跨学科知识在高中生物学探究性实践活动中的应用

摘    要：将跨学科知识融入生物学探究性实践活动，有助于落实学科核心素养，引导学生感悟生命科学本质。在教学实践中，教师应遵循科学性、启发性和适度性原则，精心研读教材并筛选跨学科知识，组织学生开展跨学科探究性实践活动。以人教版生物学教材为例，开展跨学科实践活动可采用挖掘教材“学科交叉”旁栏中的跨学科知识、拓展教材“探究·实践”栏目中的跨学科知识、归纳教材“思考·讨论”栏目中的跨学科知识这三种做法。

关键词：跨学科知识；探究性实践活动；高中生物学

教学过程重实践是《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“《高中生物学课标》”）提出的基本理念，即强调让学生通过探究性实践活动加深对生物学概念的理解和应用，能够用科学的观点、知识和方法探讨或解决生物学问题。同时，《高中生物学课标》还在“教学与评价建议”中指出：“加强学科间的横向联系，有利于学生理解科学的本质、科学的思想方法和跨学科的科学概念和过程，这将有利于学生建立科学的生命观，逐步形成正确的世界观，发展生物学学科核心素养。”生物学是自然科学中不可或缺的一门基础学科，其思想方法、基本原理和研究内容，与物理、化学和数学等学科有着密切的联系。因此，打破学科之间的界限，引导学生利用跨学科知识和方法多角度分析生物学现象，对突破教学难点、培养学生综合解决生物学问题的能力、提升学生生物学学科核心素养等具有重要意义。下面，笔者结合具体教学案例，详细阐述如何将跨学科知识应用于生物学探究性实践活动中。

一、跨学科知识在生物学探究性实践活动中的应用价值

将跨学科知识融入生物学探究性实践活动具有两方面价值：一方面可引导学生从不同学科的角度思考、探究生命的物质结构和生命活动的规律，形成生命观念；另一方面可拓宽学生看问题的视野，使其积极解决生物学问题，发展学习能力，感悟生命科学本质。简而言之，就是落实学科核心素养和感悟生命科学本质。

（一）落实学科核心素养

开展以探究为特点的教学活动是落实生物学学科核心素养的关键，这不仅是生物学课程的基本理念，还是生物学课程实施的基本要求。而跨学科知识能够为生物学探究性实践活动提供相关的方法和原理，有助于学生生物学学科核心素养的落实。

引入物理学科相关知识，有助于学生区分探究实践的科学方法，提升科学探究能力。以人教版普通高中教科书《生物学》（以下简称“人教版教材”）必修1《分子与细胞》第3章第2节《细胞器之间的分工合作》中的“科学方法·同位素标记法”为例。同位素分为放射性同位素和稳定性同位素两类，学习同位素标记法旨在引导学生概括分析这两类同位素的异同点，以培育科学探究和科学思维素养。放射性是14C、3H等同位素的特殊物理性质，可用专门的仪器检测，用于追踪所标记的物质在细胞中的转移过程。利用该物理知识，学生就能够理解：探究胰腺细胞中分泌蛋白的合成和运输过程就是利用亮氨酸中3H产生放射性进行追踪的。但是，像15N、14N、18O等同位素属于稳定同位素，不具有放射性，教师可引导学生通过元素的相对原子质量对其进行区分。

化学学科相关知识的引入，有助于学生理解生命物质的化学结构及其特性，形成结构决定其性质的意识，进而形成生命观念中的“结构与功能观”，并以此指导实际问题的解决。比如，叶绿素分子含有叶绿醇，叶绿醇是亲脂的脂肪族链。根据化学学科中的“相近相融”原理，叶绿醇的存在决定了叶绿素属于脂溶性物质，所以在人教版教材必修1《分子与细胞》第5章第4节《光合作用与能量转化》 “绿叶中色素的提取和分离·探究实践”中，绿叶中的叶绿素能用乙醇、丙酮、乙醚等有机溶剂提取。

（二）感悟生命科学本质

一般来说，探究性实践活动在高中生物学教学目标的达成方面还存在以下价值：帮助学生建构概念，领悟科学方法，发展科学思维，提高运用所学知识和方法分析、解决问题的能力，理解科学本质等［1］。而将跨学科知识融入生物学探究性实践活动，更有助于学生领悟科学方法、感受知识获取过程，建构生物学概念，感悟生命科学本质。

以人教版教材必修1《分子与细胞》第1章第2节《细胞的多样性和统一性》中“使用高倍显微镜观察几种细胞”的探究性实践活动为例。该活动旨在利用光学显微镜观察多种多样的细胞，通过描述这些细胞形态结构特点并比较区别，归纳出各种细胞结构的共同点，引导学生主动建构“真核细胞”概念。在教学该部分内容时，引入“光学成像”物理学科知识，可以帮助学生理解光学显微镜放大的原理，进而使其在清晰的显微视野中快速找到恰当的细胞，提升使用显微镜观察细胞的能力。具体思路如下。

在使用显微镜观察物体时，需要移动镜筒并进行调焦后才能看到清晰的物像，且通过显微镜的目镜看到的是物体的虚像，虚像的位置与实物的实际位置相反。根据这一“光学成像”原理，学生能够明白：把低倍镜换成高倍镜观察物体时，按照同向原则“物象往哪偏就将装片往哪移动”，就可以快速地将观察的细胞移到视野中央。另外，不同于细胞结构示意图，学生通过真实观察显微镜下的“成形细胞核”并总结其统一特征，就可水到渠成地建构“真核细胞”概念。但是，这种显微镜是光学显微镜，利用的是可见光，可见光的最短波长决定其分辨率的极限是0.2微米，因此光学显微镜最大放大倍数不超过2 000倍。为了观察到更小的细菌细胞，就需要用波长更短的电磁波（如电子束）取代可见光成像的显微镜，即使用电子显微镜。借助电子显微镜可以观察到更小的无成形细胞核的细菌，从而修正学生利用光学显微镜观察形成的“细胞都有成形细胞核”的认识，并使学生感悟到“科学技术的进步推动了科学的发展”“科学工作依赖观察和推论”等科学本质。

二、跨学科知识在生物学探究性实践活动中的应用原则

作为一种教学手段，将跨学科知识应用于生物学探究性实践活动，是为了帮助学生更好地理解、解决生物学问题，其在实施过程中要坚持科学性、启发性和适度性原则。

（一）科学性

科学性是指教师选用的跨学科知识不能有科学性错误，并且利用该知识要能够准确指导学生理解生物学规律。例如，在人教版教材必修2《遗传与进化》第3章第2节《DNA的结构》探究性实践活动“制作DNA双螺旋结构模型”中，含氮碱基之间互补配对是建构DNA双螺旋结构模型的关键。由于缺失“碱基结构”这一化学知识，有的学生在制作DNA双螺旋结构模型时所使用的四种碱基材料几乎一致，这种做法不符合嘌呤分子是双环结构、嘧啶分子是单环结构的特点，也无法区别腺嘌呤和胸腺嘧啶以及鸟嘌呤和胞嘧啶之间的配对。因此，教师要给学生补充碱基结构的化学知识，展示四种碱基结构的差异（组成DNA的四种碱基的分子结构示意图如图1所示），并强调DNA双螺旋的间距保持不变，而维持两条链反向平行的间距恰好能容纳一个嘧啶与一个嘌呤配对的碱基对。学生如果选用两个嘌呤构成碱基对，就会发现其宽度超过了双螺旋间距，而选用两个嘧啶，则构成的碱基对会太短，不够双螺旋间距。最后，教师通过碱基对含有氢键数目的差异这一化学知识，帮助学生明确DNA双螺旋模型中腺嘌呤和胸腺嘧啶进行配对，鸟嘌呤和胞嘧啶进行配对。

（二）启发性

启发性是指教师选用的跨学科知识要对学生生物学学习具有启发性，能够激发学生的想象力，使学生创造性地从其他学科的角度分析生物学问题，以免对知识内容进行死记硬背。例如人教版教材必修1《分子与细胞》第4章第1节《被动运输》一课，教材用“渗透装置模拟细胞吸水和失水”解释水进出细胞的原理。基于此，教师可启发学生从渗透作用的物理学现象出发，将细胞膜或者原生质层看成半透膜，分析动物细胞失水皱缩或植物细胞质壁分离的原因，并以此作为依据解释农业施肥发生“烧苗”现象及某些植物适应盐碱地生长的原因。

（三）适度性

适度性是指教师要恰当把握跨学科知识融合教学的深度与广度，控制好学生学习的难度。跨学科是为了解决单一学科所无法应对的问题而形成的一种研究路径。在开展生物学探究性实践活动时，教师要充分尊重学生的认知规律和学习实际。如果教师所选用的跨学科知识的深度与广度超过了学生的认识水平，就可能使学生产生困惑。这样既会增加学生的学习负担，也会影响教学的效果。因此，教师应在充分了解学情的前提下，把握好跨学科知识应用的适度性原则。例如，在开展人教版教材必修1《分子与细胞》第2章第1节《细胞中的元素和化合物》中的探究性实践活动“检测生物组织中的糖类和蛋白质”时，学生没有学过相关的有机化学知识，因而教师就无须解释有关“糖类官能团的还原性、氧化还原反应形成砖红色的沉淀、络合物的概念”等化学知识，只需介绍“从颜色反应特点区别斐林试剂和双缩脲试剂的使用原理”即可。这一使用原理具体如下。

1849年德国化学家斐林发明了斐林试剂，在等量混合0.01 g/L NaOH和0.05 g/L CuSO4的碱性溶液里，Cu2+与葡萄糖等还原糖反应生成Cu2O砖红色沉淀。Cu（OH）2溶解度低，减弱了Cu2+与还原糖的相互作用，所以需要水浴加热提升反应速率。鉴定蛋白质的双缩脲试剂，最初是用来鉴定“双缩脲”化合物的，双缩脲分子（其结构示意图如图2所示）和蛋白质分子有相似的结构（某蛋白质的局部结构示意图如图3所示），都可以在碱性条件下与Cu2+结合生成紫色络合物。因此，先加0.01 g/L NaOH是使待测蛋白质溶液呈碱性，再加几滴0.01 g/L CuSO4即可快速反应。

三、跨学科知识应用于生物学探究性实践活动的教学实践

《高中生物学课标》指出，学生要主动地参与学习、发展创新实践能力，教师要注意学科间的联系，引导学生理解科学本质，理解跨学科的科学概念和过程。人教版教材重视不同学科间知识的横向联系和应用，不仅设置了“学科交叉”旁栏，还在“探究·实践”“思考·讨论”等栏目中嵌入了跨学科知识。在教学实践中，教师应充分挖掘人教版教材中的跨学科知识，将其应用于探究性实践活动，引导学生从不同学科知识角度去思考与理解实践活动中的生物学问题，并运用跨学科知识去探求生物学知识和规律，发展生物学学科核心素养。具体而言，在开展生物学探究性实践活动时，教师可采用以下几种做法。

（一）挖掘人教版教材“学科交叉”旁栏中的跨学科知识

人教版教材中的“学科交叉”旁栏是《高中生物学课标》中提出的“注意学科间的联系”的重要体现。总的来看，人教版教材中“学科交叉”旁栏中的知识主要为分析和解释生命物质的化学组成、物理特性，以及生命现象中的数学规律。教师在教学中充分挖掘“学科交叉”旁栏中的跨学科内容，能够极大地促进学生思维的拓展，使学生进行积极的实践探究，进而深度建构生物学概念。

以人教版教材必修1《分子与细胞》第2章第2节《细胞中无机物》的“学科交叉”旁栏为例，其“关于氢原子和氧原子的结构，请参阅化学教科书”和“关于比热容等相关知识，请参阅物理教科书，并与同学交流它们的含义”的设置，旨在引导学生分析水的化学组成，促使学生从结构与功能观的角度分析水分子的极性、水常温下呈液态和水比热容的特性，进而解释水在细胞中的存在形式和作用（具体如图4所示）。为了加强学生对水比热容较大的体会，领会水支持生命的独特性质，笔者设置了如下探究性实践活动：用两个烧杯分别装入等量的温度相同的水和煤油，然后用功率一致的加热器同时加热两个烧杯里的液体，一段时间后发现煤油温度明显高于水，这说明比热容大的水更有利于细胞维持温度稳态。

（二）拓展人教版教材“探究·实践”栏目中的跨学科知识

“探究·实践”栏目是人教版教材正文的重要组成部分，其落实是实现“教学过程重实践”基本理念的关键，也是达成生物学教学目标的具体体现。该栏目中蕴含的跨学科知识，有助于学生理解探究实践的目的，进而巧妙地分析实践中的生物学现象。通过这些知识，学生还能更好地实现对“探究·实践”栏目所承载的生物学概念、原理和过程等内容的解释和论证。