跨學科視閥下的生物學單元教學內容重構

[中圖分類號] G633.91 [文獻標識碼] A[文章編號] 1674-6058（2025）17-0075-04

《義務教育課程方案（2022年版）》提出，“加強課程內容與學生經驗、社會生活的聯系，強化學科內知識整合，統籌設計綜合課程和跨學科主題學習”“突出學科思想方法和探究方法的學習，加強知行合一、學思結合，倡導‘做中學’‘用中學‘創中學'\"]。跨學科實踐是義務教育生物學和信息科技課程標準中課程內容的共同主題，因此，設計有邏輯關聯的生物學和人工智能概念、學科思想和方法的教學活動，開發“人工智能（AI識別中草藥\"單元課程，對協同育人目標的實現具有重要意義。

一、跨學科視閥下的單元主題確立與分析

《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱課程標準）在“生物多樣性\"學習主題中的教學建議為“充分利用本地的生物資源，組織學生識別生物的特征，嘗試開展分類活動”。人工智能（AI）是義務教育信息科技課程內容的邏輯主線之一，機器學習是實現人工智能的方式，而分類任務是機器學習的一類核心任務。根據對生物學課程標準中學習主題“生物學與社會·跨學科實踐”的要求，本文選擇中草藥作為研究對象，以人類和機器學習編程識別中草藥及對中草藥進行分類為主線，通過利用本地的中草藥資源組織學生識別中草藥，嘗試對給定的一組中草藥進行分類、制作檢索表，利用人工智能進行圖像分類等，以此來組織單元課程內容，建立生物學與信息科技的橋梁，從而引導學生建構“對生物進行科學分類需要以生物的特征為依據”“圖像識別是人工智能技術的實現方式之一\"等重要概念，解決人類和機器識別中草藥存在的問題，并形成整合性地識別中草藥的新成果，進而提升生物學與信息科技學科核心素養。

二、跨學科視閥下的單元課程目標

依據義務教育生物學和信息科技課程標準的內容要求、學業要求和學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下課程目標。

1.通過觀察中草藥的實物及標本，記錄和分析其特征，建構“對生物進行科學分類需要以生物的特征為依據”的概念；通過機器學習編程學習圖像分類識別中草藥這一知識，建構“圖像識別”的概念。

2.通過中草藥分類、生物檢索表編制，運用分類、歸納、抽象和概括等科學思維，提升運用生物學術語描述生物特征的能力；通過機器學習編程識別中草藥，概述機器學習的基本過程，并運用圖像分類、模型、計算等思維，提升計算思維和數字化學習能力。

3.通過對AI圖像識別中草藥的反思，意識到人工智能的局限性；理解并認同分類法是一種科學的研究方法，能在真實的問題情境中利用跨學科概念和方法來解決問題；通過制作、展示、完善檢索表，體會制作生物檢索表的艱辛，并感受中草藥的魅力。

三、跨學科視閥下的單元教學內容重構設計

從生物學和信息科技兩門學科的核心素養出發，以跨學科單元課程目標為導向，確定需要學生理解的重要概念一“對生物進行科學分類需要以生物的特征為依據”。本單元課程教學課時安排為3課時：第1課時為應用“形色”APP智能識別中草藥、觀察中草藥特征、編制和使用生物檢索表；第2課時為學習人工智能的圖像分類模型訓練方法；第3課時為探索機器和人類識別圖像的原理，歸納生物分類和檢索模型。從通過觀察中草藥、編制和使用生物檢索表來建構生物學科的重要概念，過渡到人工智能的圖像分類模型，最后歸納、總結生物分類模型。這3個課時的安排遵循跨學科知識的內在邏輯和學生的認知規律，循序漸進、螺旋向上地培養和提升學生的跨學科核心素養。

四、教學過程

（一）應用AI識別中草藥，感知AI如何解決真實問題

單元活動伊始，教師展示身邊常見的中草藥，并提出問題：這是什么中草藥？如何識別不認識的植物？同時，教師順勢引導學生利用植物識別工具——“形色\"APP從不同的角度拍攝中草藥，并將識別結果匯總，以EXCEL表格的形式記錄植物的名稱等。

設計意圖：根據學生的生活經驗尋找和發現生活中的人工智能應用，利用AI圖像識別程序識別未知中草藥，并提出問題，以此激發學生的好奇心和求知欲，進而激起學生的學習興趣。在應用“形色\"APP進行實踐時，教師讓學生總結出實踐性強、具有跨學科思維的人工智能的基本特征，體會人工智能技術給學習和生活帶來的便捷。同時，引導學生發現生活中的人工智能應用，聚焦如何應用人工智能解決中草藥識別等真實問題，從而提升學生的信息社會數字化勝任力。

（二）觀察比較中草藥的特征，體會科學分類方法

學生先閱讀下列資料，并觀察圖1和圖2，然后分組觀察比較薄荷、姜、金銀花以及枸杞、扶芳藤、南天竹等實物及標本中突出而穩定的特征，最后以小組為單位將觀察的結果分別記錄到表1和表2中。教師用投影儀實時反饋，并在組間和組內完善觀察結果。學生課前查閱資料，課中匯報講解中草藥的名稱、形態特征及其藥用價值。

資料： ① 植物葉在莖上的排列次序通常有互生葉序、對生葉序、輪生葉序三種類型； ② 葉的邊緣稱為葉緣，常見的類型有葉緣平滑不具齒的全緣葉和葉緣具鋸齒的鋸齒葉等； ③ 裂果是指植物成熟后，果實崩裂或開裂的現象。

表1植物標本的比較觀察記錄

表2植物標本的比較觀察記錄

設計意圖：引導學生觀察中草藥葉片位置關系、葉的邊緣、果實開裂情況和果實中種子數量等特定的特征，目標指向性明確，能節約課堂教學時間，為制作和使用檢索表作鋪墊；小組合作及反饋交流可提升學生用生物學語言描述中草藥標本特征的準確性；觀察、收集和匯報中草藥的特征，可激起學生對中草藥進行探索的興趣。

（三）分類歸納編制檢索表，厘清檢索表呈現的 規律

教師先展示三種黃連的檢索表（如圖3），然后讓學生觀察生物檢索表，最后小組合作交流總結生物檢索表的特點：根據中草藥某一明顯且穩定的性狀特征，將其分為相對立的兩類，并采用簡短文字進行編碼。各組根據觀察結果，嘗試編制生物檢索表。教師利用手機實時投屏展示各組編制的檢索表，并從“列出的相同性狀和區別性狀的比較是否正確”“主要區別性狀是否明顯、突出、準確\"這兩個方面進行評價，之后，組織兩大組交換編制好的檢索表（如圖4、圖5），并讓交換雙方應用對方小組的檢索表辨認相應的植物，說出辨認理由并進行評價[2]。

圖3簡易檢索表樣例

圖4學生簡易檢索表舉例（1組）

圖5學生簡易檢索表舉例（2組）

設計意圖：以中草藥標本的某一特征來分類，并依照該標準將需要分類的標本分組，這些都是編制生物檢索表的關鍵步驟。讓各組互相驗證與評價制作的簡易生物檢索表，能使各小組得到及時的反饋，促使學生完成從檢索表制作者到使用者的角色轉換。

（四）數據采集體驗，算法平臺編程

教師預先準備薄荷、姜、金銀花的葉片標本，以及枸杞、扶芳藤和南天竹的果實標本，并提出問題：采集中草藥圖片數據的方式有哪些？學生通過網絡圖片搜索或相機拍攝實物等方式獲取圖片。從各個角度拍攝中草藥圖片，然后利用浦育平臺的圖像分類功能，建立中草藥模型，并進行模型提取和中草藥性狀的學習訓練，從而區分各種中草藥。此外，教師還提供模塊化代碼框架，并解釋代碼的含義、運行和調整程序，讓學生整合、完善代碼，同時添加創造性的功能，從而建構中草藥識別程序（如圖6）]

圖6 中草藥識別程序

設計意圖：借助浦育平臺，采用圖形化編程方式，讓學生體驗運用編程解決真實問題所帶來的成就感；通過對中草藥圖片數據進行預處理、特征提取和模型訓練，引導學生理解圖像分類所依賴的數據、算法、算力等核心要素對機器學習模型的影響；探索圖像識別原理，將生物分類檢索模型的圖形化編程過程清晰呈現，突出人工智能的求解流程，進而發展學生的計算思維[2]。

（五）探索圖像識別原理，歸納中草藥分類模型中草藥分類模型主要有以下兩種：人類識別中草藥的路徑為先觀察、提取出某些相似的性狀，然后根據分類準則將圖像特征進行匹配，從而得出鑒定結果；圖像識別中草藥的路徑為先拍照進行數據采集，然后提取圖像特征，再根據模型進行分類匹配和應用模型編寫程序，最后預測輸出。通過資料對比，總結出中草藥的分類基本遵循“提取性狀 $$ 性狀匹配 $$ 鑒定結果”這一順序。

設計意圖：將機器與人類識別中草藥的經驗建立關聯，由表及里、層層深入地概括人與機器學習中圖像識別技術的步驟，巧妙地整合跨學科課程內容，歸納中草藥識別的一般程序性模型，可加深學生對AI相關算法原理的認知，提升學生的高階思維能力和語言表達能力。

五、教學反思

（一）單元內容重構的教學反思

在傳統生物學教學模式中，教學內容相對獨立。學生多以形成符號化概念記憶的方式進行學習，未能將知識有機整合成單元教學內容。跨學科視閾下的單元內容重構，旨在整合生物學和信息科技學科中的事實、概念、原理，讓學生在探究實踐中融合學習，進而掌握生物學事實、概念、實踐與應用等知識，形成生命觀念，提升跨學科核心素養。在明確“AI識別中草藥”主題后，學生以蘇科版初中生物學教材為主，以信息科技學科知識為輔，尋找與“生物分類”“生物檢索”相關的情境素材和概念，將生物分類、生物檢索、數據采集、算法編程、探索圖像識別原理、歸納中草藥分類模型等內容進行梳理整合。教師為“AI識別中草藥\"課程提供了學習支架，如提供中草藥標本、指導學生運用圖形化編程工具編寫程序等，并將中草藥的標本、圖片與人工智能模型相結合，構建了涵蓋生物分類、生物檢索、人工智能識別中草藥等多方面的生物識別模型，引導學生形成正確的生命觀念。

（二）基于重要概念統領的教學反思

“AI識別中草藥”主題設計以“人與機器學習都是根據性狀進行分類”的概念為統領，分析并把握生物分類和生物檢索間的縱橫關系，使得生物學教學內容和教學活動具有實踐性、可發展性、概念性。該主題以跨學科實踐活動的方式，解決學生在學習與生活中遇到的真實問題：如何識別中草藥？在教學設計中，教師應突出“生物的分類”和“生物的檢索”之間的聯系，并引導學生形成科學合理的生物分類方法、生物檢索方法。此外，教師還應以建構“生物根據性狀進行分類歸納\"這一概念為終極目標，有步驟、有邏輯、有策略地設計符合學生認知的探究實踐活動，讓學生在完成梯度情境任務的過程中提升跨學科核心素養。學生通過觀察中草藥與編制、運用生物檢索表來簡化、類比、體驗生物學家發現生物分類概念的過程，進而習得生物分類的思維方式。在重要概念的統領下整體重構單元教學內容，有助于學生明確各探究實踐活動對建構重要概念的價值。

（三）跨學科實踐活動的教學反思

跨學科實踐活動具有復雜性、綜合性。在跨學科實踐過程中，本課程運用了生物學、信息科技、數學、分類學等學科的已有概念，未來還可能運用更多的學科知識。例如，在觀察中草藥特征的教學中，教師可以將中草藥以標本、圖片、實物的形式呈現給學生，亦可以利用VR虛擬現實技術，為學生提供更多的編程資源、支架工具；教師還可以設計更多的單元重構的跨學科實踐活動，引導學生將生物學科的思維能力遷移至信息科技學科的學習中，促使學生進一步深人學習算力和算法的相關知識，加強人工智能模型的訓練；若教學條件允許，教師可以組織一些社會實踐活動，如帶領學生參觀中草藥種植基地，讓學生認識到問題源于實踐與生活。

本課程的教學設計圍繞預設的課程教學目標，以中草藥識別為主題，跨學科進行單元內容重構；同時，以解決如何識別生物這一真實問題為切入點，沿著歷史上生物學家研究生物分類和檢索的歷程，在真實的問題和任務情境中串聯各項學習任務，引導學生逐步建構“人與機器學習都是根據性狀進行分類\"這一概念。跨學科實踐活動能夠引導學生深入理解生物分類的原理或方法，并讓學生經歷從預處理圖片到特征提取，從模型訓練到模型推理的過程，體驗編程中的數據處理過程。學生積極參加跨學科實踐活動，在觀察、記錄、分類、編程等活動中，進一步提升信息技術能力、信息素養能力、思維能力和協作意識。本課程的教學目標達成度和學生的課程參與度均比較高。由此可見，跨學科視閾下的單元內容重構教學有利于促進學生的全面發展，助力創新人才的培養，對推動生物學教育創新發展和培養人工智能時代的高素質人才具有重要意義。

[參考文獻]

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

[2」陸雅楠，邱奕盛.基于教材分析設計深度體驗的AI課程：以“常見中草藥圖像分類小助手”課程為例[J].中小學信息技術教育，2023（6）：11-13.

（責任編輯 羅艷）