初中生物學課堂跨學科融合教學案例分析

林拱標

摘 要：《義務教育生物課程標準（2011年版）》倡導教學要貼近生活、融合多學科，生物學在這方面具有獨特的優勢。文章以初中生物課堂教學為例，分析生物學科開展融合教學的路徑、方法和策略，列舉教具演示、實驗滲透及項目式學習等方面的實踐活動，以為初中生物教學提供新思路。

關鍵詞：學科融合;STEM;生物實驗

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：A 收稿日期：2019-10-19 文章編號：1674-120X（2020）11-0056-02

生物學作為一門獨立的學科，最早出現于19世紀，之后在物理、化學等學科的技術手段的推動下迅速發展。生物學是以實驗為基礎、研究生命現象及其本質的科學，生物實驗技術與物理、化學等學科有密切聯系，從這方面看生物學更具有綜合性的特點，能更好地開展融合教學。

一、跨學科融合學習

在現實生活中，學生的學習是從觀察開始的，觀察結果不會只簡單歸因于某一學科或某一專業的知識。例如，觀察鳥類的飛行，不會只思考鳥類的翅膀（生物學科）或空氣浮力（物理學科）的問題，而是思考整體性的問題——鳥類揮動翅膀使其能在空中飛行。因此，培養學生觀察、思考并解決實際問題的能力，才是學科融合教學的根本落腳點。《普通高中生物課程標準（2017年版）》指出，STEM教育的跨學科特征尤為突出，同時提出生物學科教學融合STEM教育的兩條途徑：一是在原有探究活動中融入STEM相關元素，二是設計全新的STEM活動或校本課程。生物學在跨學科融合教學方面有獨特的優勢。

皮亞杰認為，初中學生處于“形式運算”階段，抽象邏輯思維開始逐步占據主導地位，即具備了融合學習的基礎。融合學習與學科學習的不同，在于內容的組合形式有差異，學科學習以“知識”為本位，即概念是主線;融合學習以“主題（或課題）”為核心，以解決生活現實問題為目標。因此，融合學習突出問題導向，不是將學科進行“橫向”跨越或“綜合”，是對同一問題不同的思維表達。開展學科融合教學，教師要明確學生的主體地位，在教學時可以從學科內的局部整合再到學科間的主題整合，最后實現“全課程”統整。

二、跨學科初步建模

自然科學類課程在小學階段統一為科學課程，中學生物學則是學生最早接觸的自然科學，從初一（七年級）開始學習。現代生物學的研究需要以物理、化學等知識為基礎，初一年級學生積累的理化知識有限，教師擔心仔細講解理化原理，會讓生物學課堂變成理化課堂。如何幫助學生更好地理解生命現象的本質，而又不讓理化知識成為學生學習的障礙呢？實踐證明，借助直觀的教具或技術手段，通過建模形式，生物學課堂也能很好地呈現這些理化原理，還可留給學生更多的思考空間，有利于其今后在理化學科學習方面的知識遷移。

學生在學習生物學七年級的“眼與視覺”一課時，相關的物理學知識到八年級才有相應的課程，學生的認知不完整。在課堂教學時，有的教師利用視頻、動畫等演示，但這些體驗的真實感不夠，效果不如教具演示生動。教師可以直接借助物理實驗室的凸透鏡等成像儀器（透鏡-光屏）來演示，通過物理建模的方式，引導學生建立眼球成像的基本模型。教師只需進行成像演示，再引導學生探究其他問題，如“當物體與眼球距離發生變化時，如何調節眼睛以獲得清晰物像？”沒有具備相應物理知識的學生，提出的假設可能是多樣的，如縮小（放大）瞳孔、減少（增加）晶狀體曲度等，這時可利用凸透鏡成像教具在課堂上分別驗證。將物理學科教具應用到生物學課堂，設置提出問題、作出假設、預測結果和實驗驗證等環節，呈現自然科學研究的基本過程，從而實現跨學科的融合。

教師給學生布置拓展作業，讓學生制作一個可以調節“晶狀體”曲度的眼球模型，實現從理論到實踐的跨學科融合。

三、跨學科融合探究

中學生物學教學有明顯的跨學科特點。例如，化合物的檢測應用了化學原理，測量需要物理學、工程學的支持。以八年級生物學的“鳥類適于飛行的特點”為例，分析生物探究學習中的跨學科融合。學生已經學習了一些關于飛行的常識，如減輕重量、減少阻力、足夠的動力、借助風力等，那么鳥類具備哪些形態結構或功能以適應飛行生活？

（1）比較觀察。觀察和比較是進行科學研究的最為基礎的方法。鳥類有哪些結構和功能符合減輕重量或增加浮力的特點？如果在初中階段跟學生解釋空氣動力學理論，則超出了學生的思維認知范圍，因為初中生的直觀思維仍占主導地位，意味著直觀教學更能滿足其學習需求。例如，流線型有利于減少空氣阻力，但這是工程學的知識內容，對學生來說比較抽象，還不如折紙飛機印象深刻。學生還可用紙折疊出其他形狀，如方形、球形等，比較這些形態的折紙在空中的飛行情況，于是紙飛機與流線型概念建立了直觀的聯系。

鳥類的氣囊、中空的骨骼等，屬于典型的生物學名詞，也與工程學有密切聯系。例如，氣囊類似于氣球，氣球充氣可增加浮力，學生已具備相應的生活經驗。鳥類骨骼占全身體重的5%～6%，人類骨骼占體重的18%以上，比較這組數據，學生還無法理解鳥類骨骼對飛行生活的意義。選取成年家兔、家鴿的部分骨骼（如肋骨、四肢骨），分別放入盛有濃鹽水的燒杯中，可觀察到家鴿的骨骼浮在液面，家兔的骨骼沉于燒杯底，輕重自分——與骨骼的密度相關。

（2）數據分析。發達的胸肌和胸骨為鳥類飛行提供動力基礎，學生對這點有生活認知，那動力的能量保障呢？人教版教材中描述鳥類“食量大，消化能力強，食物經消化吸收后形成的殘渣很快就隨糞便排出”“心跳頻率快，體溫高而恒定”，這些描述性的語言，學生不容易與鳥類適于飛行的特點聯系起來。教師在教學中如能列出具體的數據來說明“大”“強”“快”等程度，學生才容易開展有意義的學習。

《教師教學用書》提供了一些必要的數據資料，學生可以在課堂上進行比較分析：雀形目的鳥一天所吃食物相當于其體重的10%～30%。蜂鳥一天所吃的蜜漿，約等于其體重的2倍;體重為1500g的雀鷹，能在一晝夜間吃掉800～1000 g的肉。還可將數據整理在列表中進行比較，如鳥類和哺乳類體溫的比較（見表1）、人和鳥類心臟及心率的比較（見表2）。

學生經過數據的比較分析，更容易獲得與教材描述相匹配的結論。例如，食量大保障足夠能量來源，鳥類的心臟占體重的比例較大，為其高心率提供支持。學生已在七年級時學習了循環、呼吸的相關知識，再結合與氣囊相關的雙重呼吸的知識，就解決了鳥類飛行的能量供應問題。

四、項目式學習

項目式學習（Project Based Learning）是以真實情境為背景，基于現實主題或課題，運用學科知識，習得必要技能，以學生為中心去解決真實問題的學習方式。杜威說：“只要把學校和生活聯系起來，一切的學科就必然地相互聯系起來。”在人教版初中生物學教材中，欄目設計直接聯系生活，如STS、探究、設計等，都是開展項目式學習很好的素材。

（1）以制作為依托的項目。仿生學是生物學應用于生活最典型的例子，也是融合多學科知識的應用，隨著人工智能的發展，這方面的應用將更加廣泛。生物教學也可充分利用學科這特點，鼓勵學生開展相關的項目式學習，以解決某個生活實際問題為目標，結合綜合實踐活動來進行研究，如前面提到的建構眼球結構模型。選取應用型的項目，對學生來說具有挑戰性，容易激發學生的研究熱情。例如，學習了關節的結構，學生根據所學來設計符合人體工程學原理的義肢。學生在設計過程中，要考慮的不僅僅是關節的結構問題，還要在材料選擇上下功夫，包括材質的重量、硬度、舒適度、耐磨性和負荷能力等因素。學生還要對材料的加工進行精密的測算，如果能形成“成品”，必須對作品進行重復試驗，這個過程很自然地涉及數學、材料學、工程學、物理學、美學等多個學科，在設計過程中，學生會自然而然地應用相關學科的知識，達到思維的融合。

教材也提供了一些制作項目，如人教版七年級生物學教材中“制作動物細胞模型”的練習內容。項目選取也可讓學科“跨度”更大一些。如學生學習了“反射行為”，要設計適合1歲左右嬰兒的環保玩具，那么學生除選取環保材質外，設計時必須充分考慮安全性和嬰兒的心理發展特征。

（2）以調查為導向的實踐。開展社會調查，不僅可以讓學生深入社會生活，還能鍛煉學生的合作溝通能力。初中生物課程設計了遞進式的調查活動，如七年級是“調查校園、公園或農田的生物種類”，范圍較小;八年級則是“調查當地常見的幾種傳染病”，范圍擴大到醫學院校、醫院和防疫站等。可見，以調查為基礎的項目式學習，跨學科學習的廣度更大，往往還會涉及社會學、經濟學等人文學科領域。

五、結語

佐藤學認為，綜合學習的最大魅力，是從生活現實出發進行學習。生物學課堂跨學科融合的教與學，其學習內容的重構只是形式變革，核心是體現學生的學習主體地位，培養學生的科學思維，在幫助學生建構生命觀念的同時，發展學生的核心素養。

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