基于高中生物学科核心素养的跨学科科学思维的培养对策初探

秦发学

摘 要：在新课改背景下，科学思维是高中生物学课程标准的核心素养之一。生物学是一门自然学科，与语文、数学、化学、物理等学科在知识、思维等方面有相关性。教学中根据高中生物教材内容，寻找出学生学习中的困惑，适当联系有关学科的知识和思维形成跨学科科学思维，促进不同学科间融会贯通，减轻学生的学业负担，有效促进教学效果的提高。

关键词：高中生物学科；跨学科科学思维；培养

中图分类号：G633.91   文献标识码：A   文章编号：1673-8918（2023）16-0128-04

培养学生的科学思维是落实立德树人根本任务的重要举措，是服务创新型国家发展战略的基本要求。科学思维是《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中生物学科的核心素养之一，课程标准中将科学思维定义为：“指尊重事实，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。”俗话说“他山之石，可以攻玉”，在教学过程中，教师要善于借助教学内容中涉及的语文、数学、化学、物理等学科知识和科学思维，启发和培养学生的生物学学科的科学思维，逐步使学生形成认识事物的正确价值观，形成良好的思维品格，提高解决问题的能力。

一、 基于核心素养的阅读、理解、归纳和概括能力的培养

生物学科是一门自然学科，在研究过程中要观察生物现象、结构、生理变化等事实和证据，用科学、简洁、规范的语言归纳和概括生物的生命现象，阐述生物学问题，得到生物学的结论、概念和原理等。并且还要具有读懂、理解科学家研究的文献资料、生物学概念和原理的能力，会解决有关问题。这些是与学生深厚的语文学科能力所要求的阅读、理解、归纳和概括功底是分不开的。

（一）学生生物学科的阅读、理解、归纳和概括能力不足的原因

高中学生经历了初中生物学知识的学习后，储备了一定的知识，具备了一定的思维能力。但客观上受到初中认知水平的限制，初中教材的知识体系比较简单，主要是一些生物学结构、生活现象的描述，思维层面上升的內容比较少。初中生物在中考中占的分值也低，且为选考，考试中识记性的内容比较多，科学思维方面的试题比较浅显且较少。教学中有些初中学校又压缩正常教学课时，只有部分学生选考，在中考前选考学生突击背诵。有些学校认为生物分值不高，背背记记即可。有些学校生物师资配备不足，用其他学科教师教生物课。主观上学生的身心发育有限，思维能力的形成有限，在学习中只是应付考试。这就造成了教师在教学和学生在学习中忽视了生物学科科学思维的培养和训练，导致学生在阅读、理解、归纳和概括能力方面的不足、断层和脱节。

（二）在高中生物教学中培养学生阅读、理解、概括和归纳能力的策略

1. 充分利用教材中的实证情景培养学生的阅读、理解、归纳和概括能力

高中生物教材编排的特点之一是，在有些章节内容中先给一段或一句原理或结论性的话，再举出实证情景，如生活现象、生物学实验、生物学实例、生理过程、科学家的研究历程等进行证明。如：新教材必修一第1章第1节《细胞学说及其建立过程》内容中教材给出“细胞学说的内容”，然后给出思考讨论“分析细胞学说建立过程”的发展史。这部分教学中教师要引导学生读什么、怎么读，然后找出原理和实证的关系，明白如何利用实证来理解原理或结论。教材编排的另一个特点是，有些章节内容先给出一些实证情景，再归纳概括得出原理和结论。如新教材必修一第1章第1节《细胞是基本的生命系统》内容中，教材先举出实证：单细胞生物，多细胞生物的反射活动、动植物细胞的代谢、生长发育、遗传变异等。接着给出结论：细胞是生命活动的基本单位，生命活动离不开细胞。有多个实证情境出现时，教师教学要对情境材料进行整合，善于引导学生将情境分门别类，找到多个情境的相同点、不同点，分析比较情景中揭示的本质规律，归纳概括得出结论。并将得出的结论与教材中给出的结论进行对照比较，找出不足，通过这样反复训练，提高学生用科学简洁的生物学术语进行归纳概括的能力。以上特点在教材中比比皆是，教师在教学中只要善于发现、勤于思考，就能以此培养学生的能力，提高教师对教材的理解、处理、使用能力，从而懂得用教材教而不是教教材。

2. 提高学生阅读理解归纳生物学概念的能力

生物学概念包括大概念、重要概念、次要概念。次要概念是生物学教学的基本单元，是对生物现象、生理过程、生命规律和生物学原理的高度概括。因此，在次要概念的教学中教师引导学生利用语文教学中句子成分的划分方法找出主语、谓语、宾语、定语。找出概念的内涵和外延，内涵是对概念本质的规定，是由主语、谓语、宾语构成的；外延是对概念应用范围或量的规定，由定语部分构成。学生只有正确理解概念的含义，概念是如何形成的，才能准确地应用概念解释、解决生物学情境中的问题。如：有氧呼吸是指细胞在氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，释放能量，生成大量ATP的过程。在这个次要概念中：主语为有氧呼吸，谓语为“是”，宾语为“过程”，其他为定语。在定语中指出有氧呼吸的条件为氧、酶，反应物为葡萄糖，产物为二氧化碳和水、大量ATP，反应的程度为彻底氧化分解。教学中也可以通过这种阅读分析方法引导学生学习无氧呼吸的概念，找出两个概念中的相同点、不同点，加深学生对概念的理解，提高归纳概念的能力，使学生能在理解概念的基础上更好地学习有氧呼吸和无氧呼吸生理过程的几个阶段。另外，教学中发现有的学生在生活中很少参加劳动，生活阅历浅、生活常识少，对有些名词不理解，如：鲜重、干重、增殖、真核、有丝分裂、无丝分裂等，对这一类名词也可引导学生采用望文生义的方法进行理解，如：鲜重就是新鲜时的重量，增殖就是增加繁殖，真核就是有真正的细胞核，也就是有核膜包被形成的等。

3. 重视读图训练，提高学生图示阅读归纳能力

高中生物教材中有许多结构示意图、概念图、模型图、生理过程图、柱形图、直角坐标系下的曲线图、图表等，这些图将生物学中复杂的信息直观、简洁地呈现出来，能够帮助学生认识、理解问题，在教学中教师要重视学生的读图、用图能力训练。对结构示意图、概念图、模型图、饼状图要引导学生看图说话，尽可能地用生物学术语、知识与图示相结合读懂图意，归纳整理、用语言科学表述图示反映的信息。对生理过程图按照图示中反映生理变化顺序的箭头结合有关知识读懂图意，解决有关问题。对柱形图、直角坐标系下的曲线图、图表等要注意研究的自变量、因变量与图中纵横坐标之间的关系，结合所学知识读出纵横坐标的含义，曲线中起点、交点、拐点、终点的含义、曲线的变化趋势等，然后归纳总结图中反映的生物学原理、结论等，进行科学准确的表述。教学中通过不断地引导、分析、训练、积累，提高学生的阅读、理解、归纳能力。

二、 基于学科素养的模型与建模、演绎与推理能力的培养

在生物学中为了反映生物体的微观结构、概念间的包含关系、揭示生命规律，教材中介绍了物理模型、概念模型、数学模型、演绎推理法，通过这些科学思维的培养使学生逐步形成认识事物、阐释生命规律的能力。而这些能力的培养是与动手能力、构建数学模型的逻辑思维、归纳能力分不开的。

（一）高中学生模型与建模、演绎与推理能力形成不足的现状

高中生物教材中有許多模型，其中构建的物理模型有真核细胞的三维结构模型、渗透实验装置模型、细胞膜的成分结构模型、性状分离比的模拟实验、建立减数分裂中染色体变化的模型、DNA双螺旋结构模型；概念模型在课后习题中以概念图的形式呈现；数学模型有蛋白质合成中肽键数目的计算、细胞分离数目的计算、配子和基因型种类的计算、基因频率和基因型频率的计算、理想条件下种群数量的计算、J型曲线、S型曲线等；演绎推理体现在孟德尔研究基因的分离规律和自由组合规律、摩尔根研究果蝇的伴性遗传、DNA的复制等实验中。通过教材中的模型教学，发现学生理解掌握的情况仍然有诸多不足，如：物理模型构建得不形象、不直观、比例失调、结构布局不合理、材料选择单一，不能体现结构与功能的和谐美。概念模型形式单一、大小概念间包含、逻辑关系理不清；数学模型中的曲线含义不理解，不能理解在生物学科情景下的数学公式推导过程，数学公式中字母代表的生物学含义以及公式适用的范围；对演绎推理中的实验过程没有生活体验、没有种植业的生产经历，对农作物的生命历程没有直观的认识，搞不清农作物的生活习性。对演绎推理的具体过程理解不透彻，缺乏由此及彼、举一反三的应用能力。

（二）教学中培养学生模型与建模、演绎与推理能力的策略

1. 教学中在制作物理模型时，教师先引导学生观察教材中有关模型或细胞结构的示意图，看各结构在细胞或模型中的位置、大小、比例；应在安全的基础上提供多类主要材料，如：橡皮泥、泡沫包装材料、面团、质地较软的塑料材料、其他辅助材料根据需要准备；学生通过用手制作、用眼观察、用脑思考，经过亲力亲为制作出科学合理的美观模型，从而加强对所学知识的掌握、理解和应用。

2. 对概念模型的构建，教学中教师引导学生把握概念的本质、理解概念的内涵和外延，掌握概念的包含关系。通过概念图、思维导图、数学中的子集、交集、并集等集合关系构建概念模型。理解大概念、重要概念、次要概念的关系。理解名词上相近的概念，如：原生质体和原生质层、载体和运载体、过敏原和抗原等。在含义上相反的概念，如：自由水和结合水、显性基因和隐性基因等。

3. 数学模型的建立有助于学生对生物学中某些核心概念的理解，提高学生的生物学科核心素养。在人教版高中生物学教材选择性必修2第一章第2节以“酵母菌的种群数量变化”为例，提出构建数学模型的四个步骤，“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→通过进一步的实验或观察等，对模型进行检验或修正”。教学中教师在构建数学模型时通过具体实例善于引导，师生通过前几步的逐步分析，共同推理，采用不完全归纳法构建数学模型，并弄明白模型中字母的含义，就可运用模型解决问题。如：幂2n（n为正整数）在高中生物学中有广泛的应用：①一个亲代细胞分裂n次产生子细胞的数目可用2n计算，n的含义为细胞分裂的次数；②一个基因型为AaBbDDEe……的个体产生配子的种类、自交产生后代表现型的种类都可用2n计算，n的含义为等位基因的对数；③一个亲代DNA分子复制n次产生子代DNA的数目可用2n计算，n的含义为DNA复制的次数；④n个碱基对脱水缩合形成的DNA分子种类可用4n=22n计算，n的含义为碱基对的数目。类似于幂的形式在遗传、DNA的复制、转录翻译中还有很多，不胜枚举。

三、 基于核心素养的物质与能量观的培养

细胞是生物体结构和功能的基本单位，是由元素及其化合物按照一定的比例有机组合在一起形成的生命系统，细胞要不断地和生活环境进行物质和能量的交换，体现了细胞的物质和能量观、质量和能量守恒定律，需要用物理和化学学科的相关知识和思维助力学生学习生物知识。

（一）高中生物教材中有关组成细胞的化合物和化学反应可以说贯穿必修和选修教材中，在教学中发现学生的有关知识不足。如：细胞中的微量元素Mn、B、Mo不知道元素名称；8种必需氨基酸的识记；化学中的有机化学知识学习较少或滞后导致五碳糖、六碳糖、淀粉、甘油、脂肪酸、许多氨基酸的化学式和结构式不了解；学习蛋白质、多糖、核酸、ATP、磷脂的合成和结构理解不透；乳酸（C3H6O3）、乙酸（或醋酸CH3COOH）、乙醇（C2H5OH）、乙醛（CH3CHO）、丙酮酸（C3H4O3）区分不清。淀粉、蛋白质、核酸、脂肪的消化水解产物遗忘；不能区分有机物的水解产物和彻底水解产物；还原糖和斐林试剂、蛋白质和双缩脲试剂的反应本质不清楚。光合作用、有氧呼吸、无氧呼吸（酒精发酵和乳酸发酵）、醋酸发酵、ATP与ADP的转化等表达式不能按要求书写。实验中有些化学仪器、化学试剂、实验装置（蒸馏、萃取、分液）的使用原理和方法掌握欠缺。同位素标记法（稳定同位素：几乎不具有放射性，如18O、15N等；放射性同位素：具有放射性，如：14C、32P、3H、35S等）、差速离心法、荧光标记法、衍射图谱等技术的原理不清楚等。

（二）教学中培养学生相关物理和化学知识的策略

1. 对学生学习中出现的有关元素和化合物的名称、结构和化学式的问题，教师在教学中只要在备课时找出结构展示给学生，在短时间引导学生善于观察、比较、归纳就比较容易掌握了。如：比较五碳糖中的核糖（C5H10O5）和脱氧核糖（C5H10O4）的结构和化学式发现核糖比脱氧核糖多了一个氧原子。又如：通过观察分析学生很容易掌握这些化合物。

2. 对化学反应的原理和表达式，在教学时教师善于和学生归类总结，注意书写规则即可。如：蛋白质的合成、DNA、RNA、ATP的合成都属于脱水缩合反应，在细胞内需要酶的催化，只不过参与脱水缩合的官能团不同，但都会由小分子合成大分子。蛋白质和双缩脲的反应实质是在碱性环境下肽键和氢氧化铜反应形成紫色络合物，不论蛋白质的空间结构是否破坏，蛋白质是否变性，肽键都没破坏，这个反应都会进行。细胞代谢的化学反应是一系列的化学变化，高中教材中的表达式只反映出反应物、终产物、反应场所、反应条件，在反应中的一系列中间反应和中间产物没表现出来，因此写表达式时反应物和产物之间用箭头，而不用等号。如：光合作用的表达式为：CO2+H2O光叶绿体（CH2O）+O2。

总之，生物学科是一门自然学科，研究时要借助其他学科的思维、方法、技术手段等进行研究。因此，学生学习的过程中要具有一定的跨学科创新思维，提高创新能力。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］朱正威，赵占良.普通高中教科书：生物学：选择性必修2生物与环境［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］朱正威，赵占良.普通高中教科书：生物学：必修1分子与细胞［M］.北京：人民教育出版社，2019.