"research

近年來，生物制造、生物醫藥、生物農業、生態環境等領域工程與技術的迭代發展，密切聯系著生活生產，聚焦前沿生物學科技。在生產與科研雙重場景視角下，生物學教學需要在夯實學生生物學核心素養的基礎上，進一步強化學科間的聯動與融合，尤其要關注學生跨學科知識的學習與整合能力的提升。為此，教師不僅要深耕本學科知識，還需積極拓寬視野，涉獵其他相關學科領域，深入挖掘生物學與其他學科的內在關聯，以實現跨學科的融合教學［1］。新時代，生物學教學與社會科技水平迅速發展、知識的積累與急速增長相對應，傳統學科教學模式很難適應如今的教學現狀，跨學科實踐教學模式中教學導向與實踐舉措并重，對于培養具備綜合素養的現代學生至關重要。

一、生產與科研場景視角下的生物學跨學科實踐教學內容梳理

生物學跨學科實踐教學內容聚焦于科研場景下生命科學前沿技術的發展，同時也強調通過實驗課程、見習實習等與企業實際生產密不可分。在生產與科研都飛速發展的背景下，教師在課堂進行“生物技術與工程”一課的教學，首要的是梳理其中具體的跨學科知識。“生物技術與工程”主要包括生物技術與生物工程兩大部分，在生物技術與工程的發展歷史部分與生物學發展史、科學發展史相呼應，介紹發酵工程、細胞工程、基因工程等伴隨著生物技術如顯微鏡技術、單細胞測序技術、基因組測序技術、蛋白質組學技術等不斷更新的工程原理與范式；生物技術的發展推動著生物工程的更新，生物工程的進步也反哺于生物技術的進步。兩者是辯證統一的關系，生物技術部分的跨學科內容大多與物理儀器發展、化學反應原理的明晰相關聯，而生物工程部分的跨學科知識內容、實踐應用更為復雜。表1以生物工程部分的跨學科實踐知識為內容梳理對象進行生物學知識點、跨學科科目和知識點梳理。

通過內容梳理發現，生物工程中的專題與化學、物理、信息技術等學科聯系緊密。發酵工程是利用微生物進行生產的過程，需要理解微生物如何轉化營養物質、發酵過程中的熱量和物質的轉移，以及計算機程序監控和控制發酵過程［2］；細胞工程涉及對細胞的研究和操作，需要理解細胞內的化學反應過程，尤其是與酶相關的化學知識和胞內的各種力的作用，如利用離心力進行細胞破碎分離［3］；基因工程通過改變生物體的遺傳物質即DNA片段來改變生物的特性，DNA的化學本質是脫氧核糖核酸，在電磁輻射、凝膠電泳的過程中都需要物理原理的幫助。雖然在表1中并未具體列出，但是信息技術分析與模擬不僅可以用于發酵工程的自動化、集成化操作，也同樣應用于細胞工程與基因工程的高通量分析測序［4］。

生物技術部分細分為大分子物質相關技術和組學相關技術，其中大分子物質包括蛋白質、DNA、RNA等，其化學本質知識的學習離不開化學學科，生物技術與組學相關技術的發展同樣也離不開物理原理與實驗器材的發展。生物技術與生物工程部分互促共進，總的來說，“生物技術與工程”是一門處于高度跨學科領域中的課程，它需要化學、物理、數學和信息技術等多個學科的知識。這種跨學科的特性使得課程能夠給以學生跨學科的理論視角和跨學科的實踐活動，教給學生解決復雜真實問題的能力，但也增加了學生學習的難度，需要教師采用合理的教學策略以提升教學效果。

二、生產與科研場景視角下的生物學跨學科實踐教學策略建議

生物學跨學科實踐教學策略在課堂中聚焦于學生未來在生產場景中實踐能力和科研場景下研究能力的提升，錨定高新產業與科學技術的飛速發展，教師恰當的教學策略有助于學生進行多學科知識的整合應用，提高其問題解決能力和團隊協作能力。在“生物技術與工程”跨學科教學內容整合設計的基礎上，教師作為教學策略執行的關鍵人物在設計課程課時教學計劃和跨學科實踐項目時，應勇于突破傳統學科界限，整合不同學科的知識點以形成有機的教學整體。同時，教師可以嘗試將不同學科研究方法和技術進行交叉運用，在真實情境下綜合運用問題驅動、案例透析、微課嵌入等教學策略，通過課堂實驗、項目式學習等方式使學生在親身體驗中深化理解，提高實際操作能力和創新意識。

（一）問題導向，創設情境

教師在課堂導入環節應以真實生產與科研場景中的問題為出發點，引導學生通過跨學科的知識和方法去探索和解決問題，激發學生的學習興趣，并幫助他們形成解決實際問題的能力。

例如，教師希望學生可以通過化學的視角，理解DNA與蛋白質分離的科學依據，并激發起對跨學科知識的興趣。首先，教師展示DNA與蛋白質的化學結構模型，引出它們之間的化學差異，從而說明它們在水中溶解度不同的原因；學生觀察教師所展示的化學結構模型，思考并討論DNA與蛋白質在化學性質上的差異。這一環節是以問題為導向的導入環節，教師通過直觀模型的展示，完成跨學科知識的連接和喚起學生思考。其次，教師結合生物學中的DNA功能及化學中的溶解度原理，詳細解釋DNA與蛋白質在水中溶解度不同的原因，以及如何利用這一原理進行分離，同時嵌入課堂實驗操作演示，重點強調操作過程中的化學變化和生物學現象，引導學生從跨學科的角度觀察和理解實驗；認真聽講，記錄原理，思考如何將生物學與化學知識相結合以解決實際問題，同時學生觀察教師的演示操作，注意記錄操作過程中的化學變化和生物學現象，思考這些變化與原理之間的聯系。最后，教師引導學生自主進行課堂實驗環節，針對實驗中的瓶頸和難點，組織一場深入而富有成效的討論，旨在共同尋求解決之道，并借此機會深化對實驗原理的理解；學生小組合作進行實驗并在討論中分享實驗心得和體會。

通過跨學科知識的整合，學生深入理解了DNA與蛋白質分離的原理，并且通過教師的實驗操作演示，學生直觀地感受了DNA與蛋白質性質的不同，實踐能力和跨學科思維能力得到了提高。教師設計課堂實驗環節強調小組合作與交流分享，培養學生的團隊合作精神，讓學生在實踐中探索知識的應用。

（二）案例透析，前沿觸探

選取與生物學科緊密相關的生產與科研案例，并通過深入分析這些案例觸探前沿科技進展與生產實況，使學生了解跨學科知識在實際應用中的重要性，同時培養他們的分析和判斷能力。學生在案例分析中應重點學習PCR技術涉及的跨學科知識，如化學反應（DNA變性、退火、延伸）、物理原理（熱循環儀的工作原理）以及信息技術（基因序列分析軟件），以此認識不同學科知識在解決實際問題中的協同作用［5］。同時，教師介紹PCR技術在其他前沿科技領域的應用案例，如基因編輯、法醫學鑒定、古代化石研究等，激發學生的好奇心和探索欲望。

當然，教師也可以選取科學史經典案例進行課堂教學，透析案例中科學知識原理，融入科學家精神的培養。例如，選擇肺炎鏈球菌的轉化實驗和噬菌體侵染大腸桿菌實驗，進行DNA是生物體內傳遞遺傳信息的主要物質這一知識點的學習。學生在課堂分析格里菲斯的體內轉化實驗和艾弗里的體外轉化實驗，分析科學史實驗中格里菲斯將R型和S型肺炎鏈球菌同時注入小鼠體內，發現某些小鼠死亡，并且從它們體內分離出了活的S型細菌［6］。學生得出小鼠體內存在某種“轉化因子”，能夠將無毒的R型細菌轉化為有毒的S型；分析科學史中艾弗里及其同事進一步通過化學方法分離出細胞成分，并單獨測試每種成分的轉化能力，學生最終確認DNA是遺傳物質。

通過生產和科研前沿案例和科學史案例的嵌入，提高學生的學習興趣和參與度，學生可以深入了解DNA的重要意義和PCR技術在現在生活實際應用中的重要性，并認識到跨學科知識在解決實際問題中的作用，激發他們對生物學科的熱情。

（三）微課嵌入，理實結合

實驗微課可以為學生提供更廣泛的實驗學習資源，促進理論學習與實踐連續而聯結。在傳統的實驗教學中，由于時間、場地、設備等條件的限制，學生往往只能參與有限數量的實驗。而實驗微課則不受這些限制，它能夠覆蓋更廣泛的實驗內容，包括那些因條件限制而無法在課堂上進行的復雜實驗或高風險實驗。這樣一來，學生就能夠接觸到更多的實驗案例，拓寬他們的知識視野。

例如，教師展示PCR技術在醫學、生物學等領域的應用案例，激發學生興趣，接著提問引導學生回顧DNA基礎知識，為新課內容做鋪墊之后，利用多媒體教學資源展示PCR技術的原理和步驟，詳細解釋PCR技術中的關鍵要素和操作要點，向學生介紹DNA電泳的基本原理和操作步驟。學生在回顧DNA相關知識之后，觀看多媒體教學資源，理解PCR技術的原理和步驟，并記錄關鍵要點，為實驗操作做好準備。這一教學環節，教師通過案例的導入和微課展示，激發學生對新課內容的興趣和好奇心，幫助學生深入理解PCR的原理和操作步驟，掌握DNA電泳的基本原理和方法。

進入課堂實驗環節，教師演示PCR擴增和DNA電泳的規范操作，強調注意事項后引導學生進行小組實驗。通過親手操作實驗，學生得以在實踐中錘煉自己的操作能力，進一步激發科學探究精神，從而深化對PCR技術和DNA電泳的理解與運用。實驗環節中，教師強調實驗操作的準確性和嚴謹性對實驗結果的影響，引導學生觀察、分析電泳圖譜，分析DNA片段的大小和數量，并且總結實驗結果，指出實驗成功或失敗的原因。學生觀察電泳圖譜并深入分析實驗結果，能夠顯著提升觀察力和分析能力，進而增強對實驗結果的深入理解和精準解釋。

課堂結束環節，教師總結本節課的重點內容，帶領實踐操作的學生回顧PCR技術和DNA電泳的要點，拓展了解PCR技術的更多應用，學生的知識面和應用能力都有所提高，為今后的學習和發展打下堅實基礎。

結語

在生物學跨學科實踐的生產與科研背景視角下，以立德樹人為教學的出發點，教師的跨學科實踐教學正是通過將生物學與其他學科的知識相結合，拓寬了學生的知識視野，提高了他們的問題解決能力，讓學生在實踐中學習和掌握知識，在實踐中體驗和感受生命的尊嚴和價值，從而提高他們的實踐能力和創新思維，培養他們的道德品質和社會責任感。

參考文獻：

［1］陶忠華.跨學科融合視閾下的高中生物學課例探析［J］.生物學教學，2018，43（06）：3132.

［2］王燕燕，于放，孫玉梅，等.省一流專業背景下《發酵工藝原理》以學生為中心的線上線下混合式教學改革與實踐［J］.食品與發酵工業，2022，48（08）：336340.

［3］祝遠超.細胞工程教學中常見問題釋疑［J］.生物學教學，2024，49（04）：9495.

［4］熊燕.生物技術與信息技術融合發展帶來的變革［J］.人民論壇，2022（17）：1721.

［5］吳紅漫，李小剛.通過微視頻讓“PCR”走入高中生物學課堂［J］.生物學教學，2020，45（01）：5153.

［6］孫巧玲.課堂教學中落實高中生物學學科核心素養的基本策略：以“DNA是主要的遺傳物質”一節的教學為例［J］.生物學教學，2020，45（05）：2324.

基金項目：河北師范大學2023年度人文社會科學校內科研基金計劃項目（S23B051）

作者簡介：仇晨陽（1999—"），女，漢族，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向：生物學課程與教學論。

*通信作者：于健（1987—"），男，漢族，山東煙臺人，博士研究生，助理研究員，研究方向：科學教育。