STEM理念下初中生命科學(xué)跨學(xué)科教學(xué)的案例分析

李顯軍 (上海市銅川學(xué)校 上海 200333)

跨學(xué)科教學(xué)是培養(yǎng)全面發(fā)展人才的一條有效途徑[1]。隨著課改的深入，我國對跨學(xué)科教學(xué)的研究日益重視，但也存在著一些盲區(qū)： 以生命科學(xué)學(xué)科為例，在筆者查閱的文獻(xiàn)中，大量的跨學(xué)科案例都是基于高中學(xué)段，且罕見STEM理念的運(yùn)用。初中生命科學(xué)跨學(xué)科教學(xué)的研究存在著數(shù)量少、內(nèi)容淺等問題。希望本文以基于STEM理念下的初中生命科學(xué)跨學(xué)科教學(xué)的分析，為初中生命科學(xué)跨學(xué)科教學(xué)提供一些創(chuàng)新思考與實(shí)踐案例。

1 移植法

移植法是借鑒或引用其他學(xué)科的知識(shí)為生命科學(xué)課堂服務(wù)，幫助解決生命科學(xué)的教學(xué)問題。這種跨學(xué)科的知識(shí)遷移旨在促進(jìn)學(xué)生對生命科學(xué)中某些具體知識(shí)點(diǎn)的理解和運(yùn)用,或者創(chuàng)設(shè)特定的教學(xué)情境等。如生命科學(xué)移植數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)學(xué)科知識(shí)的跨學(xué)科教學(xué)。

例如，在“人體的消化和吸收”一節(jié)中，介紹了小腸是人體消化和吸收的主要場所，這一功能是和小腸的結(jié)構(gòu)分不開的，小腸內(nèi)有很多環(huán)形皺襞，其表面有許多小腸絨毛，絨毛上又有微絨毛，也正是這些微小結(jié)構(gòu)使小腸的內(nèi)表面積比原來增大了近六百倍。這就涉及到數(shù)學(xué)中“物體的體積越小，其表面積相對較大”的知識(shí)[2]。同時(shí)，這些微絨毛的存在，也增大了小腸內(nèi)壁與食糜的摩擦力，延長了兩者的接觸時(shí)間，從而促進(jìn)小腸的消化和吸收功能，這又涉及到物理的“力學(xué)”知識(shí)。這種跨學(xué)科的知識(shí)移植也很好地解釋了“生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)”的觀點(diǎn)。在介紹消化和吸收的過程時(shí)，不可避免地要用到化學(xué)反應(yīng)知識(shí)。以淀粉為例，從淀粉如何變成葡萄糖，其間的一系列物質(zhì)變化都反映了化學(xué)與生命科學(xué)的密切聯(lián)系。葡萄糖被吸收后要為人體所利用，它是人體的主要能源物質(zhì)，學(xué)習(xí)能量變化時(shí)，自然會(huì)應(yīng)用到物理的能量守恒定律。雖然有些內(nèi)容要到高中時(shí)才接觸到，但初中時(shí)就對這些知識(shí)有效地整合有助于學(xué)生減少對高中“物質(zhì)和能量代謝”模塊學(xué)習(xí)的陌生度。關(guān)于生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一性方面，涉及到數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)還有很多，教師應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)生物學(xué)內(nèi)容時(shí)，不忘對數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用。既解決了生命科學(xué)的相關(guān)難點(diǎn)，又是其他學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用和延續(xù)，可謂一舉多得。

2 輻射法

輻射法是指以某一研究對象為中心，對研究內(nèi)容從各個(gè)不同的角度或側(cè)面進(jìn)行發(fā)散性的思考和實(shí)踐,擴(kuò)散到其他學(xué)科中去，充分發(fā)揮核心知識(shí)的“輻射”效應(yīng)，逐步實(shí)現(xiàn)多學(xué)科知識(shí)整體發(fā)展。如生命科學(xué)學(xué)科依靠拓展校本課程資源向地理、語文和政治等學(xué)科輻射。

例如，在“我們身邊的植物”一節(jié)教學(xué)中，教師借助本校資源，帶領(lǐng)學(xué)生在學(xué)校的本草園里上課。教師以“黃花蒿”植物為主題，將這一主題內(nèi)容輻射到地理、語文、歷史和政治學(xué)科領(lǐng)域，使多學(xué)科知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來。首先，向?qū)W生介紹黃花蒿是雙子葉植物綱、菊科、蒿屬，一年生草本植物。莖多分枝，葉紙質(zhì)，頭狀花序球形，花深黃色，瘦果小，花果期8—11月。然后，介紹黃花蒿可入藥，含抗瘧的有效成分青蒿素等相關(guān)植物學(xué)知識(shí)。接著，利用地理知識(shí)補(bǔ)充“黃花蒿遍及中國全境，在海拔3 650 m以下地區(qū)均有分布；生長在路旁、荒地、山坡、林緣、草原、干河谷和半荒漠等。廣布于歐洲、亞洲的溫帶、寒溫帶及亞熱帶地區(qū)。另外，還從亞洲北部遷入北美洲、并廣布于加拿大及美國”。然后朗誦《詩經(jīng)·小雅》“呦呦鹿鳴，食野之蒿。我有嘉賓，德音孔昭?！边@里的“蒿”指蒿草，原文大意是“一群鹿兒呦呦叫，在那原野吃蒿草。我有一批好賓客，品德高尚又顯耀。”自然就過渡到榮獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的中國科學(xué)家屠呦呦的生平事跡。此時(shí)，以青蒿素的發(fā)現(xiàn)和屠呦呦獲諾貝爾獎(jiǎng)為切入口講述科教興國戰(zhàn)略是振興中華的重要國策，以及青蒿素在中醫(yī)藥千年歷史中的地位和作用，體現(xiàn)了歷史和政治學(xué)科的內(nèi)容。在學(xué)生多維的知識(shí)量和多元的思維方面有積極作用，可形成多元化的價(jià)值觀、人生觀以及有一定的社會(huì)責(zé)任感。

3 實(shí)踐法

實(shí)踐法是指基于STEM課程，在充分調(diào)動(dòng)學(xué)生已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)STEM實(shí)踐活動(dòng)，提高他們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，提升溝通與合作能力、培育創(chuàng)新精神。

例如，在“微生物”一節(jié)的學(xué)習(xí)中，可以“發(fā)酵”“我為家庭做酸奶”等內(nèi)容為例，設(shè)計(jì)STEM活動(dòng)。在制作酸奶前，要從設(shè)計(jì)(工程)的角度出發(fā)，調(diào)研家庭成員對酸奶的口味、濃稠度、包裝和容量等相關(guān)需求。根據(jù)“客戶”的需求信息確定酸奶制作的配方及條件(如糖的比例、輔料成分、菌種的選擇和發(fā)酵的溫度等)。明確配方的配比及條件需要運(yùn)用數(shù)學(xué)、化學(xué)和物理等學(xué)科知識(shí)。配比有問題的酸奶會(huì)導(dǎo)致風(fēng)味流失，甚至是發(fā)酵失敗。制作酸奶最核心的知識(shí)是微生物發(fā)酵，即牛奶中細(xì)菌的生長使得牛奶中的乳糖被分解為乳酸。但是，并不是菌種越多越好，而是需要根據(jù)口感和質(zhì)地進(jìn)行選擇。學(xué)生在用酸奶機(jī)制作時(shí)，可選用1杯125 mL的發(fā)酵型原味酸奶做菌種。在酸奶制作完成后，包裝和消毒是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。包裝不僅關(guān)乎美觀和產(chǎn)品的質(zhì)感，也決定著酸奶的保存時(shí)效。消毒環(huán)節(jié)又涉及生物學(xué)、物理和化學(xué)知識(shí)。日常在超市里購買的酸奶是生產(chǎn)廠家在酸奶包裝完成后，運(yùn)用冷鏈物流技術(shù)運(yùn)來的。配送效率在物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈和智能化溫控等前沿技術(shù)運(yùn)用下得到了顯著的提升，這使買到的酸奶能夠保持新鮮。對根據(jù)“客戶”需求做的酸奶，學(xué)生可為自己產(chǎn)品擬一份產(chǎn)品廣告，推薦給家人和朋友們。雖然酸奶機(jī)制作酸奶過程相對比較簡單，但在此過程中學(xué)生也可以逐步掌握工廠生產(chǎn)酸奶的流程： 原料奶清洗→器具消毒→加熱→加輔料→加菌種→過濾→灌裝→發(fā)酵→冷卻→封杯→成品。同時(shí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生考慮到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、包裝、售價(jià)和廣告等問題。

4 綜合法

綜合法是指多種科學(xué)方法的綜合運(yùn)用，將分析與綜合方法、歸納與演繹方法、定量與定性方法等相結(jié)合,形成一個(gè)統(tǒng)一的整體。在初中生命科學(xué)跨學(xué)科教學(xué)中,單元教學(xué)最能與這種思想相契合。由于目標(biāo)主題所涉及的內(nèi)容也常常會(huì)涉及到其他學(xué)科,所以在主題單元教學(xué)活動(dòng)中融入學(xué)科交叉思想是順理成章的[3]。

例如，在“動(dòng)物與人類的生存和發(fā)展密切相關(guān)”一節(jié)的主題單元教學(xué)中，選取魚與人類的關(guān)系為主要內(nèi)容介紹。先讓學(xué)生觀察水槽中的鯽魚，探究魚類在外部形態(tài)上與水中生活相適應(yīng)的特點(diǎn)。有些特點(diǎn)可用物理學(xué)原理來解釋，如： 魚的體形是紡錘形，在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受水流阻力最小；魚的側(cè)線能及時(shí)地覺察水流和振動(dòng)頻率的改變，還能對低頻聲起反應(yīng)，從而在魚類的索餌、洄游、集群、生殖和防御等生活過程中有一定的作用。教師由此提出問題： 如果把魚的側(cè)線破壞掉，會(huì)有什么后果？可引發(fā)學(xué)生查閱資料去進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。在解剖鯽魚時(shí)找到魚鰾，教師可拓展延伸到工程學(xué)： 魚依靠調(diào)節(jié)魚鰾中氣體含量,促使魚體自由沉浮，這一沉浮系統(tǒng)對于潛艇的設(shè)計(jì)有啟發(fā)和幫助。另外，魚肉是人類重要的動(dòng)物蛋白質(zhì)來源，那么在捕魚時(shí)可利用數(shù)學(xué)模型的種群增長曲線來分析最佳捕魚期，再拓展延伸到魚類資源遭到破壞的情況。如赤潮現(xiàn)象，由此可分析赤潮產(chǎn)生的地理因素(沿海區(qū)的地理位置、地形特征、水文、氣象、海流和海況等，都是形成赤潮的自然因子)、赤潮長消過程中各階段的主要物理因素(如水溫、鹽度和光照等)、化學(xué)因素(如營養(yǎng)鹽、微量元素和赤潮生物生長促進(jìn)劑等)、生物因素(如赤潮“種子”群落、動(dòng)物攝食和物種間競爭等控制因素)，此類問題都是學(xué)生有興趣探究的問題。并且對這些現(xiàn)象的解釋要綜合利用到生物、物理、化學(xué)和地理學(xué)的原理,反映了這些學(xué)科是緊密聯(lián)系的，學(xué)生既學(xué)到了綜合知識(shí)又提升了探究能力。