初中生物学模型制作类跨学科实践的教学设计与实施

摘 要：跨学科教育强调知识的整合与应用，鼓励学生在实践活动中综合运用多学科的知识和方法解决实际问题。教师以“吸烟有害健康科普产品研发”为例，通过整合生物学、物理、技术、工程学等多学科知识与技能，在初中生物学教学中设计并实施旨在提升学生健康素养、跨学科思维能力、实践能力和团队协作能力的模型制作类跨学科实践活动，加深学生对吸烟危害的认识与理解，促进学生知识的融合与创新能力的发展。

关键词：初中生物学；跨学科实践；模型制作；吸烟有害健康

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：0450-9889（2024）25-0072-06

初中生物学作为连接自然科学与日常生活的桥梁，其教学不应局限于书本知识的传授，更应注重培养学生将所学知识转化为解决实际问题的能力。生物学与社会·跨学科实践作为《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称《2022年版生物学课标》）新增的课程内容，体现了新课程方案强调培养学生创新与实践能力的教学理念。模型制作类跨学科实践活动要求针对特定的生物学内容，运用生物学、物理、技术、工程学等学科概念，以及“结构与功能”“尺度、比例和数量”“系统与模型”等跨学科概念，选择恰当的材料，设计并制作模型，直观地表征相应的结构与功能，提升学生的探究实践能力［1］28。这种学习方式的独特价值在于能帮助学生深刻理解各学科的概念，促进学生创新思维、决策技巧和团队协作等综合素质的发展。然而，目前符合新课程标准要求的模型制作类跨学科实践教学案例相对较少，致使教师在教学设计与实施过程中面临不少挑战。初中阶段是学生形成健康观念和行为习惯的关键时期，教师通过设计和实施跨学科实践活动，引导学生深入探究吸烟的危害，有助于增强学生的健康意识，激发学生对科学探究的兴趣。笔者以开展“吸烟有害健康科普产品研发”项目为例，深入分析生物学模型制作类跨学科实践的学习目标、教学内容、模式设计和实施策略，旨在为教师提供实用的教学参考，促进跨学科实践教学的有效实施。

一、跨学科实践的学习目标设定及教学内容整合

（一）立足生物学课标要求设定学习目标

初中生物学模型制作类跨学科实践学习目标的设定应立足于生物学科，符合《2022年版生物学课标》的要求，致力于提升学生的生物学核心素养，凸显跨学科实践学习的独特价值。同时应与其他相关学科的国家课程标准相协调，确保学习目标、教学内容和评价策略的一致性。学习目标还要与学生当前的学习阶段、知识背景紧密相关，确保与学生的认知水平和发展需求相匹配。

“吸烟有害健康科普产品研发”在《2022年版生物学课标》中的学习要求如下：运用多学科的知识和方法自制实验装置，模拟香烟烟雾对呼吸道黏膜的危害；形成吸烟有害健康的观念，自觉拒绝吸烟；学会用科学证据向公众宣讲吸烟有害健康［1］28-29。为提高学习目标的可操作性，切实培养学生的综合素养，教师可以将“吸烟有害健康科普产品研发”学习目标细分为五个领域（如表1）。

（二）有机整合多学科教学内容

每个学科之间具有一定的内在逻辑和联系。不同的学科在“吸烟有害健康科普产品的研发”跨学科实践活动中各自扮演着不同的角色（如图1）。例如，生物学揭示生命奥秘，助力开发关注生态、健康等主题的科普产品；物理学解析自然规律，激发学生探索科学原理的兴趣；工程技术则结合实际应用，使科普产品更具实用性和创新性。有机整合多学科知识，有助于增强科普产品研发的科学性和趣味性，还能提高学生的科学素养。

可见，基于工程设计的关键问题是模型制作类跨学科实践活动中各学科的天然黏合剂，将科学、技术、工程、数学、社会和人文艺术等相关学科自然而然地进行跨学科整合，变成相互联系的统一整体，能更好地为学生创设跨学科融合机会，培养学生创新能力和解决问题能力。

二、跨学科实践的教学流程设计及特点

（一）教学流程设计：整合科学探究与工程设计

探究实践是生物学课程要培养的核心素养之一，主要包括科学探究和跨学科实践活动，其主要环节为：发现问题或提出任务，制定方案，实施方案，获得证据或形成初步产品，分析证据或改进设计，得出结论或物化成果，进行表达、交流或展示等［1］5。模型制作类跨学科实践活动更加强调工程设计和科学探究过程。教师可根据生物学课标要求和教学内容，结合他人对工程设计和科学探究过程的分析比较，从真实情境、关键问题、设计方案、实施方案、改进方案和产品交流展示六大共同要素出发［2］，整合工程设计和科学探究过程，作为“吸烟有害健康科普产品研发”的教学流程（如图2）。

学生首先参与工程设计的1至7环节，制作能收集香烟烟雾的装置，然后利用装置收集烟雾，通过科学探究8至12环节模拟香烟烟雾对呼吸道或肺的危害，最后基于两个过程的成果完成表达、交流或展示。此教学流程需要3周的时间跨度，采用课内课外相结合的教学模式，其中课内4.5课时。

（二）教学流程特点

一是教学流程具有灵活性。“吸烟有害健康科普产品研发”科学探究和工程实践环节交叉整合或循环迭代，共同服务于一个系统整合的实践性关键问题。但模型构建类跨学科实践具体流程因学习内容、探究目的和学生个人探究风格、个性化需求的不同而不同，不存在统一的、固定的环节，也不一定是线性的关系。在常见模式中以工程设计为主线，将科学探究整合于工程实践中，可发生于制定方案之前或者改进设计环节之中，利用探究结论为工程实践的方案制订和改进提供依据；两者也可以为递进关系，其中一项为另一项的先决条件。因此，教师在教学过程中要灵活处理，避免将跨学科实践教学流程程式化，以保持其创造性和适应性。

二是学习过程与结果具有开放性。科学探究与工程设计过程虽相似，但在解决方案、成果形式等方面有显著差异。科学探究的成果形式一般为证据和结论，具有唯一性、一致性，即在相同条件下不同人、不同次的结果和结论具有一致性；而工程设计的成果是物化形式，即使在相同的产品标准下，解决方案和成果形式也具有多元性、开放性。这种开放性要求教师在开展跨学科实践教学活动时，必须考虑到学生的创造性、学习过程与结果的不确定性，从而确保教学活动的有效性和包容性。

三、跨学科实践的教学实施策略

（一）创设真实的表现性任务情境

学生学习了人教版生物学七年级下册“人体的呼吸”单元之后，教师结合“选择健康的生活方式”教学内容，创设真实的表现性任务情境：学校将面向七年级学生招标，请若干团队设计和制作一套符合一定标准的科普产品，模拟吸烟损害健康的过程，运用具体的实验现象和科学证据，在今年5月31日世界无烟日和6月校园科技节上向其他同学宣讲吸烟损害健康的原理，帮助同学们形成吸烟有害健康的观念，自觉拒绝吸烟。你和团队可否像设计师、工程师一样运用多学科的知识和方法接受这一挑战呢？

教师要将学习内容和学习目标转化为学生要真实完成的表现性任务，引导学生置身于真实或模拟的任务情境中，完成一个可公开展示的产品。接下来，教师将“吸烟有害健康科普产品研发”按活动环节的顺序分解为系列子任务，对应系列清晰的操作性活动和阶段性成果表现，使跨学科实践活动流程具体化（如图3）。

（二）引导学生明确跨学科项目实施的标准和条件

在实施跨学科项目时，引导学生明确作品标准和实施条件，包括作品的材料、用具、操作环境，以及实验空间、时间和经费等，有助于培养学生在有限条件下进行权衡、抉择、设计方案和实施方案的能力，也能提高大班教学情境下面向全体学生开展活动的可操作性。

“吸烟有害健康科普产品研发”的设计标准包括：第一，材料是生活中常见、易得的；第二，能利用合适的材料模拟出呼吸道黏膜细胞或肺的结构；第三，通过装置或实验能直观展示出吸烟对健康的危害；第四，成品外形美观、体积适中、操作方便和能重复使用，总价不超过100元；第五，成品宣传的内容和形式符合受众特点，能利用具体的科学证据展示吸烟损害健康的原理。教师可以提供草履虫、培养液、洗耳球、玻璃管等实验材料和设备，规定完成项目任务的截止日期。

（三）促进高效的团队合作

解决现实世界的复杂问题离不开跨专业领域的团队合作。在跨学科实践活动中，团队合作是教学过程中的一种组织形式，也是提升学生的协作能力、获得人际互动技能的有效途径。首先，教师引导学生构建学习共同体，明晰团队合作的要求，并提供必要的指导。其次，学生通过任务分工表来确定各自的角色、任务、标准和时间节点，确保每个团队成员都能充分参与并为集体目标作出贡献。此外，通过整合自评与他评活动，学生能够根据团队合作的标准，对团队表现和成果进行自主评估，从而推动团队的持续改进和发展。有效的团队合作，有助于学生顺利实现学习目标，体验学习成就感，并形成积极的学习动力。

（四）以工程设计为核心任务和实践路径

工程设计是生产生活中问题解决的一种普遍方法，是模型构建必不可少的过程。因此，模型制作类跨学科实践活动以工程设计任务为核心，强调设计思维。学生在这一过程中应遵循明确的工程实践路径，所采取的方法和获得的思维方式具有可迁移性：当现实中面临其他挑战时能够采用类似的策略来寻找解决方案。

以“吸烟有害健康科普产品的研发”中的发现问题或提出任务环节为例。首先，教师引导学生明确关键问题，如设计目标、目标用户及其需求等。然后，教师鼓励团队采用观察、文献调研、现有方案分析、访谈和调查等方式，来收集研发吸烟有害健康科普产品所需的信息。具体任务包括：通过网络阅读《中国吸烟危害健康报告2020》《2020全球癌症报告》等资料，完成吸烟有害健康的调查报告，总结吸烟对肺和呼吸道的危害，并在文末注明信息来源；研究调查和记录至少两个团队认可的他人的实验装置，结合项目实施的标准和条件形成分析报告。

《2022年版生物学课标》中吸烟有害健康的实验装置如图4所示［1］65，某团队对该装置进行了如下分析：优点是原理明白易懂，操作简单、方便；需要优化之处是左边空气泵的小桶材料难以获取；改进思路是使用矿泉水瓶替代小桶，在上方开设小孔作为加水口，并使用漏斗辅助加水，工作时用软质橡皮泥封住加水孔以确保装置的密闭性。经历这一体现工程设计特征的活动，学生能够站在已有研究的基础上，借鉴前人的成果，提出有效的解决方案，提升工程设计领域的理解能力和实践能力。

（五）鼓励学生提出多元化解决方案

跨学科实践问题的解决方案和成果不止一个，教学中教师要避免提供现成的、单一的解决方案，防止方案和产品的同质化。教师应引导学生进行深入的思维活动，经历制订方案阶段，鼓励学生提出具有可行性的多样化的解决方案。团队成员先通过头脑风暴活动，围绕科普产品的名称、材料、适合人群、设计图、制作流程等展开创意讨论，记录每个成员的意见；然后按照产品标准、实施条件进行分析讨论和衡量；最终按照提供的模板，确认一份团队成员一致认可的最佳科普产品创意投标书。以下是三个团队的不同设计方案。

团队1设计的“模拟探究香烟烟雾对呼吸道黏膜细胞的影响”的方案主要思路：用图5所示的实验装置收集香烟烟雾进行探究，处理瓶中的草履虫，与未经处理的草履虫形成对照。通过显微镜观察比较草履虫的生活状态，如纤毛摆动、细胞质流动和摄食情况，寻找香烟烟雾对草履虫纤毛影响的证据。根据呼吸道黏膜细胞与草履虫都有纤毛的相似性，推断香烟烟雾对呼吸道黏膜的潜在危害。

团队2、团队3设计的“模拟探究香烟烟雾对肺的危害”的方案主要思路：使用图6、图7所示的实验装置进行探究，模拟连续吸入香烟烟雾后的情况。通过记录和比较棉花颜色的变化，结合所查阅的资料，分析香烟烟雾对肺部的不利影响，并得出结论。

这三个方案都符合预定的产品标准，但方案的解决策略各异，体现了问题解决的多元性，有利于培养学生的创新思维。

（六）让学生在动手实践和循环迭代中实现创意

跨学科实践倡导“动手做、做中学、创中学”的理念，让学生在深刻的思维活动基础上积极参与实践操作［3］。通过亲历构建模型、实验探究等活动，学生能够将方案里的设想和创意通过真实的行动转化为物化的成果，避免设计方案成为单纯的思维活动。

各团队根据自己的设计方案和成员分工，动手制作烟雾收集装置的初代产品。然而产品很少能一次成功，团队可能在多个阶段发现方案或模型的不足，经历重新设计、构建和完善的循环迭代过程。循环迭代是科学探究和工程设计的共同特征，是跨学科实践学习过程中不可或缺的环节，并不限于特定环节。特别是在“改进设计、物化成果”环节，教师要为学生留出充足的时间体验这一过程，采用过程性评价和形成性评价相结合，将评价融入学习活动中。教师指导团队参照图8的迭代循环及评价流程，依据设定的产品标准，通过组内自评和他评的形式，对初代装置进行质量测试、收集改进信息，评估证据，发现不足，并据此进行修改和再设计，以形成最佳解决方案和高质量产品。这一过程也体现了评价促进学习和评价即学习的教学理念。

如图9所示，团队2在初代产品测试中发现“空气泵使用玻璃瓶，没有进水口，无法实现持续加水”的问题，提出改进策略：改用两个5L矿泉水瓶，增加加水孔，用橡皮泥封口密封，通过玻璃管和乳胶管与水龙头相连，实现持续加水。通过多次改进形成满足需求的最终产品。学生利用经过改进的最终装置收集烟雾完成科学探究，获得证据，分析证据，得出结论。动手实践、循环迭代过程加深了学生对理论知识的理解和掌握，提高了学生的探究能力和团队合作能力，同时发展了学生的批判性思维、分析和决策等高阶思维能力。

四、成果展示及教学效果评估

跨学科实践活动常与相关的评价活动进行整合，将学生视为工程师和科学家的角色，以推介和交流团队的学习过程与成果。评价活动不应仅在项目结束时进行，而应贯穿整个实践过程。考虑学生的能力水平、个性特点等差异，教师设计多样化的表达、交流和展示活动，既能面向全体学生，满足共同的需求，也能关注个体差异，使每一个学生在不同的学习体验中都能有所进步。

（一）提供多样化的表达与展示形式

学生可以根据项目需求，选择研究报告、展板、演示文稿（PPT）、视频、海报、实物展示和解说等多种形式进行成果展示。教师应提供展示的模板和范例，以支持学生的成果展示活动。

例如，表2为团队1的研究报告1d8ef61d212967a1b29053be9694b9e8a5547919c2e5dac4b37fc2a919314b6a的部分内容。从实验结果可知，香烟烟雾中的有害物质会对草履虫造成损害，导致纤毛运动变慢，影响草履虫的生命活动，如摄食、排出废物和细胞质的运动受到抑制。学生由此得出结论：香烟烟雾可能导致呼吸道黏膜细胞受损，抑制纤毛摆动和细胞的其他生命活动，进而影响呼吸道的正常功能。

（二）创设不同类型、不同层级的交流与展示平台

学校需为学生提供多样化的展示形式和不同层次的平台，将学生阶段性成果统整为最终的实践成果。学校可以设立班级演讲、年级作业展、全校性项目成果展、校外学术评审、竞赛和展示等多样化的展示平台，促进学生相互学习、共同进步。

一是面向全体学生的班级展示。各团队撰写研究报告并在班级内展览；准备3分钟的产品推介演讲稿，介绍产品特点，如有需要可辅以8页以内的PPT；通过实物演示、解说或PPT形式进行演讲，或录制宣传视频推介交流，每个团队限时4分钟；使用小组整体绩效量表进行自评和互评。

二是中标团队在全校性活动校园科技节上进行展示。团队将研究报告制作成展板，在指定摊位展示；向评委现场演讲和展示研究过程和成果，接受评委质询，并进行答辩；现场推介演示装置，展示实验结果，指导观众参与，接受观众评委的小红花投票；综合评定，争取奖学金。

总之，在初中生物学模型构建类跨学科实践中，教师通过不同学科整合，将物理、化学、工程、艺术等多学科知识运用于生物模型制作过程当中，可以激发学生的探究兴趣，促进学生对生物学知识的深入理解和综合运用，培养学生的工程设计、团队合作、创新思维和问题解决等综合能力，为生物学教育提供了一种全面培养学生核心素养的新途径，进一步提升了初中生物学教学质量。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］郑葳.中国STEAM发展报告［M］.北京：科学出版社，2017：99.

［3］中华人民共和国教育部.义务教育课程方案（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：5.

注：本文系2024年广东省基础教育课程教学改革深化行动专题研究项目（粤教教研函〔2024〕1号）“基于国家课程标准的科学与社会·跨学科实践主题教学实践研究”（序号11）和深圳市教育科学“十四五”规划2023年度课题之成果培育课题“基于设计的生物科学与社会·跨学科实践的教学设计与实施”（cgpy23013）的阶段性研究成果。

（责编 韦榕峰）

作者简介：沈艺，1981年生，广东梅州人，硕士研究生，高级教师，主要研究方向为初中生物学教学。