學科核心素養理念下跨學科教學思考與設計
——以“細胞膜成分的探索”為例

楊心媛 字 發 范麗仙*

（1.云南師范大學生命科學學院 云南昆明 650504）

（2.云南省玉溪第一中學 云南玉溪 653100）

新課改以來，人教版生物學新教材中增設學科交叉模塊，學科綜合化的發展趨勢越來越明顯。在實際教學中，生物學某些重要概念的構建需要以其他學科的知識、方法或技術為基礎才能突破；某些重要現象需要結合其他學科的理論才能解釋。因此，高中階段進行跨學科教學十分必要。

1 核心素養與跨學科教學

21世紀，核心素養成為引領國際教育改革的主流理念。高中階段各個學科依據學科特點提出了各自的核心素養（表1）。不同學科的核心素養既有差異，又存在共性。例如，生物學與化學都提出了科學探究和社會責任，生物學與物理都提出了科學思維，不同學科都從學科屬性出發強調不同方面，本質上是各學科領域對同一核心素養培養的側重點不同。

表1 普通高中部分學科核心素養

跨學科教學也稱學科交叉教學，指在某一學科的教學過程中，主動、有序且有機地聯系其他學科，滲透相關知識點，建立知識和能力的綜合性網絡。教師在培養學科核心素養的過程中，適當采用跨學科教學能夠實現學科之間的雙贏。

2 核心素養理念下“細胞膜成分的探索”跨學科教學設計

2.1 教材分析與設計思路

“細胞膜成分的探索”位于人教版必修一第三章第一節“細胞膜的結構與功能”中。該部分內容以時間為線索，用科學史的形式呈現科學家們對細胞膜成分的探索歷程，既承接上文對細胞膜功能的介紹，又開啟下文對細胞膜結構組成的學習，具有橋梁作用。科學家們在探索過程中運用了其他學科的知識及方法來解決生物學問題。因此教師在授課時，以科學史為主線，緊緊圍繞“細胞膜的成分”這一核心問題展開教學，并輔以相應的跨學科知識，能夠幫助學生拓展思維，更好地理解科學家們探索細胞膜成分的歷程，發展學生的生物學學科核心素養。

2.2 教學流程

2.2.1 情境導入

教師播放“人造細胞膜”研制成功的新聞，創設情境，引導學生思考：人造細胞膜在生活中運用廣泛，這一成就的取得離不開一代又一代科學家的努力。細胞膜是由什么成分組成的？由此，教師帶領學生重溫細胞膜的探索歷程。

設計意圖：教師利用細胞膜研究成果在生活中的應用激發學生的學習興趣，使學生認識到科學研究是為了造福人類，研究成果的取得需要付出不懈的努力；同時，借助新聞引出核心問題——細胞膜的成分，為下文做鋪墊。

2.2.2 推理細胞膜的主要成分

教師展示歐文頓實驗的相關資料，請學生結合時代背景自行歸納歐文頓研究的問題，并根據證據，嘗試提出假說。教師追問：該假說是否正確？如何通過實驗來驗證？學生討論教材內容，得出：組成細胞膜的脂質有磷脂和膽固醇，磷脂的含量最多。

設計意圖：教師引導學生分析資料，讓學生體會提出假說的科學方法，鍛煉學生的科學思維。

2.2.3 分析磷脂分子的特性

教師展示磷脂分子的結構式和脂肪的結構式，請學生對比兩者的異同，推測磷脂分子具有的特性。學生比較后，發現磷脂分子的尾部由脂肪酸構成，提出磷脂分子尾部不溶于水的特性。教師介紹組成磷脂分子各基團的化學性質，引導學生說出磷脂分子頭部親水的特性，并引導學生選用適宜的材料（鐵絲、超輕黏土等）制作一個磷脂分子。

設計意圖：教師從學生已有的知識出發，通過引導學生比較磷脂和脂肪的結構式來理解磷脂分子的特性，既可以強化學生對知識的記憶，也有助于學生理解磷脂分子頭部親水尾部疏水的特點。

2.2.4 探究磷脂分子的排布

教師展示科學家戈特和格倫德爾的研究故事，提出問題：組成一個細胞的磷脂分子面積與細胞表面積有什么關系？能否用字母表示出來？學生小組討論得出關系式“Y=2X（“Y”代表空氣-水界面上單層脂質分子的面積，“X”代表紅細胞的表面積）”。教師提問：細胞中磷脂分子排列為連續兩層的原因？在學生分析、討論后，教師追問：水—苯混合溶劑中磷脂分子如何排列？并引導學生得出結論。

設計意圖：“Y=2X”關系式不僅可以表示單層磷脂分子與細胞表面積的關系，還可以表示細胞膜與磷脂分子層之間的關系。一層細胞膜代表一層磷脂雙分子層也代表兩層磷脂分子層。教師利用簡潔的數學公式，幫助學生突破難點。

2.2.5 探究細胞膜的表面張力

教師提出問題：細胞膜中除了脂質，還有沒有其他成分？學生回歸教材，得出：細胞膜還可能附有蛋白質。教師帶領學生梳理細胞膜可能附有蛋白質的證據：細胞膜的表面張力明顯低于油水界面的表面張力，油脂表面附有蛋白質則表面張力會下降。并要求學生根據所提供的材料（植物油、清水、蛋白粉等）小組合作設計模擬實驗，證明細胞膜中可能附有蛋白質。

設計意圖：表面張力是學生較為陌生的知識，教師在教學過程中通過模擬實驗將看不見的表面張力大小轉換為可見的油脂在水面擴散面積的大小，提升學生思維的靈活性。設計模擬實驗也能夠進一步提升學生的科學探究能力。

3 跨學科設計分析

該教學片段中包含磷脂分子的結構與特性、單層脂質分子面積與細胞膜表面積的關系以及油脂表面張力變化3個學科交叉知識點，部分教師難以把握深度，容易造成忽略或講解太深奧兩個極端。在設計以上3個知識點的教學時，教師宜采用學科交叉的方法。

3.1 生物與化學

針對磷脂分子的結構與特性，教師可引導學生回憶已經學習過的脂肪分子的結構：從化學角度看，脂肪是由1分子甘油和3分子脂肪酸聚合形成的酯，具有不溶于水的特點。指導學生磷脂分子的結構式中，找到1分子甘油和2分子脂肪酸。通過對比兩者的異同，學生可以推測出磷脂分子的尾部具有不溶于水的特性。磷脂分子的頭部由膽堿與磷酸組成，二者易溶于水，所以磷脂分子的頭部具有親水的特性。

3.2 生物與數學

針對單層脂質分子面積與細胞膜表面積的關系，教師巧用數學公式“Y=2X”簡潔清晰地表示出二者關系，幫助學生建構模型。其中“Y”代表空氣-水界面上單層脂質分子的面積，“X”代表紅細胞的表面積，“2”代表兩者之間的倍數關系。如此轉換，學生能夠更好地理解細胞膜中磷脂分子排列為連續兩層的原因。

3.3 生物與物理

針對油脂表面張力，教師可以借助物理知識演示模擬實驗。表面張力是指水等液體會產生使表面盡可能縮小的力，是液體分子的內聚現象。油脂滴入水面形成的透明圈可以模擬油-水界面的表面張力。透明圈擴散面積越大則表示油脂分子表面張力越弱。為使實驗現象更加明顯，教師實驗前在水面上鋪一層痱子粉，滴入一滴油脂，待油滴擴散面積穩定后加入蛋白粉，發現油脂擴散面積變大，說明加入蛋白粉后油—水界面表面張力下降。據此，教師可引導學生推測細胞膜可能附有蛋白質。

4 思考與總結

培養學生的核心素養已經成為現代教育的重要共識。高中階段各學科的某些知識點與其他學科交融滲透，跨學科教學成為發展學生學科核心素養的重要手段。教師在高中生物教學過程中適當融入其他學科的知識、方法和技能，既可以幫助學生深入理解知識，打破學科間的壁壘，構建龐大的知識網絡，又能提升學生的綜合素養，切實提高學生解決問題的能力，幫助學生更好地實現全面發展。同時，教師在跨學科教學中要注意適時、適度、適量，分清主次，避免本末倒置。