巧用“學(xué)科交叉”，助力學(xué)生生物核心素養(yǎng)培養(yǎng)

華激文

【摘要】《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》實施中的核心任務(wù)是“提高每個高中生的生物科學(xué)素養(yǎng)”。本文結(jié)合自己的教學(xué)體會，以人教版生物學(xué)教材的五個模塊為例，列舉相關(guān)素材，從“數(shù)學(xué)建?！薄傲孔永碚摗薄吧瘜嶒灐比齻€方面介紹學(xué)科交叉內(nèi)容在助力學(xué)生生物核心素養(yǎng)培養(yǎng)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】學(xué)科交叉；科學(xué)思維；核心素養(yǎng)

雪莉·蒂爾曼（人類基因圖譜破譯）主要參與者認(rèn)為，生物學(xué)習(xí)應(yīng)該包括更多的數(shù)學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)。在高中生物教學(xué)中，教師深入淺出地介紹生物學(xué)研究的前沿課題——學(xué)科交叉在生命科學(xué)研究中的運用，對激發(fā)學(xué)生興趣、拓展學(xué)生的視野、培養(yǎng)科學(xué)探究意識等具有重要的意義。

本文結(jié)合筆者的教學(xué)體會，以人教版生物學(xué)教材的五個模塊為例，列舉相關(guān)素材，從“數(shù)學(xué)建?！薄傲孔永碚摗薄⑸瘜嶒灐比齻€方面介紹學(xué)科交叉內(nèi)容在助力學(xué)生生物核心素養(yǎng)培養(yǎng)中的應(yīng)用。

一、在“數(shù)學(xué)建模”中發(fā)現(xiàn)生物奧秘，形成“生命觀念”

很多人都覺得生物學(xué)跟數(shù)學(xué)沒什么關(guān)系。其實，生物學(xué)是大量應(yīng)用數(shù)學(xué)的：小麥的分蘗，是圍繞著圓柱形的莖按黃金分割進(jìn)行排列和展開的；著名數(shù)學(xué)家笛卡爾在研究花瓣和葉形的曲線時發(fā)現(xiàn)了“笛卡爾曲線”，生物的許多實際應(yīng)用問題滲透了數(shù)學(xué)知識，比如，遺傳學(xué)中數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法的應(yīng)用、生物信息學(xué)（基因組測序）中的大數(shù)據(jù)分析等等，舉不勝舉。教師可以把“數(shù)學(xué)建?！弊鳛榘l(fā)現(xiàn)科學(xué)事實，揭示科學(xué)規(guī)律的過程和方法，在生物教學(xué)中有效地運用，從而使一些重難點化繁為簡，既深化學(xué)生對知識的理解，又培養(yǎng)他們的科學(xué)思維能力。

例如，必修3《種群和群落》一章“種群數(shù)量的變化”中，以“細(xì)菌”研究對象，“每20min分裂一次，建模建構(gòu)種群增長模型，即構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。目的是探究細(xì)菌種群數(shù)量的變化特點，進(jìn)一步解釋生物現(xiàn)象，揭示生命活動規(guī)律。學(xué)生通過填表，得出細(xì)菌增殖的特點滿足指數(shù)函數(shù)的形式進(jìn)行增長，可以用Nn=2n的數(shù)學(xué)形式表達(dá)。接著，教師可以讓學(xué)生以時間為橫坐標(biāo)，細(xì)菌數(shù)量為縱坐標(biāo)，畫出細(xì)菌的種群增長曲線，并指出曲線圖是數(shù)學(xué)建模的另一種表現(xiàn)形式，與數(shù)學(xué)方程式相比，能更直觀地反映出種群數(shù)量的增長趨勢。

由于生物學(xué)中存在許多不確定因素和例外的現(xiàn)象，導(dǎo)致大量現(xiàn)象與規(guī)律極為復(fù)雜，因而對于數(shù)學(xué)模型，我們還要通過實驗或觀察進(jìn)行檢驗和修正，所以數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建是一個不斷發(fā)展和完善的過程。如，當(dāng)出現(xiàn)天敵和競爭者，受到疾病等的威協(xié)、資源和空間有限等，就會構(gòu)建出另一增長曲線——“S型增長曲線”；隨著有害代謝終產(chǎn)物產(chǎn)生，生活資源的消耗，種群中的生物體可能發(fā)生基因突變產(chǎn)生新的性狀，也可能大量死亡，由此又會產(chǎn)生新的增長曲線……通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，學(xué)生對生物種群數(shù)量的變化過程就有了更深刻的認(rèn)識，從而在發(fā)現(xiàn)生物的奧秘的同時，形成動態(tài)的“生命觀念”。

人教版教材高中生物學(xué)科中涉及到構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的內(nèi)容有很多。例如，溫度、pH值、底物濃度與酶促反應(yīng)的關(guān)系；生長素的兩重性以及植物不同器官對生長素的敏感程度；利用哈迪-溫柏格定律進(jìn)行遺傳幾率的計算；光合作用速率的變化曲線等等，讓學(xué)生結(jié)合數(shù)學(xué)與生物的知識進(jìn)行綜合分析、解答，有利于學(xué)生把抽象的東西轉(zhuǎn)化為具體化的知識，求同存異解決一些生物學(xué)實際問題，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式。

二、在“量子理論”中形成理性思維、著眼“知情交融”

隨著人們對生物學(xué)認(rèn)知極限問題的科學(xué)探索，已有越來越多的研究表明，特定的生物系統(tǒng)可能真的應(yīng)用著量子力學(xué)，中學(xué)生物教學(xué)介紹生物學(xué)研究的前沿課題——量子力學(xué)在生命科學(xué)研究的運用，可以引發(fā)學(xué)生關(guān)注學(xué)科交叉、激發(fā)學(xué)生主動思考、建構(gòu)正確生物規(guī)律，從而助力學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

高中生物教材中，無論是“分子與細(xì)胞”模塊中的光合作用，還是“遺傳與進(jìn)化”模塊中鳥類的遷徙機(jī)制，亦或是“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊中大腦工作原理、人類感覺（嗅覺）等的形成原因，亦或都要用量子理論才能解釋清楚。例如，進(jìn)行“光合作用”一課時，可以介紹，美國科學(xué)家的最新發(fā)現(xiàn)：某些喜陰植物通過自己藍(lán)暈色葉子，利用量子力學(xué)原理使光合作用高效進(jìn)行，從而適應(yīng)極度弱光的環(huán)境條件。綠色植物在光合作用中表現(xiàn)出了量子計算的能力，這是量子糾纏的一種運用?？梢?，植物將太陽能轉(zhuǎn)化為供生物生長存活的化學(xué)與生物能源是量子效應(yīng)的幫助，微觀世界的量子效應(yīng)真的非常奇異。

再如，介紹生態(tài)系統(tǒng)的功能“信息傳遞”時，可以介紹英國牛津大學(xué)科學(xué)家的最新發(fā)現(xiàn)：知更鳥在遷徙時，是利用眼睛中一個基于量子糾纏態(tài)的指南針，來感知地球磁場微弱的變化，從而指導(dǎo)它們的飛行的。

中學(xué)生物學(xué)教學(xué)，不僅要傳道解惑生物學(xué)的基本知識和理論，更要帶領(lǐng)學(xué)生不懈追問并了解生命科學(xué)的最新進(jìn)展，量子力學(xué)的奇異特性或?qū)椭鷮W(xué)生對超微觀世界這個極其美妙的量子世界形成理性思維、著眼“知情交融”。

三、在“生化實驗”中培養(yǎng)學(xué)生探究能力、走向“知能并重”

生命活動中既有物理變化，又有化學(xué)變化，“物質(zhì)出入細(xì)胞的方式——主動運輸”中，通過載體蛋白的協(xié)助，細(xì)胞把物質(zhì)從低濃度一側(cè)運輸?shù)礁邼舛纫粋?cè)，這個過程需要消耗細(xì)胞內(nèi)的ATP水解來提供能量，ATP的水解即化學(xué)變化。再如，有絲分裂，在分裂間期中，DNA分子的復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成，屬于化學(xué)變化；在分裂期中，染色體完成一系列的行為需要的能量直接來自于ATP的水解，細(xì)胞又通過葡萄糖等有機(jī)物的分解而源源不斷地合成新的ATP，這里ATP的水解和合成都屬于化學(xué)變化，這樣的例子舉不勝舉。

在進(jìn)行這些章節(jié)的教學(xué)時，教師可以提醒學(xué)生借助化學(xué)知識作出回答。例如，《降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶》一節(jié)內(nèi)容，課標(biāo)要求學(xué)生能理解。學(xué)生初中所學(xué)消化酶以及高中所學(xué)蛋白質(zhì)和核酸的知識，都為本節(jié)的知識學(xué)習(xí)打好了良好的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。本節(jié)課，筆者在說明對照實驗要遵循“控制單一變量原則”和“設(shè)置對照實驗”的基礎(chǔ)上，模擬演示斯帕蘭札尼的經(jīng)典實驗：肉脯（繩子系著），讓學(xué)生思考：食物的消化到底是只有物理性消化呢，還是另有化學(xué)性消化呢？這個實驗要解決什么問題？“為什么要這樣設(shè)計？有何妙處？” 是什么物質(zhì)使肉塊消失了？怎樣才能證明你的推測？在滴入肝臟研磨液和氯化鐵溶液時，可否共用一個吸管？該實驗觀察和檢驗的指標(biāo)是什么？在控制變量方面，教師結(jié)合本實驗，組織學(xué)生共同分析：變量、自變量、因變量、無關(guān)變量的概念，以及如何控制自變量？觀察分析因變量？保持無關(guān)變量一致？通過以上與化學(xué)相關(guān)的問題，培養(yǎng)學(xué)生觀察分析、自主探索的思維能力，從而讓學(xué)生在“生化實驗”中走向知能并重。

研究生命科學(xué)的科學(xué)家由各個學(xué)科匯聚而來，近年來，在發(fā)達(dá)國家已成明顯趨勢，學(xué)科間的交叉滲透造成了許多前景無限的生長點。物聯(lián)網(wǎng)時代，教師應(yīng)樂于接受新事物，從培養(yǎng)學(xué)生“積極主動思考，生動活潑參與”的角度出發(fā)，給予學(xué)生足夠的思考空間和時間進(jìn)行質(zhì)疑、觀察、思考，巧用學(xué)科交叉內(nèi)容，助力生物核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張麗萍.生物化學(xué)簡明教程（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

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