高中生物学跨学科概念教学的实践研究

朱慧贞 吴存华

【摘要】跨学科概念是指超越一门学科的界限，可广泛用于解释科学领域内不同问题的通用概念。本文尝试以“模型”这一跨学科概念指导人教版高中生物必修3第四章第2节“种群数量变化”的课堂教学，探索跨学科概念在高中生物学科教学中应用的有效途径及优势所在。

【关键词】跨学科概念  高中生物学  种群数量变化

【课题项目】本文系2018年甘肃省“十三五”教育科学规划课题《高中生物学跨学科知识教学的实践研究——以必修1为例》阶段性研究成果，课题立项号：GS[2018]GHB0930）。

【中图分类号】G633.91   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）15-0172-02

2011年7月美国颁布了《新一代K—12科学教育标准》，以下简称《科学教育标准》。倡导以跨学科的思维来整合学科知识，以跨学科的能力要求来培养学生。提出了七大跨学科概念：①模式;②因果关系：机制与解释;③系统与系统模型;④物质与能量;⑤结构和功能;⑥尺度、比率和数量;⑦稳定与变化。跨学科概念隶属于跨学科知识的范畴，是指超越一门学科的界限，可广泛用于解释科学领域内不同问题的通用概念。跨学科概念的提出体现了不同科学领域对思维方式的共同要求。这七大跨学科概念在我国现行人教版高中生物教材中都有所呈现。

“模型”是对自然界事物简化模拟的体系或结构，主要包括物理模型、数学模型、概念模型等，是科学领域内的通用研究方法。本文尝试将“模型”这一跨学科概念引入人教版高中生物必修3第四章第2节“种群数量变化”的课堂教学中，探索跨学科概念在高中生物学科教学中应用的有效途径及优势所在。依据新课标，本节的教学目标为“尝试建立数学模型解释种群的数量变动”。学生不仅要完成数学模型的构建，更要把握数学模型（抽象）与种群的数量变化（具体）之间的内在逻辑联系。

一、“种群数量变化”的数学模型建构过程

1.创设情境引出数学模型

播放细菌分裂生殖的视频，引导学生描述种群数量的变化趋势，预测该种群在N代繁殖后种群数量将达到何种程度。算出一个细菌产生的后代在不同时间的数量，并填写教材中的表格，画出细菌的种群数量增长曲线，从而引出跨学科概念——数学模型：在描述、解释和预测种群数量变化时，推导出的公式、绘制的图表等。

2.建立种群增长的数学模型

（1）“J”型曲线的建构

依照“观察研究对象，提出问题——提出合理的假设——根据实验数据，用适当的数学形式对事物的性质进行表达——对模型进行检验或修正”的步骤进行“J”型曲线的构建。

假设在食物和空间条件充裕、气候适宜、没有敌害等条件下，尝试建立种群数量增长的模型。结合学生对数学学科数列部分内容的学习，可尝试用数学通项公式的形式表示种群数量的变化，即Nt=N0λt，再以特值代入的方式得到一系列的点，反映到坐标系中形成指数函数的图像，进而拟合出种群数量增长的“J”型曲线。

（2）“S”型曲线的建构

结合“澳大利亚野兔事件”过渡到S型增长。引导学生分析澳大利亚野兔种群数量呈指数增长的几点原因，思考这些让野兔快速增长的条件会不会一直存在，得出自然界种群出现J型增长是暂时的。在种群内竞争加剧，天敌数量增多，传染病更易传播等干扰因素存在的情况下，种群数量发展的最终趋势是维持在某个值（环境容纳量），并围绕这个值上下波动。从而构建种群数量增长的“S”型曲线。

3.用数学模型解释实际问题

自然界中的种群一般以“S”型曲线增长，种群的增长速率可以用图像上每点的切线的斜率表示。引导学生绘制“S”型曲线种群增长速率随时间的变化图像，提出问题：①如何控制家鼠、蝗虫等有害动物的种群数量;②鱼塘怎样捕捞才能够使经济效益最大化等实际问题。引发学生思考讨论，形成对策。该教学环节的目的在于将学生建构的数学模型应用于新情境，解释生活实际中的问题。

4.开展实验，探索与检验模型

学生以小组为单位，进行“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”实验，探索食物和生存空间有限条件下的种群数量增长模型。按照“提出问题——作出假设——制定计划——进行实验——得出结果——分析与评价”的科学探究步骤开展实验。本实验为学生小组实验，每组成员分工合作，完成酵母菌的计数与统计。计数结果求平均值，绘制酵母菌种群数量变化的曲线图。一个小组的实验数据难免存在误差，与实验假设并不相符，但对于不同小组来说，组间重复，将每3个小组的数据汇总，求出平均值，数据共享后再次繪制曲线图，以便尽可能的减小实验误差，以此达到验证数学模型的目的。

二、跨学科概念在高中生物教学中的优越之处

1.促进学生对生物学核心概念的学习

在教学过程中，既要通过跨学科概念促使学生掌握核心概念，又要在学习核心概念的同时渗透跨学科概念。“种群”属于高中生物学中的核心概念，教学过程中引入“模型”这一跨学科概念，有助于学生对核心概念的理解和掌握。同时通过对“种群数量变化”的学习又可以促进学生对于“模型”这一跨学科概念的理解。

2.促进学生跨学科学习思维的形成

“模型”是解决各学科问题的通用工具与手段。教师应启发学生发散思考：在数学、化学、物理等学科的学习中是否也有过借助“模型”解决问题的例子。引导学生意识到该研究思路在其他学科中也是适用的。“数学模型”不仅能够解决生物学科中“种群数量变化”的问题，其他学科中所有涉及到数学图像、公式等表示的问题都用到了“数学模型”。引导学生形成跨学科学习的思维，将“模型”这一跨学科概念用于各个学科的学习中。

3.有助于学生生物学核心素养的提升

“数学模型”的构建是一个科学探究的过程，通过观察生活中的生物学现象发现问题、提出问题与假设、设计并进行实验、得出结论，进而解决相关问题，这个过程有助于学生科学探究素养的提升;学习知识的目的在于实践应用，跨学科概念的学习促进了学生对于核心概念的理解，但这仅仅停留在理论层面，更重要的是能够灵活运用所学生物学知识解决生产生活中的实际问题。通过结合灭鼠等实际问题，实现了知识的综合呈现和应用，一定程度上培养了学生的社会责任感。

分科教学易导致高中学生学习到的知识互相隔离，缺乏内在联系，“模型”构建这一普遍研究方法在课堂教学中的应用，启

发学生从整体上把握这一普遍的科学原理。学习过程应注重学科之间的横向联系，体会科学领域内思维方式的跨学科性。在培养学生跨学科学习的意识和能力的同时，进一步激发学生对科学探究的兴趣，逐步形成科学探究的思维方式，实现课本知识的实践应用，这将有利于提升高中学生的生物学核心素养。

参考文献：

[1]王威，刘恩山，李倩.将跨学科概念融入高中生物学课程初探[J].生物学通报，2012（8）：30.

[2]杨文源，刘恩山.美国K-12科学教育框架中对生物学核心概念的关注及其启示[J].生物学通报，2013（8）.

[3]中华人民共和国教育部制定.普通高中生物学课程标准（修订稿）[M].北京：人民教育出版社，2016.

作者简介：

朱慧贞（1988-），女，汉族，甘肃定西人，一级教师，硕士研究生，主要从事高中生物教育教学。

吴存华（1987-），男，汉族，甘肃定西人，一级教师，硕士研究生，主要从事高中数学教育教学。