“三新”背景下項目式—跨學科教學案例設計與實施

摘要：本文以“滲透作用”為例，闡述利用物理、化學等相關學科交叉知識開展項目式學習，分析解決生物學相關的知識和問題，旨在引起廣大教育者的共鳴和思考，使其結合當前“三新”背景下的教學改革，總結各學科間的聯系，探究學科交叉滲透融合的教學方法和思路，促進學生深度學習和自身知識結構的完善，發展學生核心素養，使其成為適應社會發展需要的綜合型人才。

關鍵詞：生物學" 跨學科" 項目式學習" 案例設計

在新時代背景下，社會發展加快、科學技術不斷進步以及環境污染加劇，一系列問題日益凸顯，社會越來越需要綜合能力強和素質高的人才。學科交叉式教學是指以具備優勢的學科為主，其他相關學科為輔，打破原有學科間的隔閡與壁壘，整合學科間資源，促進基礎學科與應用學科的融合，培養具備問題解決能力、創新能力的新時代綜合型人才。

利用項目式—跨學科方式培養學生科學思維是新課程、新教材改革的重要理念之一。施一公先生在人教版必修教材的開篇科學家訪談中提到：生物學已經能在分子水平上，利用定量的物理、化學等手段來研究生命過程和重大疾病的分子基礎，從根本上理解生命、促進健康。因此，教師利用生物學與其他學科的交叉知識輔助學生構建生物學科知識結構和體系，并引導學生分析和解釋生物學相關現象，符合科學發展的基本要求。本文以高考真題為引，以教材中的問題探討為輔，著重分析學科交叉的重要性。

一、高考真題中出現的“巧合”——酶的本質

2018年高考真題全國卷Ⅰ化學選擇題第8題的B選項表述為：酶是一類具有高選擇催化性能的蛋白質。此選項在當時是存在較大爭議的。該題意在考查糖類、脂質及蛋白質的物質的結構、性質及分類等相關內容，與生物學科內容有極高的相似度，不依據題號辨別，多數學生可能會認為其是生物學科高考題。但是該題出現明顯的“巧合”偏差，就是B選項中關于酶的概念在不同學科間的分析或表述是有差異的。

化學學科認為酶是一類具有高選擇催化性能的蛋白質；生物學科認為酶是由活細胞產生的，且具有催化作用的有機物，其中極少數成分為RNA，而絕大多數都是蛋白質。由此可以看出，學科間的差異導致學生在發現并解決問題時出現疑惑，其主要因為學科教學缺少融合滲透。同樣，各種復雜的科學問題，基本上都具備綜合性和跨學科性等特點。傳統的分科教學缺少學科間的滲透融合，對學生構建知識結構體系和發展學生綜合思維能力有部分影響。因此，在常規分科教學的基礎上，借助多種學科教學內容開展項目式—跨學科教與學，可豐富教學方式，發揮學生自身特長優勢，提高學生思維創新能力，提升學生核心素養，可謂一舉多得。

二、高考真題中生物學與化學學科的交叉應用

以2020年高考真題全國卷Ⅱ生物第5題為例，本題意在考查滲透作用的條件等相關知識內容，滲透作用為生物學新教材必修一“被動運輸”中的一部分內容，是開展大單元深度學習的重要組成部分，其概念、條件及過程方向更是需要重點分析和學習的模塊。

若教學中未能闡明滲透作用中濃度差是指物質的量濃度差，而非質量濃度差，或者學生對質量分數與物質的量濃度之間的轉換關系掌握不夠牢固，勢必造成學生存在知識漏洞的情況，出現分析和理解偏差。因此，積極開展項目式—跨學科教與學，將化學學科知識進行分析拓展應用，在提高學生能力的同時，增強學生主觀能動性，加強學生知識遷移和應用能力，提升學生核心素養。基于此，我們應首先明確與滲透作用相關的知識和內容（如表1）：

其次，將植物細胞的質壁分離和復原實驗作為滲透作用的應用案例，分析問題時應著重強調對應膜兩側的濃度差為細胞液與外界溶液之間的物質的量濃度差，而非溶液的質量分數差（或質量濃度差）。那么在兩濃度差間建立起橋梁和聯系，則是解決該問題的關鍵。若在進行生物學“滲透作用”相關教學時，適當開展與化學學科交叉的跨學科—項目式學習，將化學中溶液的物質的量濃度和質量分數等相關內容予以展現和分析，必然有利于學生分析和理解（如表2）：

學生在理解和掌握物質的量濃度和質量分數間的轉換關系后，對該高考題的疑惑便迎刃而解。

通過建立物質的量濃度和質量分數之間的聯系，理解溶液在質量分數相同的情況下，溶液物質的量濃度不同，從而造成滲透作用吸水存在差異。通過開展項目式—跨學科教與學，學生可以主動思考，利用學科交叉知識將所學內容化繁為簡、活學活用，建立學科知識間的內在聯系，拓展思維，提升核心素養。

2019年版新教材生物學必修一“被動運輸”一節的問題探討（如表3）中提到：漏斗管內的液面會上升多少？會無限升高嗎？教師教授該部分時，主要分析滲透作用的條件和方向等。而“膜兩側的濃度差導致水進出漏斗的速度不同”“當管內液體上升到一定高度，管中產生的壓力使水的擴散達到平衡，液面不再上升，那么達到平衡后半透膜兩側是否仍有濃度差？若有，液面為何不再上升？”此類問題，讓多數學生頓感疑惑，也讓部分教師束手無策。而借助交叉學科——物理學中液體壓力壓強等相關知識，開展跨學科—項目式教學進行定量分析，問題則迎刃而解（如表4）。

倒置漏斗中的溶液對半透膜有向下壓力，而溶液物質的量濃度偏大，導致滲透壓方向向上，當漏斗中形成的液柱對半透膜向下的壓力與溶液向上的滲透壓相等時，達到平衡（如下公式推導）。

液體壓力F=ρgΔhS=πΔCB=F0滲透壓。

依據定量分析發現，液體壓力與滲透壓之間的關系可視為高度差Δh與半透膜兩側物質的量濃度差ΔCB的關系：Δh～ΔCB。漏斗中液面若要維持一定高度Δh，必須膜兩側有一定的物質的量濃度差ΔCB，如此便解決了平衡后膜兩側仍有濃度差及液面不繼續上升等相關問題。通過生物學科和物理學科的交叉開展定量分析，便可輕而易舉解決師生疑惑。

四、模擬題中跨學科知識綜合拓展

有關滲透作用相關內容的討論分析，主要集中于溶質分子不能透過半透膜。此類內容可通過高度差Δh與半透膜兩側物質的量濃度差ΔCB的關系Δh～ΔCB判斷并解決。但若溶質分子能穿過半透膜，進而導致膜兩側的濃度有所變化的情況時，我們需從動態平衡的角度進行分析，利用化學微觀粒子動態平衡狀態和滲透壓等方面的知識進行解釋。

如模擬題：某U型管滲透裝置裝有甲和乙不同種溶質分子的兩種溶液（兩溶液質量分數相同），溶質甲和水分子可以穿過半透膜，但溶質乙不能，開始時U型管兩側高度一致，則在發生滲透作用過程中兩側液面變化情況和最終兩側液面情況分別是什么樣的呢？

在解答該問題之前，首先我們要明確半透膜兩側滲透壓的問題，它是指溶液中微觀粒子對水的吸引力，其大小與溶液中溶質微粒的多少有關，微粒越少，滲透壓越低。其次溶液中溶質溶解時，其對應微粒做無規則運動，無序度增加，混亂度增加，其熵也增加，最終使溶液向動態平衡的趨勢發展。題干中雖明確溶液質量分數相等，但由于兩種溶質的摩爾質量未知，需對兩溶液的物質的量濃度進行分類討論，這是學生的易錯點一。

若甲的溶質摩爾質量大于乙，通過轉換關系可知乙溶液的物質的量濃度偏高，對應U型管右側滲透壓偏高，液面上升。但基于物質擴散平衡原理，乙溶質可以穿過半透膜進入甲溶液，使膜兩側的乙溶質有轉變為平衡相等的趨勢，導致U型管左側溶液的甲乙兩溶質物質的量總濃度增加并最終高于U型管右側，進而引起左側滲透壓高于右側，吸水能力強于右側，導致左側液面逐漸升高并最終高于右側，這是學生的易錯點三。

以學科交叉融合為基礎開展教與學，引導學生發散思維，積極探索跨學科融合的教學模式，開展項目式—跨學科教與學課堂實踐，可以促進學生核心素養的全面提升。

五、總結與反思

開展項目式—跨學科教與學是新時代社會發展的需求。社會的高速發展帶來的復雜棘手的社會性問題往往都不是利用單一學科知識能解決的，需要融合多學科知識才能解決社會性問題。

開展項目式—跨學科教學是“新課標、新教材、新高考”的必然要求。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》實施建議中明確強調注意學科間的聯系，加強學科間的橫向聯系。這將有利于學生理解科學的本質、科學的思想方法和跨學科的科學概念和過程。根據新教材構建生物學科知識結構和體系、分析和解釋生物學相關現象，有利于學生建立科學的生命觀、正確的價值觀和積極的世界觀。新高考模式下的3+1+2改革，打破了傳統文理學科間的壁壘，更加注重對學生問題解決能力、思維遷移能力、創新應用能力以及學科核心素養的培養，項目式—跨學科教與學則是實現對“新課標、新教材、新高考”要求的重要途徑之一。

開展項目式—跨學科教學是對新時代教師教學的必然要求，是培養符合新時代社會發展需求的創新性和綜合性人才的重要途徑。教師要不斷更新理念，在掌握本專業的學科知識的同時，還要具備學科交叉意識，積極學習相關學科的知識，與相關學科教師積極溝通，依據學生知識經驗和能力，抓住學科間滲透融合的交叉點，適時適度地在教學中滲透相關學科知識，提高學生的思維遷移能力。

開展項目式—跨學科教學是對新時代高中生學習的必然要求，不僅能增強學生對知識的理解、遷移和應用能力，更有利于學生掌握必備知識，形成關鍵能力以及學科素養，促進學生深度學習，完善自身知識結構，提升學生核心素養，使其成為適應社會發展需要的綜合型人才。

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