高中生物學跨學科概念教學的實踐研究

朱慧貞 吳存華

【摘要】跨學科概念是指超越一門學科的界限，可廣泛用于解釋科學領域內不同問題的通用概念。本文嘗試以“模型”這一跨學科概念指導人教版高中生物必修3第四章第2節“種群數量變化”的課堂教學，探索跨學科概念在高中生物學科教學中應用的有效途徑及優勢所在。

【關鍵詞】跨學科概念? 高中生物學? 種群數量變化

【課題項目】本文系2018年甘肅省“十三五”教育科學規劃課題《高中生物學跨學科知識教學的實踐研究——以必修1為例》階段性研究成果，課題立項號：GS[2018]GHB0930）。

【中圖分類號】G633.91 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）15-0172-02

2011年7月美國頒布了《新一代K—12科學教育標準》，以下簡稱《科學教育標準》。倡導以跨學科的思維來整合學科知識，以跨學科的能力要求來培養學生。提出了七大跨學科概念：①模式;②因果關系：機制與解釋;③系統與系統模型;④物質與能量;⑤結構和功能;⑥尺度、比率和數量;⑦穩定與變化。跨學科概念隸屬于跨學科知識的范疇，是指超越一門學科的界限，可廣泛用于解釋科學領域內不同問題的通用概念。跨學科概念的提出體現了不同科學領域對思維方式的共同要求。這七大跨學科概念在我國現行人教版高中生物教材中都有所呈現。

“模型”是對自然界事物簡化模擬的體系或結構，主要包括物理模型、數學模型、概念模型等，是科學領域內的通用研究方法。本文嘗試將“模型”這一跨學科概念引入人教版高中生物必修3第四章第2節“種群數量變化”的課堂教學中，探索跨學科概念在高中生物學科教學中應用的有效途徑及優勢所在。依據新課標，本節的教學目標為“嘗試建立數學模型解釋種群的數量變動”。學生不僅要完成數學模型的構建，更要把握數學模型（抽象）與種群的數量變化（具體）之間的內在邏輯聯系。

一、“種群數量變化”的數學模型建構過程

1.創設情境引出數學模型

播放細菌分裂生殖的視頻，引導學生描述種群數量的變化趨勢，預測該種群在N代繁殖后種群數量將達到何種程度。算出一個細菌產生的后代在不同時間的數量，并填寫教材中的表格，畫出細菌的種群數量增長曲線，從而引出跨學科概念——數學模型：在描述、解釋和預測種群數量變化時，推導出的公式、繪制的圖表等。

2.建立種群增長的數學模型

（1）“J”型曲線的建構

依照“觀察研究對象，提出問題——提出合理的假設——根據實驗數據，用適當的數學形式對事物的性質進行表達——對模型進行檢驗或修正”的步驟進行“J”型曲線的構建。

假設在食物和空間條件充裕、氣候適宜、沒有敵害等條件下，嘗試建立種群數量增長的模型。結合學生對數學學科數列部分內容的學習，可嘗試用數學通項公式的形式表示種群數量的變化，即Nt=N0λt，再以特值代入的方式得到一系列的點，反映到坐標系中形成指數函數的圖像，進而擬合出種群數量增長的“J”型曲線。

（2）“S”型曲線的建構

結合“澳大利亞野兔事件”過渡到S型增長。引導學生分析澳大利亞野兔種群數量呈指數增長的幾點原因，思考這些讓野兔快速增長的條件會不會一直存在，得出自然界種群出現J型增長是暫時的。在種群內競爭加劇，天敵數量增多，傳染病更易傳播等干擾因素存在的情況下，種群數量發展的最終趨勢是維持在某個值（環境容納量），并圍繞這個值上下波動。從而構建種群數量增長的“S”型曲線。

3.用數學模型解釋實際問題

自然界中的種群一般以“S”型曲線增長，種群的增長速率可以用圖像上每點的切線的斜率表示。引導學生繪制“S”型曲線種群增長速率隨時間的變化圖像，提出問題：①如何控制家鼠、蝗蟲等有害動物的種群數量;②魚塘怎樣捕撈才能夠使經濟效益最大化等實際問題。引發學生思考討論，形成對策。該教學環節的目的在于將學生建構的數學模型應用于新情境，解釋生活實際中的問題。

4.開展實驗，探索與檢驗模型

學生以小組為單位，進行“探究培養液中酵母菌種群數量的變化”實驗，探索食物和生存空間有限條件下的種群數量增長模型。按照“提出問題——作出假設——制定計劃——進行實驗——得出結果——分析與評價”的科學探究步驟開展實驗。本實驗為學生小組實驗，每組成員分工合作，完成酵母菌的計數與統計。計數結果求平均值，繪制酵母菌種群數量變化的曲線圖。一個小組的實驗數據難免存在誤差，與實驗假設并不相符，但對于不同小組來說，組間重復，將每3個小組的數據匯總，求出平均值，數據共享后再次繪制曲線圖，以便盡可能的減小實驗誤差，以此達到驗證數學模型的目的。

二、跨學科概念在高中生物教學中的優越之處

1.促進學生對生物學核心概念的學習

在教學過程中，既要通過跨學科概念促使學生掌握核心概念，又要在學習核心概念的同時滲透跨學科概念。“種群”屬于高中生物學中的核心概念，教學過程中引入“模型”這一跨學科概念，有助于學生對核心概念的理解和掌握。同時通過對“種群數量變化”的學習又可以促進學生對于“模型”這一跨學科概念的理解。

2.促進學生跨學科學習思維的形成

“模型”是解決各學科問題的通用工具與手段。教師應啟發學生發散思考：在數學、化學、物理等學科的學習中是否也有過借助“模型”解決問題的例子。引導學生意識到該研究思路在其他學科中也是適用的。“數學模型”不僅能夠解決生物學科中“種群數量變化”的問題，其他學科中所有涉及到數學圖像、公式等表示的問題都用到了“數學模型”。引導學生形成跨學科學習的思維，將“模型”這一跨學科概念用于各個學科的學習中。

3.有助于學生生物學核心素養的提升

“數學模型”的構建是一個科學探究的過程，通過觀察生活中的生物學現象發現問題、提出問題與假設、設計并進行實驗、得出結論，進而解決相關問題，這個過程有助于學生科學探究素養的提升;學習知識的目的在于實踐應用，跨學科概念的學習促進了學生對于核心概念的理解，但這僅僅停留在理論層面，更重要的是能夠靈活運用所學生物學知識解決生產生活中的實際問題。通過結合滅鼠等實際問題，實現了知識的綜合呈現和應用，一定程度上培養了學生的社會責任感。

分科教學易導致高中學生學習到的知識互相隔離，缺乏內在聯系，“模型”構建這一普遍研究方法在課堂教學中的應用，啟

發學生從整體上把握這一普遍的科學原理。學習過程應注重學科之間的橫向聯系，體會科學領域內思維方式的跨學科性。在培養學生跨學科學習的意識和能力的同時，進一步激發學生對科學探究的興趣，逐步形成科學探究的思維方式，實現課本知識的實踐應用，這將有利于提升高中學生的生物學核心素養。

參考文獻：

[1]王威，劉恩山，李倩.將跨學科概念融入高中生物學課程初探[J].生物學通報，2012（8）：30.

[2]楊文源，劉恩山.美國K-12科學教育框架中對生物學核心概念的關注及其啟示[J].生物學通報，2013（8）.

[3]中華人民共和國教育部制定.普通高中生物學課程標準（修訂稿）[M].北京：人民教育出版社，2016.

作者簡介：

朱慧貞（1988-），女，漢族，甘肅定西人，一級教師，碩士研究生，主要從事高中生物教育教學。

吳存華（1987-），男，漢族，甘肅定西人，一級教師，碩士研究生，主要從事高中數學教育教學。