核心素养视域下高中生物跨学科学习案例的实践研究

摘 要：跨学科学习活动是相关人员立足新课程改革视域提出的新型教学模式，具有综合性、实践性与创新性。在高中生物教学中运用跨学科学习，可以为学生自主学习的发挥提供支架，对学生掌握多学科知识、发展高阶思维能力与提升生物核心素养而言具有重要作用。文章立足核心素养培养角度，对高中生物的跨学科学习活动进行研究，旨在发挥跨学科学习活动的特性，指引学生从不同角度参与跨学科学习，支持学生利用多学科知识解决生物问题，强化学生学习效果。文章根据新人教版高中生物教材内容，分别对探究性跨学科学习实践、综合性跨学科的实验学习实践进行研究。

关键词：核心素养；高中生物；跨学科学习

一、探究性跨学科学习实践

探究性的跨学科学习是教师根据生物学科探究活动设计出的活动形式，要求学生在活动中综合运用跨学科知识自主探索。此种跨学科学习实践活动，在有效拓展学生思维、发展学生科学探究与生命观念等核心素养方面具有显著价值。在生物教学实际过程中，教师应根据教材内容，适当整合多学科内容、拓展课堂活动形式，为学生自主发挥、自主探究搭建支架。

（一）跨学科的反应模拟探究，拓展学生学科思维

反应模拟活动是跨学科的综合性探究学习实践的基本形式之一。在课堂教学中，教师根据课程内容组织开展对化学反应的模拟活动，让学生通过模拟对化学反应进行探究。反应模拟活动可以调动学生的探究积极性，促使学生在探究的过程中理解学科知识、发展探究思维。

以新人教版高一必修一“细胞的能量货币ATP”教学为例，ATP结构是本节课核心概念，也是学生理解ATP作用的重要基础。在细胞能量转化中，ATP起到转化、利用的作用，是细胞呼吸、细胞光合作用的重要枢纽。本节课教学中引导学生全面探索ATP的作用是十分必要的。对ATP是一种高能磷酸化合物概念解释方面，如何突破学习难点，加强学科之间的联系，拓展学生科学思维，也需要重点思考。教师整合跨学科知识，组织学生对ATP作用相关反应的探究性模拟实践。通过模拟，学生可以利用跨学科知识迁移了解化学键断裂等知识点，接触磷酸基团离开ATP时的转移原理。课堂上，教师先展示“萤火虫发光现象”，组织学生阅读诗歌《秋夕》，给学生讲述囊萤夜读的典故，以语文、自然科学等跨学科素材引出本节课基础知识——ATP的功能，引起学生对ATP直接的能源物质进行思考。之后，教师提出跨学科探究活动任务：“请大家分别完成‘细线模拟高能磷酸键’‘弹簧模拟转移势能’，并且结合物理相关知识说说你是如何理解ATP的转化作用的。”

教师以跨学科素材引发学生对“转化”的思考，引出本节课核心知识点；以生物反应模拟探究支持学生迁移运用物理学科中的能量转化原理，将其与生物中的ATP能量转化进行类比。本次跨学科学习实践中，学生在教师的引导之下突破本节课学习难点，进一步发展科学思维，掌握类比思考、对比探究等学习方法。

（二）跨学科的模型构建探究，发展学生核心素养

高中生物课堂上，教师应引入大量科学历程、科学素材，引导学生开展自主探究。学生通过探究构建其他学科模型，依托模型对比分析生物现象、生物反应原理，从而深度理解生物知识。在模型构建的跨学科探究活动中，学生以小组为单位应用跨学科知识进行一系列探索，在构建模型的过程中逐渐形成物质与能量观念、结构与功能观等科学观念，建立正确的科学本质观，同时也树立生命观念与社会责任感，进一步实现核心素养的发展。

以新人教版高一必修一“光合作用的原理和应用”教学为例，光合作用的原理可以分为两个阶段，分别是光反应阶段、暗反应阶段。教师根据本节课主要内容，整合课内外素材设计了跨学科的模型构建探究活动。活动中，教师给学生播放“科学家们发现光合作用的过程”微课视频，并提出要求：“请大家观看视频，思考在希尔的实验中离体的叶绿体在什么样的情况之下可以产生氧气呢？”视频中播放希尔实验，同时显示实验提示——“离体叶绿体在光照条件下使水分解，释放氧气并还原电子受体”。学生观看视频，思考之后回答：“可以通过光照在没有二氧化碳的情况之下产生氧气。”教师提问：“希尔反应证明了什么”，让学生认识到叶绿体必须有阳光才能产生氧气，从而发生光合作用。

之后，教师引入化学学科素材，让学生观看这则新闻：“著名学术期刊《科学通报》2023年8月15日刊发最新研究成果显示，中国科学家在实验室内实现了从二氧化碳到糖的精准全合成，人工合成糖迈出关键一步。”提出问题：“人工合成糖是什么？请大家阅读这则新闻，结合之前我们学习的糖的合成实验，说说其原理是什么？大家可以绘制出其实验反应结构吗？”教师利用新闻素材引导学生构建化学学科“糖的合成”模型。之后，教师进一步引导学生对比“水的光解与糖的合成”，从化学学科角度继续提出问题：“希尔的实验是否可以说明水的光解与糖的合成不是同一种化学反应呢？”教师要求学生以小组为单位模拟化学反应中糖类的产生过程，逐步构建糖类的合成模型。学生根据糖类的形成循环过程完善光合作用反应模型，补充光合作用的暗反应阶段，并且互相展示模型。

本节课跨学科学习活动中，教师引入化学学科内容引导学生思考，支持学生借鉴化学反应模型构建光合作用反应模型，认识到离体叶绿体的结构与功能之间的关系，正确理解生物科学本质，最终实现生命观念等核心素养的发展。

二、综合性跨学科学习实践

综合性实验是学生学习学科知识、发展核心素养的重要环节。在跨学科学习实践中，教师可根据课程内容组织学生开展一系列综合性的实验活动，包括自主设计实验活动、小组合作实验研究活动等。学生综合运用跨学科知识，认真思考实验原理、精准把握实验设计需求，参与实验操作与研究，这既可以深化学生的科学思维与探究能力，又可以锻炼学生的实验操作能力，进一步提升学生核心素养水平。

（一）跨学科的自主设计实验，锻炼学生综合能力

自主设计实验活动具备自主性、开放性与实践性，学生可以根据生物知识提出新颖实验设想，创新实验过程与装置，体会实验原理与实施过程，最终提高个人的综合能力。在跨学科学习活动中，教师可以根据课程内容向学生提出“自主设计实验”的要求，让学生基于自己对生物知识的理解设计实验方案，为学生综合运用跨学科知识提供支架。

以新人教版高一必修一“酶的特性”教学为例，本节课核心实验是“影响酶活性的条件”。在此之前，教师已经引导学生对酶的特性进行探索，学生对“酶”的作用机理具备基本理解。教师将“酶的特性”与化学学科“酸碱性”“化学实验影响因素”等内容相结合，设计跨学科的开放性自主实验设计任务：“请大家结合之前学习的‘酶的作用与本质’、化学学科实验操作的影响因素等知识内容，借鉴‘淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用’实验，从不同角度探索酶的特性并且设计相应的实验方案。”同时，教师为学生发放“生物—化学”的化学课学习材料，分别为“过氧化氢的分解实验方案”“不同温度条件/酸碱值条件下的过氧化氢实验变化”。学生小组阅读化学实验资料，发现“在化学反应中，温度、酸碱值是影响反应速率的关键要素”。因此，学生提出疑问：“那么温度与酸碱值是否会对生物实验产生影响呢？”各组学生纷纷开始围绕“温度条件对酶的活性的影响”“溶液酸碱度对酶的活性的影响”“溶液的浓稠程度对酶的活性的影响”等问题展开实验设计。各组学生纷纷选择不同的角度设计实验，进而形成了多样化的实验方案成果。

课堂上的跨学科综合性自主设计实验活动中，各组学生发挥聪明才智，结合自身参与过的化学实验操作经历，分别提出不同的假设，包括温度影响、酸碱度影响、浓稠度影响，甚至有的学生小组认为光照、通风条件等都可以对酶的活性产生影响。各组学生在发散思维的同时，找到了多样的实验角度，纷纷设计实验方案。虽然结果验证影响酶的活性的因素主要为温度与酸碱值，但是在学生自主假设、自主设计与验证的过程中，学生结合化学学科知识进行思考、利用多学科知识设计实验方案、利用数学学科的统计思想整理实验数据、制订表格，充分锻炼了综合能力，进一步提升了核心素养水平。

（二）跨学科的实验研究，提高学生科学思维与探究能力

操作与研究实验的亮点在于将实验过程完全开放，将跨学科探索的选择性还给学生。教师根据课程内容展示跨学科案例，引导学生结合多学科知识进行思考，之后利用问题逐步引导学生对实验原理、实验思路进行梳理，最后为学生提供跨学科素材，要求学生结合跨学科素材进行实验操作与研究。比如，学生借鉴数学学科的数据统计法整理生物实验数据。再如，借助信息技术学科的工具手段将生物实验数据以可视化的形式呈现，深入研究实验，获得实验结论。这样的跨学科实验活动可以进一步锻炼学生的实验研究与科研能力，发展学生的科学思维、科学探究能力，最终增强学生的核心素养。

以新人教版高一必修一“细胞呼吸的原理和应用”中的“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验课为例，本节课要求学生以小组为单位进行合作实验研究，旨在培养学生的合作探究能力、科学探究能力。本节课教师将生物活动与数学学科统计方法、信息技术学科数据、语文学科报告文学相结合，组织开展跨学科的实验研究活动。在实验之前，教师将学生分组，每五人为一组，要求学生在课前自主预习，阅读相关实验的成果资料，编写阅读思想报告（语文），学习实验研究方法，包括实验观察、实验数据与信息的分类记录（数学）、实验数据信息的整理与呈现（信息技术）、数据利用方法等。

课上，教师立足跨学科视角为学生布置实验研究任务：“请各组学生完成‘酵母菌细胞呼吸的方式’实验操作，并且尽可能多角度、深入分析实验数据信息，请大家利用数学表格、信息技术、语文逻辑描述等多学科方法进行实验研究，得出可靠的实验结论，并且完成实验报告的撰写。”各学生小组纷纷开展跨学科的实验研究活动，有的学生小组认为化学学科的实验分析模板十分科学，于是借鉴化学实验分析框架搜集本次“酵母菌呼吸”的实验信息。有的小组认为：“相较于叶绿体的实验，酵母菌呼吸实验现象变化不明显，仅依靠肉眼观察无法第一时间发现反应变化。”于是该小组采用数字化实验系统、传感器，借鉴信息技术学科的“数据可视化”方法进行实验数据的实时采集与分析，在电脑界面上形成动态的实验可视化图形，更精准地把握酵母菌细胞的呼吸变化，更精细地分析影响酵母菌细胞呼吸的因素、论证酵母菌细胞的呼吸方式变化。有的学生认为：“化学与生物之间密切关联，部分化学元素会直接干扰生物实验的结果。”因此这组学生从“氧化反应及其还原反应”角度入手，在酵母菌细胞呼吸实验中加入二氧化碳，让酵母菌进行有氧呼吸，研究酵母菌细胞与二氧化碳的反应关系。

跨学科的开放性实验研究活动中，教师将课堂空间完全还给学生，充分发挥学生主体性，支持学生立足跨学科角度进行设想，鼓励学生将设想作为实验研究的方向。这样的学习活动不仅可以拓展学生的科学思维，开阔学生实验研究思路，也可以让学生经历更丰富的实验研究过程，让学生在研究的过程中内化观点，进一步提升科学探究能力，实现核心素养的培养目的。

三、结语

综上，跨学科学习活动具有显著的实践性、创新性与探索性，是学生自主学习的重要支架，也是学生利用多学科知识自主探索的优质载体。跨学科学习活动中，教师应为学生提供多学科素材，适当引导，支持学生自主探索，促进学生生命观念、思维能力、科学探究与社会责任等核心素养的发展。今后的生物教学中，教师要想利用跨学科学习模式，就要紧扣课程内容，把握生物学科特点，选择与生物相关联的学科内容，尽可能为学生创设内容丰富、多学科新关联的学习场域。

参考文献：

［1］ 张传义. 核心素养背景下高中生物科学思维培养研究［J］. 试题与研究，2024（08）：89-91.

［2］ 邹易娜. 高中生物跨学科主题学习活动设计与实施［J］. 教书育人，2024（07）：28-30.

［3］ 程艳艳. 基于核心素养的高中生物支架式教学［J］. 高考，2024（07）：119-121.

（责任编辑：张涵淋）