凸显理科属性：初中生物学跨学科实践活动的教学研究

郑云桓

[摘要] 初中生物学课程中存在着大量关联理科属性的跨学科内容。围绕概念铺陈、实验探究与调查交流等基本课型，可分别采用具象模拟、定量转化与项目研学的方式促进理科属性的贯通。实施具体的跨学科实践活动时，可使用主题引领、问题为本的合作探究形式，从而进一步深化学科的理科属性。

[关键词] 初中生物学;跨学科实践活动;理科属性;模型制作;发酵食品制作

生物学作为一门自然科学学科，其发展过程中必然与物理、化学、数学、工程学等其他学科相互联系与影响。生物学中的许多重要科学发现也离不开其他学科的进步和支持。而在DNA双螺旋结构的发现这一分子生物学诞生的标志性科学事件后，跨学科联动解决真实性科学问题的研究就更为普遍了。然而，现实的学校教育的分科育人体系虽解决了各领域经验覆盖的问题，但却一定程度上造成了学科间的相互割裂。正因如此，《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称

“新课标”）中明确提出了“生物学与社会·跨学科实践活动”学习主题，这也是此次新课标的重要改动和亮点内容之一[1]。因此，教师也应当结合当地实际情况，开展丰富的跨学科实践活动，在实践活动中渗透跨学科知识，培育学生的科学素养。

一、关联理科属性：跨学科内容梳理

在实际教学过程中，生物学知识往往会和其他学科知识产生联系，这些知识也就成了跨学科的学习内容。跨学科的内容对于学生统整性理解学科发展、厘清学科之间的内在联系至关重要[2]。因此，教师在教学中不仅要关注生物学科知识本身，还需要关注与生物学知识相关的跨学科内容。初中生物学教学内容中有大量与物理、化学、数学等学科相关的跨学科内容，包括在进行生物学研究当中所运用到的科学方法、技术原理等等都涉及了大量的学科交叉内容。仿照《义务教育历史课程标准（2022年版）》的跨学科知识图谱处理方式，笔者将初中生物学中有关理科部分的跨学科内容梳理如下。从表1的梳理结果中不难发现，由于生命科学的进步一定程度上依赖于数学、物理与化学的发展，导致其在生物体具体成分检测、微观世界探察跟踪，以及生态环境变迁计量中均包含一定的跨学科内容。

二、贯穿理科属性：跨学科教学的基本课型

根据新课标罗列的教学活动，且考虑到生物学课程内容部分为抽象性概念与情境实例的集合，生物学课程大致可以分为概念铺展、实验探究与调查交流等基本课型。围绕三种基本课型进行理科部分的跨学科教学，方能更好地贯穿理科属性。因此，研究者基于自身的教学经验，以课例阐释的方式对三种基本课型中如何展开理科部分的跨学科教学予以说明。

1.具象模拟的概念铺陈课跨学科教学

初中生正处于形象思维走向抽象思维的关键期，而生物学概念往往是多数生命科学现象的总结提炼与抽象概括。在此基础上，如果所教授的生物学概念涉及更为抽象的物理、化学等理科知识，则跨学科教学更为不易。因此，在生物学概念铺陈课中，可以采用具象模拟生物学模型，以融入跨学科内容的方式进行教学。这样既能够促进学生真正理解生物学概念，也能够让学生将其蕴含的跨学科知识理解透彻。

例如，在进行“眼和视觉”这一概念的教学中便涉及了物理学中光的折射原理应用：晶状体就犹如一个凸透镜，当光通过时便发生了折射，睫状体通过对晶状体曲度的调节从而使眼睛能够看到不同距离的物体。而近视形成的原因便是眼球的前后径过长，或是晶状体曲度过大且不易恢复原大小，远处物体反射过来的光线通过晶状体等折射形成的物像，就会落到视网膜的前方，这样看到的是一个模糊不清的物像。若要解决近视这一问題，可采取佩戴近视镜的方法进行矫正（凹透镜起到了发散光线的作用）。这一跨学科概念的教学可通过制作眼球结构及成像模型来帮助学生进行理解。

生物学中这样的跨学科知识教学的内容还有很多，如呼吸运动的产生与大气压强的关系、呼吸作用与光合作用中的物质变化、声波与听觉的产生等，教师在教授这一类的跨学科知识时可通过模型制作、动画演示等多种方式帮助学生理解其原理。

2.定量转化的实验探究课跨学科教学

生物学是一门以实验为基础的自然科学课程，初中生物学教学内容中包含了大量实验内容。实验类型包括探究性实验、验证性实验、观察性实验等。受学生学段的心智特征影响，其中多数的生物学实验以定性观察为主。若以定量转化的方式进行探究，则可以很好地融合化学与数学等密切联系的跨学科内容，进而通过跨学科学习帮助学生掌握实验原理，感悟生物学的理科属性，理解生命现象的本质。

例如，人教版七年级下册中的探究实验“馒头在口腔中的消化”，便是探究物理性消化和化学性消化对淀粉分解的作用。其中，牙齿的咀嚼和舌的搅拌属于物理性消化，可将馒头切成小块，从而增大与唾液淀粉酶的接触面积，而唾液淀粉酶可将淀粉初步分解为麦芽糖，是在酶的催化作用下发生的化学反应。本实验需要在37℃条件下进行，也说明了酶发挥催化作用需要较为温和的环境。在本实验中关于淀粉是否被分解，可用碘液进行检测，淀粉遇碘变蓝，麦芽糖遇碘不变蓝。这里又涉及化学学科里的显色反应对解决生物学问题的帮助。

在进行实验教学的跨学科知识渗透中，教师可多采用问题链引导的方式进行实验教学。例如，在探究实验“馒头在口腔中的消化”中，引导学生思考如下问题：为什么要将实验装置放在37°C的温水中？牙齿、舌和唾液的作用，有什么区别和联系？口腔中有什么物质使淀粉发生变化？可用通过什么手段检测淀粉是否分解呢？

3.项目研学的调查交流课跨学科教学

生命科学研究中蕴含着大量的物种调查的发现式探究，以及科学史推理的论证式探究过程。因此，调查交流课也是初中生物学中的重要课型之一。随着调查活动的开展，学生在观察生命科学实例及其现象的基础上，通过项目化的学习进行深入交流，学会与材料文本对话、与同伴对话、与老师对话、与自然对话。项目化的学习可以采用一定主题的任务，让学生自主分解问题，注重生物学与社会中相关学科交叉知识的掌握。

在人教版七年级下册的活动“拟定保护当地生态环境的计划”中，建议学生分组调查校园周围或家庭所在社区的生态环境状况，可以进行实地调查，或到当地环境保护部门咨询，也可以通过图书馆、报纸杂志、电视台或互联网收集资料，完成调查报告并拟定保护当地生态环境的计划。如在调查生态环境状况时，可以让每组至少选择一个当地存在的问题进行调查。

若要调查当地大气污染情况，那么学生首先应该了解的跨学科知识就有大气污染物的类型，包括气溶胶状态污染物和气体状态污染物。其中，气溶胶状态污染物主要有粉尘、烟液滴、雾、降尘、飘尘、悬浮物等，我们所熟知的PM2.5就属于其中的一种。气体状态污染物主要是以二氧化硫为主的硫氧化合物，以二氧化氮为主的氮氧化合物，以一氧化碳为主的碳氧化合物，以及碳、氢结合的碳氢化合物。大气污染不仅危害人体健康，还会对气候、工业、农业造成巨大的影响，例如二氧化硫等污染物的排放导致酸雨的形成，对森林、农作物、建筑物等带来危害;氟氯烃类等污染物使臭氧大量分解，引发“臭氧洞”问题等。

在初中生物学调查交流活动中，学生必须掌握一定的跨学科知识，才能够使调查活动更加有效地开展，更好地理解生物学与社会的关系。在进行调查活动的跨学科知识渗透时，教师可更多地让学生自主查阅资料，以调查走访的形式获得相关的跨学科知识，并进行小组汇报，分享、交流调查结果。

三、深化理科属性：跨学科实践课例分析

新课标中明确提出“生物学与社会·跨学科实践活动”为初中生物学七大学习主题之一，在课时中占比为10%。通过跨学科实践活动，学生能够认识生物学与社会的关系，能够理解科学、技术、工程学、数学等学科的相互关系。通过设计和制作，解决现实问题或生产特定的产品，发展核心素养。

新课标将初中阶段可供开展的跨学科实践活动分为了模型制作类跨学科活动、植物种植与动物饲养类跨学科活动和发酵食品制作类跨学科实践活动。模型制作类跨学科实践活动，例如制作实验装置模拟吸烟有害健康、设计并制作能维持较长时间平衡的生态缸等。植物种植与动物饲养类跨学科实践活动，例如探究栽培一种植物所需的物理和化学环境条件;饲养家蚕，搜集我国养蚕的历史资料等。发酵食品制作类跨学科实践活动，例如收集当地面包酵母菌种，比较发酵效果;设计简单装置，制作酸奶等。

在新课标关于“生物学与社会·跨学科实践活动”的学业要求中明确提出，学生在实践活动中要尝试提出需要解决的生物学和跨学科问题，设计可行研究方案，如确定变量研究步骤，收集和记录实验证据，撰写实践活动报告，分享实践结果、交流讨论，改进实验方案[3]。那么，如何有效地开展生物学与社会·跨学科实践活动呢？笔者以“设计简单装置，制作酸奶”这一跨学科实践活动为案例，设计并实施了如下教学过程。

1.课前准备

【活动要求】依据乳酸菌代谢所需的环境条件、营养来源、产物，以及蛋白质在不同酸度环境中的状态不同等相关概念，以牛奶、乳酸菌（或酸奶）为材料，按照乳酸发酵技术的操作规范和程序制作酸奶;测定并分析酸奶的酸度和甜度，确定适宜的酸度和甜度范围。

【学情分析】学生在八年级上册已经学习过微生物的相关知识，“人类对细菌和真菌的利用”一课中已经开展过“制作米酒”活动，对微生物发酵相关知识具备一定的实践基础，但实践方案设计能力相对欠缺。

【跨学科知识分析】酸奶发酵中的跨学科知识，就化学而言有物质变化、乳糖到乳酸的变化、酸碱度测定、溶液配制，就物理而言有物态变化，就数学而言有数据收集与分析、绘制图表。

2.提出跨学科问题

【情境创设】酸奶是一种常见的乳制品，其口感与营养价值深受广大消费者的喜爱。那么，人们是如何发现并制作这一美食的呢？酸奶的起源虽然无法确定，但许多学者都认为最早的酸奶可能出现在安纳托利亚高原一带。古代牧民将羊奶储存在羊皮袋中，受到依附在袋内的细菌自然发酵，成了最早的酸奶。根据之前的情境创设，尝试引导学生提出以下跨学科问题：

酸奶发酵过程中需要什么微生物参与？酸奶为什么有酸味？酸奶为何质地黏稠？酸奶的发酵过程需要什么样的环境条件？制备酸奶需要准备哪些材料？

跨学科问题的解决可采取学生课后通过互联网搜集资料的方式进行。学生的资料收集过程，其实就是跨学科知识领悟的过程，此时学生已经对该实践活动过程中的主要跨学科知识有了大体的了解。

3.跨学科知识讲解

在学生尝试收集资料解决跨学科问题后，可引导学生以小组交流讨论的形式，分享观点，整合跨学科知识资料。之后，教师通过讲解，明确跨学科实践活动原理：

酸奶是利用乳酸菌（一種厌氧性微生物）发酵牛奶而形成的一种乳制品。乳酸菌可将牛奶中的乳糖转化成乳酸，使牛奶产生酸味。同时，也使得酸奶更加适合乳糖不耐受的人群食用。随着发酵过程的不断进行，酸碱度逐渐下降，达到了牛奶中酪蛋白的等电点（酪蛋白是牛乳中的一种蛋白质，等电点时pH为4.6～4.7），使酪蛋白聚集沉降，从而形成半固体状态的凝胶体物质。

4.实践活动方案设计，小组合作

（1）灭菌。将制作酸奶所需要用到的用具进行灭菌。将保温锅、搅拌工具等用水煮开杀菌或用刚烧开的沸水进行冲烫。鲜奶需要先煮沸3 min杀菌消毒，以避免其他杂菌的干扰，待温度降低至40°C以内后，可倒入保温锅中。（如果牛奶出厂时，已经经过消毒，则可以不用煮开消毒）

（2）接种。将温牛奶放入保温锅或酸奶机后，向牛奶中加入一定比例的乳酸菌种（2%～4%）或酸奶（牛奶与酸奶比例10：1～5：1），用筷子或勺子充分搅拌。还可加入一定量的白糖，使酸奶的口感更好。搅拌均匀后，用盖子密封。

（3）保温发酵。牛奶放在保温锅或酸奶机中进行保温发酵（40°C左右）。一般发酵8～10小时即可。随着发酵过程的不断进行，酸度逐渐增加，质地也逐渐变得黏稠。

（4）冷藏保存。将保温发酵好的酸奶转移至冰箱中进行冷藏保存（0～5°C），保存12h后即可食用，此时的酸奶呈半凝固状态，质地洁白有光泽，酸甜可口。

在本实践活动中，教师可以分小组进行活动方案的设计，小组合作探究不同因素对制作的酸奶品质的影响及其甜度和酸度的区别。例如，设置不同发酵温度组别，设置菌种的接种量;设置发酵过程中的pH及凝固度变化，设置加入白糖的量对酸奶甜度及口感的影响。

5.分享交流，反思总结

各小组制作好酸奶后，大家可以相互品尝，分享交流，评选哪个小组制作的酸奶品质最好，可设计评价量表（如表2），让学生进行打分评选。

酸奶的酸度可用酸碱检测试纸进行测量，随着接种的时间加长，酸奶的酸碱度逐渐降低，黏稠度逐渐升高。酸奶的甜度则可通过感官评定方式来进行测定。例如，我们可以将蔗糖的甜味系数定为1，并将蔗糖配制成质量分数1%的标准溶液。将待测酸奶稀释成不同的浓度，并让同学们进行品尝，使得在稀释一定程度后的酸奶与质量分数1%的标准蔗糖溶液甜味程度相同。此时，标准蔗糖溶液浓度和酸奶浓度的比值，就是被测酸奶的甜味系数。通过酸碱度测试及学生对甜味的评价，可测定并分析不同酸奶样品的酸度和甜度，从而确定适宜的酸度和甜度范围。

[参考文献]

[1]丁奕然，李雁冰.《义务教育生物学课程标准（2022年版）》解读与教学建议[J].天津师范大学学报（基础教育版），2022，23（03）：7-12.

[2]陈荣.主题式跨学科课程：内涵梳理与关系辨析[J].中小学班主任，2022（10）：26-28，32.

[3]冯爽.中学物理课程跨学科实践主题的模型构建及实施路径[J].物理教师，2022，43（05）：59-62，65.