初中跨学科教学实例：核心素养与生命科学

2018年，诺贝尔三大自然科学类奖项都被具有跨学科背景的科学家“收入囊中”；中国学生发展核心素养明确了学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力；2018年的全国教育大会指出了新时代人才的标准——具有跨领域知识技能，能运用创新思维解决真实世界问题；上海市中考改革方案力求用综合素养评价来破除“唯分数论”……无论是世界范围，还是我们身边，培养全面发展的素养已成为个人发展乃至国家战略密不可分的当务之急。

跨学科教学是培养全面发展人才的一条有效途径。随着课改的深入，我国对跨学科教学的研究日益重视，但也存在着一些盲区：以生命科学学科为例，在笔者查阅的文献中，大量的跨学科案例都是基于高中学段的，且罕见STEM理念的运用，初中生命科学跨学科教学的研究存在着数量少、深度浅等问题。通过基于STEM理念下的初中生命科学跨学科教学的实践探索，我们希望能为初中生命科学跨学科教学提供一些创新思考与实践智慧。

（一）厘清核心概念

1.跨学科

20世纪20年代，在美国社会科学理事会上阐述涉及两个或两个以上学会的研究时，心理学家R.S.伍德沃斯首先使用了“跨学科”概念。1937年，《新韦氏大学词典》首次收录“跨学科”一词。学科之间的不断整合也是科学教育发展至今研究者们一直努力追求的目标。正如美国2011年颁布的《K-12科学教育的框架：实践，跨学科概念与核心概念》中，提出了科学教育中的3个维度之一——跨领域概念，并从7个跨学科概念详细阐述了其价值和应用。就学术含义而言，“跨学科”至少可以包含或引申出三层不同的含义：①打破学科壁垒，把不同学科理论或方法有机地融为一体的研究或教育活动；②指包括众多的跨学科（交叉学科）在内的学科群；③指一门以研究跨学科的规律和方法为基本内容的高层次学科。

中国科学院路甬祥院士认为：跨学科的主要内容是“学科际”的研究活动，其促成的知识体系构成了交叉科学。这与国外20世纪70年代初对跨学科的定义——“跨学科是对那些处于典型学科之间的问题的一种研究”的观点非常相似。

2.跨学科教学

德国学者关于跨学科教学的定义为：跨学科教学是指以一个学科为中心，在这个学科中选择一个中心题目，围绕这个中心题目，运用不同学科的知识，对所指向的共同题目进行教学设计。美国学者舒梅克（Shoemaker）在跨学科学习基本定义的基础上，提出了跨学科教学的定义：跨越学科界限，把课程的各个方面组合在一起，建立有意义的联系，从而在广阔的领域中学习的教学。

跨学科教学最早出现于美国，进入20世纪90年代后，资料表明已有约2/3的美国学校涉及跨学科课程。随着研究的深入，不乏跨学科教学的创新理念提出。美国弗吉尼亚理工大学的学者亚克门（Yakman）提出的STEAM理念，即为一种典型的跨学科理念，其以科学、技术、工程、数学和艺术学科整合的教学方式来提升学生的知识技能，并强调灵活迁移应用知识技能来解决真实世界的问题。

3.STEM—STEAM—STREAM

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科的缩写。2014年，加利福尼亚教育部为STEM提出了一个概括性的定义：STEM是一门独立的课程，是一个连续的课程，它涵盖了四个学科，可以将STEM视为专业课程，也可以视为综合学习课程。美国弗吉尼亚理工大学的学者亚克门在原有的STEM教育中加入了A（Arts，艺术）元素，创建了一个STEAM金字塔图，以分析科学、技术、工程、数学和艺术间的实践和研究领域。STEAM是跨学科的，是以整合的教学方式培养学生的知识和技能，从而更灵活地解决真实世界的问题。也有学者在STEAM当中加入了R，变成了STREAM，这个R就是写作能力（Writing）。未来社会，写作是一项非常重要的团队协作和沟通能力。

（二）跨学科教学的意义

1.跨学科教学对于教学的意义

跨学科教学有利于课程整合，实现课程的凝聚性和开放性。跨学科教学并不是简单的学科知识堆砌组合的教学，其关键是要在不同学科知识之间寻找联结点，建立其有意义的联系。其目的是打破学科界限，融合各学科知识，有目的、有计划地进行教学设计和组织教学活动，编制综合知识和能力网络。

2.跨学科教学对于教师的意义

跨学科教学可以拓展教师知识，促进专业发展。传统教学中教师对其他学科知识的了解存在一定的局限性，而部分学科之间的联系又十分紧密，跨学科教学促使教师间实现合作教学。合作教学从内在动力和外在支持两方面对教师专业发展提供帮助。外在支持一般包括教育部门和学校领导的有力支持、良好的社会舆论氛围、教师同事的帮助以及家长与学生的支持等，内在动力包括教师自我发展的需要、对时代赋予教师的新要求的认识以及教学成就感等。

3.跨学科教学对于学生的意义

跨学科教学可以开阔学生视野，提升综合能力。在以往孤立的教学模式下，学生所学的各科知识间的联系不够畅通，使得他们无法从更高层次去考虑问题。跨学科教学让学生基于某一学科，将其他学科相关的知识进行联系和拓展，通过横向的整合给学生提供更多的启发，促进了学生对所学知识的深化理解。经过长期的训练，学生就能够形成一个系统的知识体系，从而开阔了学科视野，培养了问题解决和创新创造的能力。

（三）跨学科教学案例分析(www.xing528.com)

本书梳理了基于移植法、辐射法、实践法、综合法的四大类跨学科教学类型，并分别通过案例进行分析和说明。

1.基于移植法的跨学科教学

以生命科学学科为例，移植法就是借鉴或引用其他学科的知识为生命科学课堂服务，帮助解决生命科学的教学问题。这种跨学科的知识迁移旨在促进学生对生命科学中某些具体知识点的理解和运用，或者创设特定的教学情境等，如在生命科学中移植数学、物理、化学等学科知识的跨学科教学。

在学习“人体的消化和吸收”内容时，主要内容为小肠是人体消化和吸收的主要场所。这一功能是和小肠的结构分不开的，小肠内有很多环形皱襞，其表面有许多小肠绒毛，绒毛上又有微绒毛，也正是这些微小结构使小肠的内表面积比原来增大了近600倍，这就涉及数学“物体的体积越小，其表面积相对较大”的知识。同时，这些微绒毛的存在，也增大了小肠内壁与食糜的摩擦力，延长了两者的接触时间，从而促进小肠的消化和吸收功能，这又运用了物理的“力学”知识。这种跨学科的知识移植也很好地解释了“生物的形态结构和功能相适应”的观点。在介绍消化和吸收的过程时，不可避免地要用到化学反应的知识。以淀粉为例，从淀粉变成葡萄糖，其间的一系列物质变化都反映了化学与生命科学的密切联系。葡萄糖被吸收后要为人体所利用，它是人体的主要能源物质。学习能量变化时，自然会应用到物理的能量守恒定律，虽然有些内容是高中时才接触到的，但在初中对这些知识的有效整合有助于减少学生对高中“物质和能量代谢”模块学习的陌生度。关于生物体内结构和功能的统一性方面，涉及数学、物理、化学学科的知识点还有很多，教师应注意引导学生在学习生命科学内容时，不忘对数学、物理、化学学科知识的应用。这既解决了生命科学的相关难点，又是其他学科知识的应用和延续，可谓一举多得。

基于移植方法的跨学科教学的特点，在于直接借用了其他学科中的知识、原理或者方法模式上的认知，直接套用在本学科的学习中，无需对这些认知本身进行过多的加工与修饰。教师在教学中只要有一双善于发现移植点的眼睛，移植方法是很容易实现的。

2.基于辐射法的跨学科教学

辐射法是指以某一研究对象为中心，对研究内容从各个不同的角度或侧面进行发散性的思考和实践，扩散到其他学科中去，充分发挥核心知识的“辐射”效应，逐步实现多学科知识的整体发展。如，生命科学学科依靠拓展校本课程资源向地理、语文、政治等学科辐射。

在初中生命科学“我们身边的植物”一节的教学中，笔者借助本校资源，带领学生在学校的“本草园”里上课。教师以“黄花蒿”这一植物为主题，将这一主题内容辐射到地理、语文、历史、政治学科领域，使多学科知识有机地结合起来。首先向学生介绍黄花蒿是双子叶植物纲、菊科、蒿属，一年生草本植物，根单生，茎多分枝，叶纸质，头状花序球形，花深黄色，瘦果小，花果期8—11月。黄花蒿可入药，含有抗疟的有效成分青蒿素。接着利用地理知识补充“黄花蒿遍及中国全境，在海拔1500米以下、2000—3000米地区、3650米地区均有分布；生长在路旁、荒地、山坡、林缘、草原、干河谷、半荒漠等。广布于欧洲、亚洲的温带、寒温带及亚热带地区，另外还从亚洲北部迁入北美洲，并广布于加拿大及美国”。然后朗诵《诗经·小雅》“呦呦鹿鸣，食野之蒿。我有嘉宾，德音孔昭”。这里的“蒿”指蒿草，原文意思是“一群鹿儿呦呦叫，在那原野吃蒿草。我有一批好宾客，品德高尚又显耀”。自然就过渡到荣获诺贝尔生理学或医学奖的中国科学家屠呦呦。此时则以青蒿素的发现和屠呦呦获诺贝尔奖为切入口，讲述科教兴国战略是振兴中华的重要国策，以及青蒿素在中医药千年历史中的地位和作用，体现了历史和政治学科内容。

基于辐射法的拓展校本课程资源的跨学科教学，教师应该多留意学校周边的相关资源，就生命科学教材涉及的易于拓展的主题内容，对相关的细节进行深入挖掘，在给学生解惑的同时又交叉了其他学科知识。这种跨学科教学对学生多维的知识量和多元的思维角度有着积极作用，可以形成一个多元化的价值观、人生观以及培养一定的社会责任感。

3.基于实践法的跨学科教学

实践法是指基于STEM课程，即科学、技术、工程与数学相互融合的课程，在充分调动学生已有知识的基础上，设计STEM实践活动，提高他们在实践中发现问题、解决问题的能力，提升沟通与合作能力，培育创新精神。如，在初中生命科学“微生物”一节的学习中，可以就“发酵”的内容，以“我为家庭做酸奶”为例设计STEM活动。

在制作酸奶前，可以从设计（工程学）的角度出发，调研家庭成员对酸奶的口味、浓稠度、包装、容量等相关需求。根据“用户”的需求信息确定酸奶制作的配方及条件，比如糖的比例、辅料的成分、菌种的选择、发酵的温度等。明确配方的配比及条件需要运用数学、化学、物理等学科知识，配比有问题的酸奶会导致风味流失，甚至是发酵失败。制作酸奶最核心的知识是微生物发酵，即牛奶中细菌的生长使得牛奶中的乳糖被分解为乳酸。生产酸奶最常用的菌种有保加利亚乳酸菌、益生菌、乳双歧杆菌等，但是这些菌种并不是越多越好，而是需要根据口感和质地进行选择。学生在用酸奶机制作时，可选用1杯125mL的发酵型原味酸奶做菌种。在酸奶制作完成之后，非常重要的一个环节是包装和消毒。包装不仅关乎美观和产品的质感，也决定着酸奶的保存时效。消毒环节又涉及生物学、物理和化学知识。我们日常在超市里购买的酸奶是生产厂家在酸奶包装完成后，运用冷链物流技术运输到各地超市的。配送效率在物联网、区块链、智能化温控等前沿技术的运用下得到了显著的提升，这使我们买到的酸奶能够更新鲜。对于量身定做的酸奶，学生可以为自己的产品拟一份产品广告，推荐给家人们。虽然用酸奶机制作酸奶的过程相对较机械，但在此过程中，学生可以逐步掌握工厂生产酸奶的流程：原料奶清洗→器具消毒→加热→加辅料→加菌种→过滤→灌装→发酵→冷却→封杯→成品，同时还可以考虑产品设计、包装、售价、广告等问题。

基于实践法的跨学科教学可以通过STEM实践活动设计，以学科整合的方式使学科知识能得到重组和提升，强调了知识与现实世界的相互联系，鼓励学生自己动手去探索、去发现和解决问题，并最终转化为具有跨学科视野的科学能力。

4.基于综合法的跨学科教学

综合法是指多种科学方法的综合运用，将分析与综合方法、归纳与演绎方法、定量与定性方法等相结合，形成一个统一的整体。在初中生命科学跨学科教学中，单元教学最能与这种思想相契合。

单元教学是教师在对课程标准、教材等教学指导性资源进行深入地解读和剖析后，根据对教学内容的理解以及学生的情况和特点，对教学内容进行分析、整合、重组，形成相对完整的教学结构单元，并围绕该结构单元展开的教学活动。由于目标主题的内容常常会涉及其他的学科，所以在主题单元教学活动中融入学科交叉思想是顺理成章的。如在“动物与人类的生存和发展密切相关”主题单元教学中，选取鱼与人类的关系为主要内容介绍，先让学生观察水槽中的鲫鱼，探究鱼类在外部形态上与水中生活相适应的特点。有些特点可以用物理学原理来解释，如鱼的体形是纺锤形，在水中运动时，所受水流阻力最小。鱼的侧线能及时地觉察水流和振动频率的改变，还能对低频声起反应，从而在鱼类的索饵、洄游、集群、生殖及防御等生活过程中有一定的作用。教师由此提出问题：如果把鱼的侧线破坏掉，会有什么后果呢？可以引发学生查阅资料进行探究实验。接下去，解剖鲫鱼时，找到鱼鳔，教师可拓展延伸到工程学，鱼依靠调节鱼鳔中气体含量，促使鱼体自由沉浮，这一沉浮系统对于潜艇的设计有启发意义。另外，鱼肉是人类重要的动物蛋白质来源，那么在捕鱼时可以利用基于数学模型的种群增长曲线分析最佳捕鱼期。再拓展延伸到鱼类资源遭到破坏的情况，如赤潮现象，由此可分析赤潮产生的地理因素：沿海区的地理位置、地形特征、水文、气象、海流、海况等，是形成赤潮的自然因子。赤潮长消过程中各阶段的主要物理因素如水温、光照等，化学因素如盐类化合物、微量元素、赤潮生物生长促进剂等，生物因素如赤潮“种子”群落、动物摄食、物种间的竞争等控制因素，此类问题都是学生有兴趣探究的问题。对这些现象的解释要综合利用到生物、物理、化学和地理原理，反映了这些学科的紧密联系，学生既学到了知识，又提升了能力。

基于综合法的跨学科教学，涵盖了物理、化学、地理、生物等综合知识，它不再是简单的两门学科间的交叉，而是多学科的混搭；又糅合了多学科交叉方法的综合化问题，比如用物理知识解决了鱼的外形特征问题，属于移植法，解释赤潮现象属于辐射方法，探究破坏鱼的侧线的实验则属于实践法的运用。基于它的相对复杂性，综合法也可以看成跨学科教学中比较高级的指导方法。应用这一方法，需要教师对单元教学具有深入的研究。

交叉学科出成果既是历史的必然，也是科学发展到今天的一种走向。当代自然科学已经在悄然聚焦于生命科学，并且在把生命科学当作重点学科来研究，还借助其他学科的技术、视角和力量，形成了多学科交叉交融的景象。我们在生物教学中不但要有整合相关学科知识技能的综合意识，更要善于打破传统的分科界限，积极探寻生物与其他看似不相关学科的联系。只有这样，才能有效提高学生对生物知识的兴趣，使学生的跨学科综合能力得到提高，最终实现培养创造型人才的目标。