巧用“學科交叉”，助力學生生物核心素養培養

華激文

【摘要】《普通高中生物課程標準》實施中的核心任務是“提高每個高中生的生物科學素養”。本文結合自己的教學體會，以人教版生物學教材的五個模塊為例，列舉相關素材，從“數學建模”“量子理論”“生化實驗”三個方面介紹學科交叉內容在助力學生生物核心素養培養中的應用。

【關鍵詞】學科交叉；科學思維；核心素養

雪莉·蒂爾曼（人類基因圖譜破譯）主要參與者認為，生物學習應該包括更多的數學、物理學和化學。在高中生物教學中，教師深入淺出地介紹生物學研究的前沿課題——學科交叉在生命科學研究中的運用，對激發學生興趣、拓展學生的視野、培養科學探究意識等具有重要的意義。

本文結合筆者的教學體會，以人教版生物學教材的五個模塊為例，列舉相關素材，從“數學建模”“量子理論”、生化實驗”三個方面介紹學科交叉內容在助力學生生物核心素養培養中的應用。

一、在“數學建模”中發現生物奧秘，形成“生命觀念”

很多人都覺得生物學跟數學沒什么關系。其實，生物學是大量應用數學的：小麥的分蘗，是圍繞著圓柱形的莖按黃金分割進行排列和展開的；著名數學家笛卡爾在研究花瓣和葉形的曲線時發現了“笛卡爾曲線”，生物的許多實際應用問題滲透了數學知識，比如，遺傳學中數學統計方法的應用、生物信息學（基因組測序）中的大數據分析等等，舉不勝舉。教師可以把“數學建模”作為發現科學事實，揭示科學規律的過程和方法，在生物教學中有效地運用，從而使一些重難點化繁為簡，既深化學生對知識的理解，又培養他們的科學思維能力。

例如，必修3《種群和群落》一章“種群數量的變化”中，以“細菌”研究對象，“每20min分裂一次，建模建構種群增長模型，即構建數學模型。目的是探究細菌種群數量的變化特點，進一步解釋生物現象，揭示生命活動規律。學生通過填表，得出細菌增殖的特點滿足指數函數的形式進行增長，可以用Nn=2n的數學形式表達。接著，教師可以讓學生以時間為橫坐標，細菌數量為縱坐標，畫出細菌的種群增長曲線，并指出曲線圖是數學建模的另一種表現形式，與數學方程式相比，能更直觀地反映出種群數量的增長趨勢。

由于生物學中存在許多不確定因素和例外的現象，導致大量現象與規律極為復雜，因而對于數學模型，我們還要通過實驗或觀察進行檢驗和修正，所以數學模型的構建是一個不斷發展和完善的過程。如，當出現天敵和競爭者，受到疾病等的威協、資源和空間有限等，就會構建出另一增長曲線——“S型增長曲線”；隨著有害代謝終產物產生，生活資源的消耗，種群中的生物體可能發生基因突變產生新的性狀，也可能大量死亡，由此又會產生新的增長曲線……通過構建數學模型，學生對生物種群數量的變化過程就有了更深刻的認識，從而在發現生物的奧秘的同時，形成動態的“生命觀念”。

人教版教材高中生物學科中涉及到構建數學模型的內容有很多。例如，溫度、pH值、底物濃度與酶促反應的關系；生長素的兩重性以及植物不同器官對生長素的敏感程度；利用哈迪-溫柏格定律進行遺傳幾率的計算；光合作用速率的變化曲線等等，讓學生結合數學與生物的知識進行綜合分析、解答，有利于學生把抽象的東西轉化為具體化的知識，求同存異解決一些生物學實際問題，從而培養學生科學的思維方式。

二、在“量子理論”中形成理性思維、著眼“知情交融”

隨著人們對生物學認知極限問題的科學探索，已有越來越多的研究表明，特定的生物系統可能真的應用著量子力學，中學生物教學介紹生物學研究的前沿課題——量子力學在生命科學研究的運用，可以引發學生關注學科交叉、激發學生主動思考、建構正確生物規律，從而助力學生生物學核心素養的培養。

高中生物教材中，無論是“分子與細胞”模塊中的光合作用，還是“遺傳與進化”模塊中鳥類的遷徙機制，亦或是“穩態與環境”模塊中大腦工作原理、人類感覺（嗅覺）等的形成原因，亦或都要用量子理論才能解釋清楚。例如，進行“光合作用”一課時，可以介紹，美國科學家的最新發現：某些喜陰植物通過自己藍暈色葉子，利用量子力學原理使光合作用高效進行，從而適應極度弱光的環境條件。綠色植物在光合作用中表現出了量子計算的能力，這是量子糾纏的一種運用。可見，植物將太陽能轉化為供生物生長存活的化學與生物能源是量子效應的幫助，微觀世界的量子效應真的非常奇異。

再如，介紹生態系統的功能“信息傳遞”時，可以介紹英國牛津大學科學家的最新發現：知更鳥在遷徙時，是利用眼睛中一個基于量子糾纏態的指南針，來感知地球磁場微弱的變化，從而指導它們的飛行的。

中學生物學教學，不僅要傳道解惑生物學的基本知識和理論，更要帶領學生不懈追問并了解生命科學的最新進展，量子力學的奇異特性或將幫助學生對超微觀世界這個極其美妙的量子世界形成理性思維、著眼“知情交融”。

三、在“生化實驗”中培養學生探究能力、走向“知能并重”

生命活動中既有物理變化，又有化學變化，“物質出入細胞的方式——主動運輸”中，通過載體蛋白的協助，細胞把物質從低濃度一側運輸到高濃度一側，這個過程需要消耗細胞內的ATP水解來提供能量，ATP的水解即化學變化。再如，有絲分裂，在分裂間期中，DNA分子的復制和蛋白質的合成，屬于化學變化；在分裂期中，染色體完成一系列的行為需要的能量直接來自于ATP的水解，細胞又通過葡萄糖等有機物的分解而源源不斷地合成新的ATP，這里ATP的水解和合成都屬于化學變化，這樣的例子舉不勝舉。

在進行這些章節的教學時，教師可以提醒學生借助化學知識作出回答。例如，《降低化學反應活化能的酶》一節內容，課標要求學生能理解。學生初中所學消化酶以及高中所學蛋白質和核酸的知識，都為本節的知識學習打好了良好的學習基礎。本節課，筆者在說明對照實驗要遵循“控制單一變量原則”和“設置對照實驗”的基礎上，模擬演示斯帕蘭札尼的經典實驗：肉脯（繩子系著），讓學生思考：食物的消化到底是只有物理性消化呢，還是另有化學性消化呢？這個實驗要解決什么問題？“為什么要這樣設計？有何妙處？” 是什么物質使肉塊消失了？怎樣才能證明你的推測？在滴入肝臟研磨液和氯化鐵溶液時，可否共用一個吸管？該實驗觀察和檢驗的指標是什么？在控制變量方面，教師結合本實驗，組織學生共同分析：變量、自變量、因變量、無關變量的概念，以及如何控制自變量？觀察分析因變量？保持無關變量一致？通過以上與化學相關的問題，培養學生觀察分析、自主探索的思維能力，從而讓學生在“生化實驗”中走向知能并重。

研究生命科學的科學家由各個學科匯聚而來，近年來，在發達國家已成明顯趨勢，學科間的交叉滲透造成了許多前景無限的生長點。物聯網時代，教師應樂于接受新事物，從培養學生“積極主動思考，生動活潑參與”的角度出發，給予學生足夠的思考空間和時間進行質疑、觀察、思考，巧用學科交叉內容，助力生物核心素養培養。

參考文獻：

[1]張麗萍.生物化學簡明教程（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]潘瑞熾.植物生理學第七版[M].北京：高等教育出版社，2012.