学科核心素养理念下跨学科教学思考与设计——以“细胞膜成分的探索”为例

杨心媛 字 发 范丽仙*

（1.云南师范大学生命科学学院 云南昆明 650504）

（2.云南省玉溪第一中学 云南玉溪 653100）

新课改以来，人教版生物学新教材中增设学科交叉模块，学科综合化的发展趋势越来越明显。在实际教学中，生物学某些重要概念的构建需要以其他学科的知识、方法或技术为基础才能突破；某些重要现象需要结合其他学科的理论才能解释。因此，高中阶段进行跨学科教学十分必要。

1 核心素养与跨学科教学

21世纪，核心素养成为引领国际教育改革的主流理念。高中阶段各个学科依据学科特点提出了各自的核心素养（表1）。不同学科的核心素养既有差异，又存在共性。例如，生物学与化学都提出了科学探究和社会责任，生物学与物理都提出了科学思维，不同学科都从学科属性出发强调不同方面，本质上是各学科领域对同一核心素养培养的侧重点不同。

表1 普通高中部分学科核心素养

跨学科教学也称学科交叉教学，指在某一学科的教学过程中，主动、有序且有机地联系其他学科，渗透相关知识点，建立知识和能力的综合性网络。教师在培养学科核心素养的过程中，适当采用跨学科教学能够实现学科之间的双赢。

2 核心素养理念下“细胞膜成分的探索”跨学科教学设计

2.1 教材分析与设计思路

“细胞膜成分的探索”位于人教版必修一第三章第一节“细胞膜的结构与功能”中。该部分内容以时间为线索，用科学史的形式呈现科学家们对细胞膜成分的探索历程，既承接上文对细胞膜功能的介绍，又开启下文对细胞膜结构组成的学习，具有桥梁作用。科学家们在探索过程中运用了其他学科的知识及方法来解决生物学问题。因此教师在授课时，以科学史为主线，紧紧围绕“细胞膜的成分”这一核心问题展开教学，并辅以相应的跨学科知识，能够帮助学生拓展思维，更好地理解科学家们探索细胞膜成分的历程，发展学生的生物学学科核心素养。

2.2 教学流程

2.2.1 情境导入

教师播放“人造细胞膜”研制成功的新闻，创设情境，引导学生思考：人造细胞膜在生活中运用广泛，这一成就的取得离不开一代又一代科学家的努力。细胞膜是由什么成分组成的？由此，教师带领学生重温细胞膜的探索历程。

设计意图：教师利用细胞膜研究成果在生活中的应用激发学生的学习兴趣，使学生认识到科学研究是为了造福人类，研究成果的取得需要付出不懈的努力；同时，借助新闻引出核心问题——细胞膜的成分，为下文做铺垫。

2.2.2 推理细胞膜的主要成分

教师展示欧文顿实验的相关资料，请学生结合时代背景自行归纳欧文顿研究的问题，并根据证据，尝试提出假说。教师追问：该假说是否正确？如何通过实验来验证？学生讨论教材内容，得出：组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇，磷脂的含量最多。

设计意图：教师引导学生分析资料，让学生体会提出假说的科学方法，锻炼学生的科学思维。

2.2.3 分析磷脂分子的特性

教师展示磷脂分子的结构式和脂肪的结构式，请学生对比两者的异同，推测磷脂分子具有的特性。学生比较后，发现磷脂分子的尾部由脂肪酸构成，提出磷脂分子尾部不溶于水的特性。教师介绍组成磷脂分子各基团的化学性质，引导学生说出磷脂分子头部亲水的特性，并引导学生选用适宜的材料（铁丝、超轻黏土等）制作一个磷脂分子。

设计意图：教师从学生已有的知识出发，通过引导学生比较磷脂和脂肪的结构式来理解磷脂分子的特性，既可以强化学生对知识的记忆，也有助于学生理解磷脂分子头部亲水尾部疏水的特点。

2.2.4 探究磷脂分子的排布

教师展示科学家戈特和格伦德尔的研究故事，提出问题：组成一个细胞的磷脂分子面积与细胞表面积有什么关系？能否用字母表示出来？学生小组讨论得出关系式“Y=2X（“Y”代表空气-水界面上单层脂质分子的面积，“X”代表红细胞的表面积）”。教师提问：细胞中磷脂分子排列为连续两层的原因？在学生分析、讨论后，教师追问：水—苯混合溶剂中磷脂分子如何排列？并引导学生得出结论。

设计意图：“Y=2X”关系式不仅可以表示单层磷脂分子与细胞表面积的关系，还可以表示细胞膜与磷脂分子层之间的关系。一层细胞膜代表一层磷脂双分子层也代表两层磷脂分子层。教师利用简洁的数学公式，帮助学生突破难点。

2.2.5 探究细胞膜的表面张力

教师提出问题：细胞膜中除了脂质，还有没有其他成分？学生回归教材，得出：细胞膜还可能附有蛋白质。教师带领学生梳理细胞膜可能附有蛋白质的证据：细胞膜的表面张力明显低于油水界面的表面张力，油脂表面附有蛋白质则表面张力会下降。并要求学生根据所提供的材料（植物油、清水、蛋白粉等）小组合作设计模拟实验，证明细胞膜中可能附有蛋白质。

设计意图：表面张力是学生较为陌生的知识，教师在教学过程中通过模拟实验将看不见的表面张力大小转换为可见的油脂在水面扩散面积的大小，提升学生思维的灵活性。设计模拟实验也能够进一步提升学生的科学探究能力。

3 跨学科设计分析

该教学片段中包含磷脂分子的结构与特性、单层脂质分子面积与细胞膜表面积的关系以及油脂表面张力变化3个学科交叉知识点，部分教师难以把握深度，容易造成忽略或讲解太深奥两个极端。在设计以上3个知识点的教学时，教师宜采用学科交叉的方法。

3.1 生物与化学

针对磷脂分子的结构与特性，教师可引导学生回忆已经学习过的脂肪分子的结构：从化学角度看，脂肪是由1分子甘油和3分子脂肪酸聚合形成的酯，具有不溶于水的特点。指导学生磷脂分子的结构式中，找到1分子甘油和2分子脂肪酸。通过对比两者的异同，学生可以推测出磷脂分子的尾部具有不溶于水的特性。磷脂分子的头部由胆碱与磷酸组成，二者易溶于水，所以磷脂分子的头部具有亲水的特性。

3.2 生物与数学

针对单层脂质分子面积与细胞膜表面积的关系，教师巧用数学公式“Y=2X”简洁清晰地表示出二者关系，帮助学生建构模型。其中“Y”代表空气-水界面上单层脂质分子的面积，“X”代表红细胞的表面积，“2”代表两者之间的倍数关系。如此转换，学生能够更好地理解细胞膜中磷脂分子排列为连续两层的原因。

3.3 生物与物理

针对油脂表面张力，教师可以借助物理知识演示模拟实验。表面张力是指水等液体会产生使表面尽可能缩小的力，是液体分子的内聚现象。油脂滴入水面形成的透明圈可以模拟油-水界面的表面张力。透明圈扩散面积越大则表示油脂分子表面张力越弱。为使实验现象更加明显，教师实验前在水面上铺一层痱子粉，滴入一滴油脂，待油滴扩散面积稳定后加入蛋白粉，发现油脂扩散面积变大，说明加入蛋白粉后油—水界面表面张力下降。据此，教师可引导学生推测细胞膜可能附有蛋白质。

4 思考与总结

培养学生的核心素养已经成为现代教育的重要共识。高中阶段各学科的某些知识点与其他学科交融渗透，跨学科教学成为发展学生学科核心素养的重要手段。教师在高中生物教学过程中适当融入其他学科的知识、方法和技能，既可以帮助学生深入理解知识，打破学科间的壁垒，构建庞大的知识网络，又能提升学生的综合素养，切实提高学生解决问题的能力，帮助学生更好地实现全面发展。同时，教师在跨学科教学中要注意适时、适度、适量，分清主次，避免本末倒置。