指向创新素养培育的高中生物学跨学科主题教学.pdf

跨学科主题教学是指以某一学科课程内容为主干，运用并整合其他课程的相关知识和方法，针对所指向的共同问题进行讨论并解决而设计的教学活动。高中生物学教师需注重借助跨学科主题教学，培养学生的创新思维、创新能力等创新素养。学生的创新思维是建立在对核心知识和概念的深层理解、建构、迁移及运用的基础上的，而生物学学科的核心知识和概念往往涉及物理、化学、数学等学科知识和方法。在高中生物学教学中开展跨学科主题教学，有利于学生对核心知识和概念的理解与构建，以便学生运用所学知识解决真实情境中的实际问题。在高中生物学教学中如何开展好跨学科主题教学？笔者有以下做法并举例阐述。一、系统梳理生物学教材跨学科知识要开展好高中生物学跨学科主题教学，首先得系统梳理高中生物学教材所跨学科的知识内容，以便系统规划和精心设计教学策略，避免学生学习的割裂化和碎片化。以下是对高中生物学跨物理、化学、数学学科的系统性知识梳理。（一）跨化学学科的知识梳理高中生物学中的跨化学学科知识较多，如“组成细胞的元素和化合物”跨“元素及化合物的分类、结构性质”，可发展生命物质观；“还指向创新素养培育的高中生物学跨学科主题教学席长君探索29课程原糖的鉴定原理、细胞呼吸过程、光合作用过程”跨“氧化还原理论”，可发展生命物质观和能量观；“生命物质氢键、肽键、高能磷酸键、磷酸二酯键、共价键”跨“化学键知识”，可发展生命物质观、能量观；“磷脂、脂肪分子结构、细胞膜的结构特点”跨“亲水和疏水基团”，可发展生命观念、科学思维；“检测生物组织中的物质、CO2和酒精的检测、刚果红染色法筛选分解纤维素细菌”跨“显色反应”，可发展生命观念、科学思维；“内环境 pH 值稳态调节”跨“缓冲对”，可发展生命物质观、稳态与平衡观。（二）跨物理学科的知识梳理高中生物学中的跨物理学科知识也比较丰富，如“分泌蛋白的合成运输、探究光合作用的放氧物质、卡尔文循环、噬菌体侵染细菌实验、证明DNA半保留复制实验”跨“同位素标记法”，可发展科学思维、科学探究；“渗透作用、被动运输、人体与外界的气体交换、叶绿体中色素的分离”跨“扩散理论”，可发展生命观念；“细胞的能量货币ATP、细胞呼吸、光合作用、生态系统的能量流动、体温调节”跨“能量转化与守恒定律”，可发展生命观念、科学思维；“细胞器的分离方法，噬菌体侵染细菌实验、证明 DNA 半保留复制实验”跨“离心分离方法”，可发展科学思维；“体温调节”跨“热力学定律”，可发展稳态与平衡观；“真核细胞的三维结构模型、生物膜模型的构建、DNA 双螺旋结构模型的构建”跨“物理模型构建”，可发展生命观念、科学思维。（三）跨数学学科的知识梳理高中生物学中的跨数学学科知识有：“孟德尔遗传定律的发现、性状分离的模拟实验、调查人群中的遗传病、用样方法和标记重捕法调查动植物种群密度”跨“统计学原理”，可发展科学思维、科学探究；“遗传规律在生产、生活实践中的应用、用数学方法讨论基因频率的变化、探究自然选择对种群基因频率变化的影响”跨“概率理论”，可发展科学思维、科学探究、社会责任；“蛋白质分子结构的多样性、核酸分子结构的多样性、杂合子产生配子种类及比例”跨“排列组合理论”，可发展科学思维、科学探究；“建构种群增长的数学模型”跨“数学模型构建”，可发展科学思维、科学探究。除此之外，生物的生存环境与地理学科知识交叉相融，生物学技术与工程学知识交叉相融，科学家访谈、生物科学史渗透了科学家执着奉献的科学精神、社会责任和人文情怀。二、运用“氧化还原理论”来设计“光合作用的原理”教学人教版必修一“光合作用的原理”是一个重点内容，对初学者来说，也是一个难点内容。教师如果巧妙运用氧化还原反应理论对“光合作用的原理”进行教学设计，会取得事半功倍的效果。该节的教学设计从光合作用的总反应式着手分析，反应物 CO2和 H2O 是不含能量的无机物，产物（CH2O）是含有能量的有机物，场所在叶绿体，驱动力是光能。CO2转化为CH2O 的实质就是 CO2被还原的过程。CO2的还原是一个“加氢去氧和储能”的过程，需要两个基本条件：还原剂和能量。光反应阶段产生的还原型辅酶 II（NADPH），既是还原剂，又含部分能量，腺苷三磷酸（ATP）含活跃的化学能。光反应阶段中的物质转变和能量转化，为暗反应阶段中 CO2的还原提供了条件保障。然后暗反应阶段中的 CO2被 C5固定为 C3后，探索30课程在光反应阶段的产物 NADPH、ATP 的供氢、供能下，通过酶的催化，CO2被还原为储存能量的CH2O，还原过程中脱下的氧在此时生成水，从而实现了生物界最基本、最重要的物质转变和能量转化。这样的教学设计能把较为复杂光合作用的生理过程和烦琐的生物学知识通过清晰的化学逻辑思维主线有机联系起来，不仅让学生对重难点知识的理解豁然开朗，同时也让学生的创新思维得到更好的发展。三、运用“热力学原理”开展“人体体温调节”教学人教版选择性必修一“体温调节”内容，涉及物理热力学知识。体温要保持恒定，代谢产热和物理散热需达到平衡。物理散热主要有两个途径：一是通过皮肤毛细血管的血液流动，使皮肤温度升高，达到散热；二是通过汗腺排汗后汗液的蒸发，将热量带走。机体在不同温度的外界环境中，两种散热途径是有区别的。第一途径是通过热传导、热辐射、热对流三种方式进行散热，需要顺温度梯度进行，也就是只发生在外界温度低于皮肤温度的情况下，且温差越大，散热越快。在温差较大的环境中，散热越多，代谢产热也越多，以维持体温恒定。如果外界温度接近人体体温甚至高于体温时，第一种散热途径就会受阻，在这种情况下，第二种散热途径几乎成为唯一途径。之所以皮肤排汗能散热，与温差无关，是因为水从液态转变成气态需吸收大量的热量。运用热力学原理，学生很容易理解“体温调节”的机制，学以致用。比如，在寒冷的冬天要注意防寒保暖，减少机体热量的散失，以免冻伤；在炎热的夏天要注意持续补充水分，通过多喝水、多排汗来加快热量的散失，维持体温恒定，以免中暑。四、运用“组合理论”解决遗传学中产生配子的种类和比例问题高中生物学有许多问题需要用到数学知识去解决。如用秋水仙素处理基因型为 Aa 的二倍体西瓜幼苗，会得到基因型为 AAaa 的同源四倍体个体，该同源四倍体个体在正常情况下能产生哪些种类及比例的配子？从生物学角度分析，AAaa 这四个基因分别位于四条同源染色体的相同位置，在减数第一次分裂时，四条同源染色体可随机形成两个四分体，均分到两个子细胞中去，每个子细胞都会随机分到两个四分体中的一条同源染色体。那么四条同源染色体如何随机分配到两个子细胞中去？有多少种可能性？生物学问题就这样转化为数学中的排列组合问题了。从组合理论角度去分析，基因型为 AAaa 的四倍体产生的配子中只含两个基因，其配子类型分别有 AA、Aa、aa 三种，其比例可用组合公式AAAaaa=C22C21C21C22=141计算出。同理基因型为 Aaa 的三倍体可产生的配子种类及比例分别是AaaAaa=C11C22C11C21C21=1122。把许多生物学问题转化为数学问题去解决，会把复杂的问题简单化，也会让学生的科学思维得到锻炼，创新能力得到发展。指向创新素养培育的高中生物学跨学科主题教学，为学生将已经掌握的化学、物理、数学等学科知识进行迁移创造了良好的条件，同时可激发学生的学习兴趣，还可培养学生用多学科视角去观察、探究、解决生产实践、生活实际和社会热点中的生物学问题的能力，逐步培养学生的创新能力、实践能力和社会责任感。（作者单位：四川省古蔺县中学校）探索31课程