核心素養(yǎng)視域下高中生物跨學(xué)科學(xué)習(xí)案例的實(shí)踐研究

\o"分享到微博"\o"分享到微信"\o"分享到QQ"\o"分享到QQ空間"摘要：跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)是相關(guān)人員立足新課程改革視域提出的新型教學(xué)模式，具有綜合性、實(shí)踐性與創(chuàng)新性。在高中生物教學(xué)中運(yùn)用跨學(xué)科學(xué)習(xí)，可以為學(xué)生自主學(xué)習(xí)的發(fā)揮提供支架，對(duì)學(xué)生掌握多學(xué)科知識(shí)、發(fā)展高階思維能力與提升生物核心素養(yǎng)而言具有重要作用。文章立足核心素養(yǎng)培養(yǎng)角度，對(duì)高中生物的跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行研究，旨在發(fā)揮跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)的特性，指引學(xué)生從不同角度參與跨學(xué)科學(xué)習(xí)，支持學(xué)生利用多學(xué)科知識(shí)解決生物問(wèn)題，強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)效果。文章根據(jù)新人教版高中生物教材內(nèi)容，分別對(duì)探究性跨學(xué)科學(xué)習(xí)實(shí)踐、綜合性跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)實(shí)踐進(jìn)行研究。關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；高中生物；跨學(xué)科學(xué)習(xí)一、探究性跨學(xué)科學(xué)習(xí)實(shí)踐探究性的跨學(xué)科學(xué)習(xí)是教師根據(jù)生物學(xué)科探究活動(dòng)設(shè)計(jì)出的活動(dòng)形式，要求學(xué)生在活動(dòng)中綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)自主探索。此種跨學(xué)科學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)，在有效拓展學(xué)生思維、發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究與生命觀念等核心素養(yǎng)方面具有顯著價(jià)值。在生物教學(xué)實(shí)際過(guò)程中，教師應(yīng)根據(jù)教材內(nèi)容，適當(dāng)整合多學(xué)科內(nèi)容、拓展課堂活動(dòng)形式，為學(xué)生自主發(fā)揮、自主探究搭建支架。（一）跨學(xué)科的反應(yīng)模擬探究，拓展學(xué)生學(xué)科思維反應(yīng)模擬活動(dòng)是跨學(xué)科的綜合性探究學(xué)習(xí)實(shí)踐的基本形式之一。在課堂教學(xué)中，教師根據(jù)課程內(nèi)容組織開(kāi)展對(duì)化學(xué)反應(yīng)的模擬活動(dòng)，讓學(xué)生通過(guò)模擬對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行探究。反應(yīng)模擬活動(dòng)可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的探究積極性，促使學(xué)生在探究的過(guò)程中理解學(xué)科知識(shí)、發(fā)展探究思維。以新人教版高一必修一“細(xì)胞的能量貨幣ATP”教學(xué)為例，ATP結(jié)構(gòu)是本節(jié)課核心概念，也是學(xué)生理解ATP作用的重要基礎(chǔ)。在細(xì)胞能量轉(zhuǎn)化中，ATP起到轉(zhuǎn)化、利用的作用，是細(xì)胞呼吸、細(xì)胞光合作用的重要樞紐。本節(jié)課教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生全面探索ATP的作用是十分必要的。對(duì)ATP是一種高能磷酸化合物概念解釋方面，如何突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)科之間的聯(lián)系，拓展學(xué)生科學(xué)思維，也需要重點(diǎn)思考。教師整合跨學(xué)科知識(shí)，組織學(xué)生對(duì)ATP作用相關(guān)反應(yīng)的探究性模擬實(shí)踐。通過(guò)模擬，學(xué)生可以利用跨學(xué)科知識(shí)遷移了解化學(xué)鍵斷裂等知識(shí)點(diǎn)，接觸磷酸基團(tuán)離開(kāi)ATP時(shí)的轉(zhuǎn)移原理。課堂上，教師先展示“螢火蟲(chóng)發(fā)光現(xiàn)象”，組織學(xué)生閱讀詩(shī)歌《秋夕》，給學(xué)生講述囊螢夜讀的典故，以語(yǔ)文、自然科學(xué)等跨學(xué)科素材引出本節(jié)課基礎(chǔ)知識(shí)——ATP的功能，引起學(xué)生對(duì)ATP直接的能源物質(zhì)進(jìn)行思考。之后，教師提出跨學(xué)科探究活動(dòng)任務(wù)：“請(qǐng)大家分別完成‘細(xì)線(xiàn)模擬高能磷酸鍵’‘彈簧模擬轉(zhuǎn)移勢(shì)能’，并且結(jié)合物理相關(guān)知識(shí)說(shuō)說(shuō)你是如何理解ATP的轉(zhuǎn)化作用的?！苯處熞钥鐚W(xué)科素材引發(fā)學(xué)生對(duì)“轉(zhuǎn)化”的思考，引出本節(jié)課核心知識(shí)點(diǎn)；以生物反應(yīng)模擬探究支持學(xué)生遷移運(yùn)用物理學(xué)科中的能量轉(zhuǎn)化原理，將其與生物中的ATP能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行類(lèi)比。本次跨學(xué)科學(xué)習(xí)實(shí)踐中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)之下突破本節(jié)課學(xué)習(xí)難點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)展科學(xué)思維，掌握類(lèi)比思考、對(duì)比探究等學(xué)習(xí)方法。（二）跨學(xué)科的模型構(gòu)建探究，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)高中生物課堂上，教師應(yīng)引入大量科學(xué)歷程、科學(xué)素材，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展自主探究。學(xué)生通過(guò)探究構(gòu)建其他學(xué)科模型，依托模型對(duì)比分析生物現(xiàn)象、生物反應(yīng)原理，從而深度理解生物知識(shí)。在模型構(gòu)建的跨學(xué)科探究活動(dòng)中，學(xué)生以小組為單位應(yīng)用跨學(xué)科知識(shí)進(jìn)行一系列探索，在構(gòu)建模型的過(guò)程中逐漸形成物質(zhì)與能量觀念、結(jié)構(gòu)與功能觀等科學(xué)觀念，建立正確的科學(xué)本質(zhì)觀，同時(shí)也樹(shù)立生命觀念與社會(huì)責(zé)任感，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的發(fā)展。以新人教版高一必修一“光合作用的原理和應(yīng)用”教學(xué)為例，光合作用的原理可以分為兩個(gè)階段，分別是光反應(yīng)階段、暗反應(yīng)階段。教師根據(jù)本節(jié)課主要內(nèi)容，整合課內(nèi)外素材設(shè)計(jì)了跨學(xué)科的模型構(gòu)建探究活動(dòng)?；顒?dòng)中，教師給學(xué)生播放“科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)光合作用的過(guò)程”微課視頻，并提出要求：“請(qǐng)大家觀看視頻，思考在希爾的實(shí)驗(yàn)中離體的葉綠體在什么樣的情況之下可以產(chǎn)生氧氣呢？”視頻中播放希爾實(shí)驗(yàn)，同時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)提示——“離體葉綠體在光照條件下使水分解，釋放氧氣并還原電子受體”。學(xué)生觀看視頻，思考之后回答：“可以通過(guò)光照在沒(méi)有二氧化碳的情況之下產(chǎn)生氧氣?！苯處熖釂?wèn)：“希爾反應(yīng)證明了什么”，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到葉綠體必須有陽(yáng)光才能產(chǎn)生氧氣，從而發(fā)生光合作用。之后，教師引入化學(xué)學(xué)科素材，讓學(xué)生觀看這則新聞：“著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)通報(bào)》2023年8月15日刊發(fā)最新研究成果顯示，中國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成，人工合成糖邁出關(guān)鍵一步?！碧岢鰡?wèn)題：“人工合成糖是什么？請(qǐng)大家閱讀這則新聞，結(jié)合之前我們學(xué)習(xí)的糖的合成實(shí)驗(yàn)，說(shuō)說(shuō)其原理是什么？大家可以繪制出其實(shí)驗(yàn)反應(yīng)結(jié)構(gòu)嗎？”教師利用新聞素材引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建化學(xué)學(xué)科“糖的合成”模型。之后，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比“水的光解與糖的合成”，從化學(xué)學(xué)科角度繼續(xù)提出問(wèn)題：“希爾的實(shí)驗(yàn)是否可以說(shuō)明水的光解與糖的合成不是同一種化學(xué)反應(yīng)呢？”教師要求學(xué)生以小組為單位模擬化學(xué)反應(yīng)中糖類(lèi)的產(chǎn)生過(guò)程，逐步構(gòu)建糖類(lèi)的合成模型。學(xué)生根據(jù)糖類(lèi)的形成循環(huán)過(guò)程完善光合作用反應(yīng)模型，補(bǔ)充光合作用的暗反應(yīng)階段，并且互相展示模型。本節(jié)課跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)中，教師引入化學(xué)學(xué)科內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生思考，支持學(xué)生借鑒化學(xué)反應(yīng)模型構(gòu)建光合作用反應(yīng)模型，認(rèn)識(shí)到離體葉綠體的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，正確理解生物科學(xué)本質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)生命觀念等核心素養(yǎng)的發(fā)展。二、綜合性跨學(xué)科學(xué)習(xí)實(shí)踐綜合性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí)、發(fā)展核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。在跨學(xué)科學(xué)習(xí)實(shí)踐中，教師可根據(jù)課程內(nèi)容組織學(xué)生開(kāi)展一系列綜合性的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，包括自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)、小組合作實(shí)驗(yàn)研究活動(dòng)等。學(xué)生綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)，認(rèn)真思考實(shí)驗(yàn)原理、精準(zhǔn)把握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需求，參與實(shí)驗(yàn)操作與研究，這既可以深化學(xué)生的科學(xué)思維與探究能力，又可以鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，進(jìn)一步提升學(xué)生核心素養(yǎng)水平。（一）跨學(xué)科的自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生綜合能力自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)具備自主性、開(kāi)放性與實(shí)踐性，學(xué)生可以根據(jù)生物知識(shí)提出新穎實(shí)驗(yàn)設(shè)想，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過(guò)程與裝置，體會(huì)實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)施過(guò)程，最終提高個(gè)人的綜合能力。在跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)中，教師可以根據(jù)課程內(nèi)容向?qū)W生提出“自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”的要求，讓學(xué)生基于自己對(duì)生物知識(shí)的理解設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，為學(xué)生綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)提供支架。以新人教版高一必修一“酶的特性”教學(xué)為例，本節(jié)課核心實(shí)驗(yàn)是“影響酶活性的條件”。在此之前，教師已經(jīng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)酶的特性進(jìn)行探索，學(xué)生對(duì)“酶”的作用機(jī)理具備基本理解。教師將“酶的特性”與化學(xué)學(xué)科“酸堿性”“化學(xué)實(shí)驗(yàn)影響因素”等內(nèi)容相結(jié)合，設(shè)計(jì)跨學(xué)科的開(kāi)放性自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)任務(wù)：“請(qǐng)大家結(jié)合之前學(xué)習(xí)的‘酶的作用與本質(zhì)’、化學(xué)學(xué)科實(shí)驗(yàn)操作的影響因素等知識(shí)內(nèi)容，借鑒‘淀粉酶對(duì)淀粉和蔗糖的水解作用’實(shí)驗(yàn)，從不同角度探索酶的特性并且設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案?！蓖瑫r(shí)，教師為學(xué)生發(fā)放“生物—化學(xué)”的化學(xué)課學(xué)習(xí)材料，分別為“過(guò)氧化氫的分解實(shí)驗(yàn)方案”“不同溫度條件/酸堿值條件下的過(guò)氧化氫實(shí)驗(yàn)變化”。學(xué)生小組閱讀化學(xué)實(shí)驗(yàn)資料，發(fā)現(xiàn)“在化學(xué)反應(yīng)中，溫度、酸堿值是影響反應(yīng)速率的關(guān)鍵要素”。因此，學(xué)生提出疑問(wèn)：“那么溫度與酸堿值是否會(huì)對(duì)生物實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響呢？”各組學(xué)生紛紛開(kāi)始圍繞“溫度條件對(duì)酶的活性的影響”“溶液酸堿度對(duì)酶的活性的影響”“溶液的濃稠程度對(duì)酶的活性的影響”等問(wèn)題展開(kāi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。各組學(xué)生紛紛選擇不同的角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而形成了多樣化的實(shí)驗(yàn)方案成果。課堂上的跨學(xué)科綜合性自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，各組學(xué)生發(fā)揮聰明才智，結(jié)合自身參與過(guò)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作經(jīng)歷，分別提出不同的假設(shè)，包括溫度影響、酸堿度影響、濃稠度影響，甚至有的學(xué)生小組認(rèn)為光照、通風(fēng)條件等都可以對(duì)酶的活性產(chǎn)生影響。各組學(xué)生在發(fā)散思維的同時(shí)，找到了多樣的實(shí)驗(yàn)角度，紛紛設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。雖然結(jié)果驗(yàn)證影響酶的活性的因素主要為溫度與酸堿值，但是在學(xué)生自主假設(shè)、自主設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的過(guò)程中，學(xué)生結(jié)合化學(xué)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行思考、利用多學(xué)科知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、利用數(shù)學(xué)學(xué)科的統(tǒng)計(jì)思想整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、制訂表格，充分鍛煉了綜合能力，進(jìn)一步提升了核心素養(yǎng)水平。（二）跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)研究，提高學(xué)生科學(xué)思維與探究能力操作與研究實(shí)驗(yàn)的亮點(diǎn)在于將實(shí)驗(yàn)過(guò)程完全開(kāi)放，將跨學(xué)科探索的選擇性還給學(xué)生。教師根據(jù)課程內(nèi)容展示跨學(xué)科案例，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行思考，之后利用問(wèn)題逐步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)思路進(jìn)行梳理，最后為學(xué)生提供跨學(xué)科素材，要求學(xué)生結(jié)合跨學(xué)科素材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作與研究。比如，學(xué)生借鑒數(shù)學(xué)學(xué)科的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法整理生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。再如，借助信息技術(shù)學(xué)科的工具手段將生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以可視化的形式呈現(xiàn)，深入研究實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這樣的跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)活動(dòng)可以進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)研究與科研能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力，最終增強(qiáng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。以新人教版高一必修一“細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用”中的“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)課為例，本節(jié)課要求學(xué)生以小組為單位進(jìn)行合作實(shí)驗(yàn)研究，旨在培養(yǎng)學(xué)生的合作探究能力、科學(xué)探究能力。本節(jié)課教師將生物活動(dòng)與數(shù)學(xué)學(xué)科統(tǒng)計(jì)方法、信息技術(shù)學(xué)科數(shù)據(jù)、語(yǔ)文學(xué)科報(bào)告文學(xué)相結(jié)合，組織開(kāi)展跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)研究活動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)之前，教師將學(xué)生分組，每五人為一組，要求學(xué)生在課前自主預(yù)習(xí)，閱讀相關(guān)實(shí)驗(yàn)的成果資料，編寫(xiě)閱讀思想報(bào)告（語(yǔ)文），學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)研究方法，包括實(shí)驗(yàn)觀察、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與信息的分類(lèi)記錄（數(shù)學(xué)）、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息的整理與呈現(xiàn)（信息技術(shù)）、數(shù)據(jù)利用方法等。課上，教師立足跨學(xué)科視角為學(xué)生布置實(shí)驗(yàn)研究任務(wù)：“請(qǐng)各組學(xué)生完成‘酵母菌細(xì)胞呼吸的方式’實(shí)驗(yàn)操作，并且盡可能多角度、深入分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，請(qǐng)大家利用數(shù)學(xué)表格、信息技術(shù)、語(yǔ)文邏輯描述等多學(xué)科方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并且完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)?！备鲗W(xué)生小組紛紛開(kāi)展跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)研究活動(dòng)，有的學(xué)生小組認(rèn)為化學(xué)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)分析模板十分科學(xué)，于是借鑒化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析框架搜集本次“酵母菌呼吸”的實(shí)驗(yàn)信息。有的小組認(rèn)為：“相較于葉綠體的實(shí)驗(yàn)，酵母菌呼吸實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化不明顯，僅依靠肉眼觀察無(wú)法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)反應(yīng)變化。”于是該小組采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、傳感器，借鑒信息技術(shù)學(xué)科的“數(shù)據(jù)可視化”方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與分析，在電腦界面上形成動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)可視化圖形，更精準(zhǔn)地把握酵母菌細(xì)胞的呼吸變化，更精細(xì)地分析影響酵母菌細(xì)胞呼吸的因素、論證酵母菌細(xì)胞的呼吸方式變化。有的學(xué)生認(rèn)為：“化學(xué)與生物之間密切關(guān)聯(lián)，部分化學(xué)元素會(huì)直接干擾生物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。”因此這組學(xué)生從“氧化反應(yīng)及其還原反應(yīng)”角度入手，在酵母菌細(xì)胞呼吸實(shí)驗(yàn)中加入二氧化碳，讓酵母菌進(jìn)行有氧呼吸，研究酵母菌細(xì)胞與二氧化碳的反應(yīng)關(guān)系?？鐚W(xué)科的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)研究活動(dòng)中，教師將課堂空間完全還給學(xué)生，充分發(fā)揮學(xué)生主體性，支持學(xué)生立足跨學(xué)科角度進(jìn)行設(shè)想，鼓勵(lì)學(xué)生將設(shè)想作為實(shí)驗(yàn)研究的方向。這樣的學(xué)習(xí)活動(dòng)不僅可以拓展學(xué)生的科學(xué)思維，開(kāi)闊學(xué)生實(shí)驗(yàn)研究思路，也可以讓學(xué)生經(jīng)歷更豐富的實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程，讓學(xué)生在研究的過(guò)程中內(nèi)化觀點(diǎn)，進(jìn)一步提