基于高中生物學科核心素養的跨學科科學思維的培養對策初探

秦發學

摘 要：在新課改背景下，科學思維是高中生物學課程標準的核心素養之一。生物學是一門自然學科，與語文、數學、化學、物理等學科在知識、思維等方面有相關性。教學中根據高中生物教材內容，尋找出學生學習中的困惑，適當聯系有關學科的知識和思維形成跨學科科學思維，促進不同學科間融會貫通，減輕學生的學業負擔，有效促進教學效果的提高。

關鍵詞：高中生物學科；跨學科科學思維；培養

中圖分類號：G633.91? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1673-8918（2023）16-0128-04

培養學生的科學思維是落實立德樹人根本任務的重要舉措，是服務創新型國家發展戰略的基本要求?？茖W思維是《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中生物學科的核心素養之一，課程標準中將科學思維定義為：“指尊重事實，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力?！彼自捳f“他山之石，可以攻玉”，在教學過程中，教師要善于借助教學內容中涉及的語文、數學、化學、物理等學科知識和科學思維，啟發和培養學生的生物學學科的科學思維，逐步使學生形成認識事物的正確價值觀，形成良好的思維品格，提高解決問題的能力。

一、 基于核心素養的閱讀、理解、歸納和概括能力的培養

生物學科是一門自然學科，在研究過程中要觀察生物現象、結構、生理變化等事實和證據，用科學、簡潔、規范的語言歸納和概括生物的生命現象，闡述生物學問題，得到生物學的結論、概念和原理等。并且還要具有讀懂、理解科學家研究的文獻資料、生物學概念和原理的能力，會解決有關問題。這些是與學生深厚的語文學科能力所要求的閱讀、理解、歸納和概括功底是分不開的。

（一）學生生物學科的閱讀、理解、歸納和概括能力不足的原因

高中學生經歷了初中生物學知識的學習后，儲備了一定的知識，具備了一定的思維能力。但客觀上受到初中認知水平的限制，初中教材的知識體系比較簡單，主要是一些生物學結構、生活現象的描述，思維層面上升的內容比較少。初中生物在中考中占的分值也低，且為選考，考試中識記性的內容比較多，科學思維方面的試題比較淺顯且較少。教學中有些初中學校又壓縮正常教學課時，只有部分學生選考，在中考前選考學生突擊背誦。有些學校認為生物分值不高，背背記記即可。有些學校生物師資配備不足，用其他學科教師教生物課。主觀上學生的身心發育有限，思維能力的形成有限，在學習中只是應付考試。這就造成了教師在教學和學生在學習中忽視了生物學科科學思維的培養和訓練，導致學生在閱讀、理解、歸納和概括能力方面的不足、斷層和脫節。

（二）在高中生物教學中培養學生閱讀、理解、概括和歸納能力的策略

1. 充分利用教材中的實證情景培養學生的閱讀、理解、歸納和概括能力

高中生物教材編排的特點之一是，在有些章節內容中先給一段或一句原理或結論性的話，再舉出實證情景，如生活現象、生物學實驗、生物學實例、生理過程、科學家的研究歷程等進行證明。如：新教材必修一第1章第1節《細胞學說及其建立過程》內容中教材給出“細胞學說的內容”，然后給出思考討論“分析細胞學說建立過程”的發展史。這部分教學中教師要引導學生讀什么、怎么讀，然后找出原理和實證的關系，明白如何利用實證來理解原理或結論。教材編排的另一個特點是，有些章節內容先給出一些實證情景，再歸納概括得出原理和結論。如新教材必修一第1章第1節《細胞是基本的生命系統》內容中，教材先舉出實證：單細胞生物，多細胞生物的反射活動、動植物細胞的代謝、生長發育、遺傳變異等。接著給出結論：細胞是生命活動的基本單位，生命活動離不開細胞。有多個實證情境出現時，教師教學要對情境材料進行整合，善于引導學生將情境分門別類，找到多個情境的相同點、不同點，分析比較情景中揭示的本質規律，歸納概括得出結論。并將得出的結論與教材中給出的結論進行對照比較，找出不足，通過這樣反復訓練，提高學生用科學簡潔的生物學術語進行歸納概括的能力。以上特點在教材中比比皆是，教師在教學中只要善于發現、勤于思考，就能以此培養學生的能力，提高教師對教材的理解、處理、使用能力，從而懂得用教材教而不是教教材。

2. 提高學生閱讀理解歸納生物學概念的能力

生物學概念包括大概念、重要概念、次要概念。次要概念是生物學教學的基本單元，是對生物現象、生理過程、生命規律和生物學原理的高度概括。因此，在次要概念的教學中教師引導學生利用語文教學中句子成分的劃分方法找出主語、謂語、賓語、定語。找出概念的內涵和外延，內涵是對概念本質的規定，是由主語、謂語、賓語構成的；外延是對概念應用范圍或量的規定，由定語部分構成。學生只有正確理解概念的含義，概念是如何形成的，才能準確地應用概念解釋、解決生物學情境中的問題。如：有氧呼吸是指細胞在氧的參與下，通過多種酶的催化作用，把葡萄糖等有機物徹底氧化分解，產生二氧化碳和水，釋放能量，生成大量ATP的過程。在這個次要概念中：主語為有氧呼吸，謂語為“是”，賓語為“過程”，其他為定語。在定語中指出有氧呼吸的條件為氧、酶，反應物為葡萄糖，產物為二氧化碳和水、大量ATP，反應的程度為徹底氧化分解。教學中也可以通過這種閱讀分析方法引導學生學習無氧呼吸的概念，找出兩個概念中的相同點、不同點，加深學生對概念的理解，提高歸納概念的能力，使學生能在理解概念的基礎上更好地學習有氧呼吸和無氧呼吸生理過程的幾個階段。另外，教學中發現有的學生在生活中很少參加勞動，生活閱歷淺、生活常識少，對有些名詞不理解，如：鮮重、干重、增殖、真核、有絲分裂、無絲分裂等，對這一類名詞也可引導學生采用望文生義的方法進行理解，如：鮮重就是新鮮時的重量，增殖就是增加繁殖，真核就是有真正的細胞核，也就是有核膜包被形成的等。

3. 重視讀圖訓練，提高學生圖示閱讀歸納能力

高中生物教材中有許多結構示意圖、概念圖、模型圖、生理過程圖、柱形圖、直角坐標系下的曲線圖、圖表等，這些圖將生物學中復雜的信息直觀、簡潔地呈現出來，能夠幫助學生認識、理解問題，在教學中教師要重視學生的讀圖、用圖能力訓練。對結構示意圖、概念圖、模型圖、餅狀圖要引導學生看圖說話，盡可能地用生物學術語、知識與圖示相結合讀懂圖意，歸納整理、用語言科學表述圖示反映的信息。對生理過程圖按照圖示中反映生理變化順序的箭頭結合有關知識讀懂圖意，解決有關問題。對柱形圖、直角坐標系下的曲線圖、圖表等要注意研究的自變量、因變量與圖中縱橫坐標之間的關系，結合所學知識讀出縱橫坐標的含義，曲線中起點、交點、拐點、終點的含義、曲線的變化趨勢等，然后歸納總結圖中反映的生物學原理、結論等，進行科學準確的表述。教學中通過不斷地引導、分析、訓練、積累，提高學生的閱讀、理解、歸納能力。

二、 基于學科素養的模型與建模、演繹與推理能力的培養

在生物學中為了反映生物體的微觀結構、概念間的包含關系、揭示生命規律，教材中介紹了物理模型、概念模型、數學模型、演繹推理法，通過這些科學思維的培養使學生逐步形成認識事物、闡釋生命規律的能力。而這些能力的培養是與動手能力、構建數學模型的邏輯思維、歸納能力分不開的。

（一）高中學生模型與建模、演繹與推理能力形成不足的現狀

高中生物教材中有許多模型，其中構建的物理模型有真核細胞的三維結構模型、滲透實驗裝置模型、細胞膜的成分結構模型、性狀分離比的模擬實驗、建立減數分裂中染色體變化的模型、DNA雙螺旋結構模型；概念模型在課后習題中以概念圖的形式呈現；數學模型有蛋白質合成中肽鍵數目的計算、細胞分離數目的計算、配子和基因型種類的計算、基因頻率和基因型頻率的計算、理想條件下種群數量的計算、J型曲線、S型曲線等；演繹推理體現在孟德爾研究基因的分離規律和自由組合規律、摩爾根研究果蠅的伴性遺傳、DNA的復制等實驗中。通過教材中的模型教學，發現學生理解掌握的情況仍然有諸多不足，如：物理模型構建得不形象、不直觀、比例失調、結構布局不合理、材料選擇單一，不能體現結構與功能的和諧美。概念模型形式單一、大小概念間包含、邏輯關系理不清；數學模型中的曲線含義不理解，不能理解在生物學科情景下的數學公式推導過程，數學公式中字母代表的生物學含義以及公式適用的范圍；對演繹推理中的實驗過程沒有生活體驗、沒有種植業的生產經歷，對農作物的生命歷程沒有直觀的認識，搞不清農作物的生活習性。對演繹推理的具體過程理解不透徹，缺乏由此及彼、舉一反三的應用能力。

（二）教學中培養學生模型與建模、演繹與推理能力的策略

1. 教學中在制作物理模型時，教師先引導學生觀察教材中有關模型或細胞結構的示意圖，看各結構在細胞或模型中的位置、大小、比例；應在安全的基礎上提供多類主要材料，如：橡皮泥、泡沫包裝材料、面團、質地較軟的塑料材料、其他輔助材料根據需要準備；學生通過用手制作、用眼觀察、用腦思考，經過親力親為制作出科學合理的美觀模型，從而加強對所學知識的掌握、理解和應用。

2. 對概念模型的構建，教學中教師引導學生把握概念的本質、理解概念的內涵和外延，掌握概念的包含關系。通過概念圖、思維導圖、數學中的子集、交集、并集等集合關系構建概念模型。理解大概念、重要概念、次要概念的關系。理解名詞上相近的概念，如：原生質體和原生質層、載體和運載體、過敏原和抗原等。在含義上相反的概念，如：自由水和結合水、顯性基因和隱性基因等。

3. 數學模型的建立有助于學生對生物學中某些核心概念的理解，提高學生的生物學科核心素養。在人教版高中生物學教材選擇性必修2第一章第2節以“酵母菌的種群數量變化”為例，提出構建數學模型的四個步驟，“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→通過進一步的實驗或觀察等，對模型進行檢驗或修正”。教學中教師在構建數學模型時通過具體實例善于引導，師生通過前幾步的逐步分析，共同推理，采用不完全歸納法構建數學模型，并弄明白模型中字母的含義，就可運用模型解決問題。如：冪2n（n為正整數）在高中生物學中有廣泛的應用：①一個親代細胞分裂n次產生子細胞的數目可用2n計算，n的含義為細胞分裂的次數；②一個基因型為AaBbDDEe……的個體產生配子的種類、自交產生后代表現型的種類都可用2n計算，n的含義為等位基因的對數；③一個親代DNA分子復制n次產生子代DNA的數目可用2n計算，n的含義為DNA復制的次數；④n個堿基對脫水縮合形成的DNA分子種類可用4n=22n計算，n的含義為堿基對的數目。類似于冪的形式在遺傳、DNA的復制、轉錄翻譯中還有很多，不勝枚舉。

三、 基于核心素養的物質與能量觀的培養

細胞是生物體結構和功能的基本單位，是由元素及其化合物按照一定的比例有機組合在一起形成的生命系統，細胞要不斷地和生活環境進行物質和能量的交換，體現了細胞的物質和能量觀、質量和能量守恒定律，需要用物理和化學學科的相關知識和思維助力學生學習生物知識。

（一）高中生物教材中有關組成細胞的化合物和化學反應可以說貫穿必修和選修教材中，在教學中發現學生的有關知識不足。如：細胞中的微量元素Mn、B、Mo不知道元素名稱；8種必需氨基酸的識記；化學中的有機化學知識學習較少或滯后導致五碳糖、六碳糖、淀粉、甘油、脂肪酸、許多氨基酸的化學式和結構式不了解；學習蛋白質、多糖、核酸、ATP、磷脂的合成和結構理解不透；乳酸（C3H6O3）、乙酸（或醋酸CH3COOH）、乙醇（C2H5OH）、乙醛（CH3CHO）、丙酮酸（C3H4O3）區分不清。淀粉、蛋白質、核酸、脂肪的消化水解產物遺忘；不能區分有機物的水解產物和徹底水解產物；還原糖和斐林試劑、蛋白質和雙縮脲試劑的反應本質不清楚。光合作用、有氧呼吸、無氧呼吸（酒精發酵和乳酸發酵）、醋酸發酵、ATP與ADP的轉化等表達式不能按要求書寫。實驗中有些化學儀器、化學試劑、實驗裝置（蒸餾、萃取、分液）的使用原理和方法掌握欠缺。同位素標記法（穩定同位素：幾乎不具有放射性，如18O、15N等；放射性同位素：具有放射性，如：14C、32P、3H、35S等）、差速離心法、熒光標記法、衍射圖譜等技術的原理不清楚等。

（二）教學中培養學生相關物理和化學知識的策略

1. 對學生學習中出現的有關元素和化合物的名稱、結構和化學式的問題，教師在教學中只要在備課時找出結構展示給學生，在短時間引導學生善于觀察、比較、歸納就比較容易掌握了。如：比較五碳糖中的核糖（C5H10O5）和脫氧核糖（C5H10O4）的結構和化學式發現核糖比脫氧核糖多了一個氧原子。又如：通過觀察分析學生很容易掌握這些化合物。

2. 對化學反應的原理和表達式，在教學時教師善于和學生歸類總結，注意書寫規則即可。如：蛋白質的合成、DNA、RNA、ATP的合成都屬于脫水縮合反應，在細胞內需要酶的催化，只不過參與脫水縮合的官能團不同，但都會由小分子合成大分子。蛋白質和雙縮脲的反應實質是在堿性環境下肽鍵和氫氧化銅反應形成紫色絡合物，不論蛋白質的空間結構是否破壞，蛋白質是否變性，肽鍵都沒破壞，這個反應都會進行。細胞代謝的化學反應是一系列的化學變化，高中教材中的表達式只反映出反應物、終產物、反應場所、反應條件，在反應中的一系列中間反應和中間產物沒表現出來，因此寫表達式時反應物和產物之間用箭頭，而不用等號。如：光合作用的表達式為：CO2+H2O光葉綠體（CH2O）+O2。

總之，生物學科是一門自然學科，研究時要借助其他學科的思維、方法、技術手段等進行研究。因此，學生學習的過程中要具有一定的跨學科創新思維，提高創新能力。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］朱正威，趙占良.普通高中教科書：生物學：選擇性必修2生物與環境［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］朱正威，趙占良.普通高中教科書：生物學：必修1分子與細胞［M］.北京：人民教育出版社，2019.