STEM理念下初中生命科學跨學科教學的案例分析

李顯軍 (上海市銅川學校 上海 200333)

跨學科教學是培養全面發展人才的一條有效途徑[1]。隨著課改的深入，我國對跨學科教學的研究日益重視，但也存在著一些盲區： 以生命科學學科為例，在筆者查閱的文獻中，大量的跨學科案例都是基于高中學段，且罕見STEM理念的運用。初中生命科學跨學科教學的研究存在著數量少、內容淺等問題。希望本文以基于STEM理念下的初中生命科學跨學科教學的分析，為初中生命科學跨學科教學提供一些創新思考與實踐案例。

1 移植法

移植法是借鑒或引用其他學科的知識為生命科學課堂服務，幫助解決生命科學的教學問題。這種跨學科的知識遷移旨在促進學生對生命科學中某些具體知識點的理解和運用,或者創設特定的教學情境等。如生命科學移植數學、物理和化學學科知識的跨學科教學。

例如，在“人體的消化和吸收”一節中，介紹了小腸是人體消化和吸收的主要場所，這一功能是和小腸的結構分不開的，小腸內有很多環形皺襞，其表面有許多小腸絨毛，絨毛上又有微絨毛，也正是這些微小結構使小腸的內表面積比原來增大了近六百倍。這就涉及到數學中“物體的體積越小，其表面積相對較大”的知識[2]。同時，這些微絨毛的存在，也增大了小腸內壁與食糜的摩擦力，延長了兩者的接觸時間，從而促進小腸的消化和吸收功能，這又涉及到物理的“力學”知識。這種跨學科的知識移植也很好地解釋了“生物的形態結構和功能相適應”的觀點。在介紹消化和吸收的過程時，不可避免地要用到化學反應知識。以淀粉為例，從淀粉如何變成葡萄糖，其間的一系列物質變化都反映了化學與生命科學的密切聯系。葡萄糖被吸收后要為人體所利用，它是人體的主要能源物質，學習能量變化時，自然會應用到物理的能量守恒定律。雖然有些內容要到高中時才接觸到，但初中時就對這些知識有效地整合有助于學生減少對高中“物質和能量代謝”模塊學習的陌生度。關于生物體內結構和功能的統一性方面，涉及到數學、物理和化學學科的知識點還有很多，教師應注意引導學生在學習生物學內容時，不忘對數學、物理和化學學科知識的應用。既解決了生命科學的相關難點，又是其他學科知識的應用和延續，可謂一舉多得。

2 輻射法

輻射法是指以某一研究對象為中心，對研究內容從各個不同的角度或側面進行發散性的思考和實踐,擴散到其他學科中去，充分發揮核心知識的“輻射”效應，逐步實現多學科知識整體發展。如生命科學學科依靠拓展校本課程資源向地理、語文和政治等學科輻射。

例如，在“我們身邊的植物”一節教學中，教師借助本校資源，帶領學生在學校的本草園里上課。教師以“黃花蒿”植物為主題，將這一主題內容輻射到地理、語文、歷史和政治學科領域，使多學科知識有機地結合起來。首先，向學生介紹黃花蒿是雙子葉植物綱、菊科、蒿屬，一年生草本植物。莖多分枝，葉紙質，頭狀花序球形，花深黃色，瘦果小，花果期8—11月。然后，介紹黃花蒿可入藥，含抗瘧的有效成分青蒿素等相關植物學知識。接著，利用地理知識補充“黃花蒿遍及中國全境，在海拔3 650 m以下地區均有分布；生長在路旁、荒地、山坡、林緣、草原、干河谷和半荒漠等。廣布于歐洲、亞洲的溫帶、寒溫帶及亞熱帶地區。另外，還從亞洲北部遷入北美洲、并廣布于加拿大及美國”。然后朗誦《詩經·小雅》“呦呦鹿鳴，食野之蒿。我有嘉賓，德音孔昭。”這里的“蒿”指蒿草，原文大意是“一群鹿兒呦呦叫，在那原野吃蒿草。我有一批好賓客，品德高尚又顯耀。”自然就過渡到榮獲諾貝爾生理學或醫學獎的中國科學家屠呦呦的生平事跡。此時，以青蒿素的發現和屠呦呦獲諾貝爾獎為切入口講述科教興國戰略是振興中華的重要國策，以及青蒿素在中醫藥千年歷史中的地位和作用，體現了歷史和政治學科的內容。在學生多維的知識量和多元的思維方面有積極作用，可形成多元化的價值觀、人生觀以及有一定的社會責任感。

3 實踐法

實踐法是指基于STEM課程，在充分調動學生已有知識的基礎上，設計STEM實踐活動，提高他們在實踐中發現問題、解決問題的能力，提升溝通與合作能力、培育創新精神。

例如，在“微生物”一節的學習中，可以“發酵”“我為家庭做酸奶”等內容為例，設計STEM活動。在制作酸奶前，要從設計(工程)的角度出發，調研家庭成員對酸奶的口味、濃稠度、包裝和容量等相關需求。根據“客戶”的需求信息確定酸奶制作的配方及條件(如糖的比例、輔料成分、菌種的選擇和發酵的溫度等)。明確配方的配比及條件需要運用數學、化學和物理等學科知識。配比有問題的酸奶會導致風味流失，甚至是發酵失敗。制作酸奶最核心的知識是微生物發酵，即牛奶中細菌的生長使得牛奶中的乳糖被分解為乳酸。但是，并不是菌種越多越好，而是需要根據口感和質地進行選擇。學生在用酸奶機制作時，可選用1杯125 mL的發酵型原味酸奶做菌種。在酸奶制作完成后，包裝和消毒是非常重要的一個環節。包裝不僅關乎美觀和產品的質感，也決定著酸奶的保存時效。消毒環節又涉及生物學、物理和化學知識。日常在超市里購買的酸奶是生產廠家在酸奶包裝完成后，運用冷鏈物流技術運來的。配送效率在物聯網、區塊鏈和智能化溫控等前沿技術運用下得到了顯著的提升，這使買到的酸奶能夠保持新鮮。對根據“客戶”需求做的酸奶，學生可為自己產品擬一份產品廣告，推薦給家人和朋友們。雖然酸奶機制作酸奶過程相對比較簡單，但在此過程中學生也可以逐步掌握工廠生產酸奶的流程： 原料奶清洗→器具消毒→加熱→加輔料→加菌種→過濾→灌裝→發酵→冷卻→封杯→成品。同時，還可以培養學生考慮到產品的設計、包裝、售價和廣告等問題。

4 綜合法

綜合法是指多種科學方法的綜合運用，將分析與綜合方法、歸納與演繹方法、定量與定性方法等相結合,形成一個統一的整體。在初中生命科學跨學科教學中,單元教學最能與這種思想相契合。由于目標主題所涉及的內容也常常會涉及到其他學科,所以在主題單元教學活動中融入學科交叉思想是順理成章的[3]。

例如，在“動物與人類的生存和發展密切相關”一節的主題單元教學中，選取魚與人類的關系為主要內容介紹。先讓學生觀察水槽中的鯽魚，探究魚類在外部形態上與水中生活相適應的特點。有些特點可用物理學原理來解釋，如： 魚的體形是紡錘形，在水中運動時，所受水流阻力最小；魚的側線能及時地覺察水流和振動頻率的改變，還能對低頻聲起反應，從而在魚類的索餌、洄游、集群、生殖和防御等生活過程中有一定的作用。教師由此提出問題： 如果把魚的側線破壞掉，會有什么后果？可引發學生查閱資料去進行探究實驗。在解剖鯽魚時找到魚鰾，教師可拓展延伸到工程學： 魚依靠調節魚鰾中氣體含量,促使魚體自由沉浮，這一沉浮系統對于潛艇的設計有啟發和幫助。另外，魚肉是人類重要的動物蛋白質來源，那么在捕魚時可利用數學模型的種群增長曲線來分析最佳捕魚期，再拓展延伸到魚類資源遭到破壞的情況。如赤潮現象，由此可分析赤潮產生的地理因素(沿海區的地理位置、地形特征、水文、氣象、海流和海況等，都是形成赤潮的自然因子)、赤潮長消過程中各階段的主要物理因素(如水溫、鹽度和光照等)、化學因素(如營養鹽、微量元素和赤潮生物生長促進劑等)、生物因素(如赤潮“種子”群落、動物攝食和物種間競爭等控制因素)，此類問題都是學生有興趣探究的問題。并且對這些現象的解釋要綜合利用到生物、物理、化學和地理學的原理,反映了這些學科是緊密聯系的，學生既學到了綜合知識又提升了探究能力。