在研究性學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科素養(yǎng)

馬育國(guó)

傳統(tǒng)的分科學(xué)習(xí)中，語數(shù)外等各門學(xué)科知識(shí)條塊分割，互不干涉。學(xué)生各學(xué)科的知識(shí)體系也相對(duì)獨(dú)立，缺少系統(tǒng)的融合互通，影響學(xué)生對(duì)問題的綜合思考和協(xié)調(diào)處理?？鐚W(xué)科學(xué)習(xí)不僅是針對(duì)某個(gè)學(xué)科的改革，它更是一個(gè)切入點(diǎn)，會(huì)對(duì)教育領(lǐng)域的綜合改革起“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的作用，會(huì)促進(jìn)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新和課程的改革，并對(duì)基礎(chǔ)教育、高等教育、繼續(xù)教育等領(lǐng)域都會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)性影響。

因此，加強(qiáng)跨學(xué)科學(xué)習(xí)，提高教師跨學(xué)科教學(xué)水平，是適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)新常態(tài)對(duì)人才培養(yǎng)訴求的重大要求。它對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和推進(jìn)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)都具有非常重要的意義，不能僅僅把跨學(xué)科學(xué)習(xí)作為教育內(nèi)部的一種理念和方法，而必須站在為國(guó)家建設(shè)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的高度來看問題，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人才需求、人才培養(yǎng)的角度統(tǒng)籌考慮，整合全社會(huì)的資源推動(dòng)跨學(xué)科學(xué)習(xí)的發(fā)展。

跨學(xué)科學(xué)習(xí)還可以起到打破這種各學(xué)科之間“雞犬之聲相聞，老死不相往來”的現(xiàn)狀，讓學(xué)生能綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)，舉一反三地解決遇到的實(shí)際問題。這對(duì)增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，都具有極為重要的意義。生物教師在指導(dǎo)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)時(shí)，我們可以讓生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)踐與研究性學(xué)習(xí)進(jìn)行有效的結(jié)合，在研究性學(xué)習(xí)中實(shí)踐實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作，提高學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的水平和生物實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，創(chuàng)建跨學(xué)科之間融洽、和諧關(guān)系。通過自己的實(shí)踐，有以下的一些收獲。

一、選題要與時(shí)俱進(jìn)

新課改下的生物教材呈現(xiàn)了更多的實(shí)驗(yàn)和探究性課題，教師不僅要引領(lǐng)學(xué)生依據(jù)教材實(shí)驗(yàn)原理、方法，完成實(shí)驗(yàn)的操作流程，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問題進(jìn)一步作為課題來進(jìn)行深層次的、擴(kuò)展性研究，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于生物科學(xué)與人類的生活、健康、環(huán)境和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等有著密切的關(guān)系，所以生物學(xué)科就在跨學(xué)科研究中起到了非常重要的支撐作用，在指導(dǎo)學(xué)生選題時(shí)素材廣泛、內(nèi)容豐富。同時(shí)要避免出現(xiàn)進(jìn)入新的誤區(qū)，高中階段我們指導(dǎo)學(xué)生選題時(shí)要做好學(xué)生的舵手，不能單純的隨部分學(xué)生的趣味性選題，我們可以科學(xué)原理和基本技能為基石，以學(xué)生的追求為動(dòng)力，以年度諾獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)等大獎(jiǎng)等信息作為研究的指引，以培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科研究能力為最終目標(biāo)。這就要求我們?cè)诮o學(xué)生提供研究性課題的選材時(shí)要把握時(shí)代的潮流，要源于教材，進(jìn)入生活、服務(wù)社會(huì)的選擇課題。

例如高中生物教材選擇性必修二中種群數(shù)量特征中有樣方法調(diào)查植物種群密度的實(shí)驗(yàn)。在跨學(xué)科的研究性學(xué)習(xí)中，我們不應(yīng)很平淡，介紹實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)的材料、步驟等等，并提供一個(gè)打印好的草地是植物的圖片，讓學(xué)生們?cè)诩埰献鲆粋€(gè)模擬的實(shí)驗(yàn)過程，最后大家都很輕松的得出了種群的密度，看起來學(xué)習(xí)的效果非常的完美。這樣的紙頭上的實(shí)驗(yàn)在學(xué)生的印象中是非常淺淺的。我給學(xué)生提供了《學(xué)校植物園內(nèi)薺菜種群密度的調(diào)查研究》這樣的一個(gè)課題，在這個(gè)課題中，我們不是單純的做一個(gè)實(shí)地的調(diào)查密度，而是開展了跨學(xué)科的研究性學(xué)習(xí)。首先學(xué)生查找資料來認(rèn)識(shí)這種植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，了解它的生活史。然后準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的材料，動(dòng)手制作簡(jiǎn)單的樣方標(biāo)尺，同學(xué)們分組合作明確每個(gè)人的具體分工，有人確定樣方，有人收集樣方，有人統(tǒng)計(jì)整理數(shù)據(jù)，有人發(fā)言。隨后帶領(lǐng)同學(xué)們來到學(xué)校的植物園進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的取樣調(diào)查。同學(xué)們興高采烈地的進(jìn)行課外調(diào)查實(shí)踐，順利地完成了對(duì)薺菜的種群數(shù)量的調(diào)查研究。同學(xué)們把收集的薺菜清洗干凈，和準(zhǔn)備好的其他食材一起，動(dòng)手包起來美味的薺菜餛飩，大家吃的不亦樂乎，圓滿地完成了跨學(xué)科下研究性學(xué)習(xí)任務(wù)。

有些精力充沛的同學(xué)還采集了多種其他植物標(biāo)本，對(duì)于這些課題以外的活動(dòng)我并沒有簡(jiǎn)單的給予制止，而是引導(dǎo)同學(xué)們拓展了研究?jī)?nèi)容。我請(qǐng)同學(xué)們查找資料來認(rèn)識(shí)這些植物，了解這些植物的直接價(jià)值、間接價(jià)值和潛在價(jià)值。有同學(xué)通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)了自己手里的植物竟然是大名鼎鼎的加拿大一枝黃花，我就請(qǐng)他給大家介紹這種植物對(duì)我們環(huán)境造成的巨大危害：加拿大一枝黃花原產(chǎn)于北美洲，主要通過地下根莖和種子兩種途徑進(jìn)行傳播。1935年作為觀賞植物引入中國(guó)，是外來生物。引種后逸生成雜草，并且是惡性雜草。在放任其生長(zhǎng)后，“黃花開處百花殘”。加拿大一枝黃花破壞性主要表現(xiàn)為抑制入侵地其它植物生長(zhǎng)，與周圍植物爭(zhēng)陽光、爭(zhēng)肥料，能分泌一種物質(zhì)抑制其它植物生長(zhǎng)，破壞生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)田形成較大危害。據(jù)上海植物專家統(tǒng)計(jì)，近幾十年來，加拿大一枝黃花已導(dǎo)致30多種鄉(xiāng)土植物物種消亡。故把加拿大一枝黃花稱為生態(tài)殺手、霸王花。

同學(xué)們紛紛表示，如果看見這種植物就一定要斬草除根、徹底的清除干凈！這樣我們的研究性課題就從生物學(xué)科跨到了社會(huì)學(xué)科，全面的培養(yǎng)了學(xué)生的綜合性的思維素養(yǎng)。如何來干凈徹底的清除加拿大一枝黃花呢？這樣的問題對(duì)同學(xué)們來說就是一個(gè)跨學(xué)科的綜合能力的考驗(yàn)，經(jīng)過大家的熱烈討論，最后總結(jié)了以下的清除方法：1.焚燒。將其花穗剪去，將地上部分和塊狀莖拔出，之后將這些盡快集中焚燒干凈，防止種子、根狀莖和拔出部分的傳播擴(kuò)散。2.藥劑防治。在加拿大一枝黃花的出苗季節(jié)和開花前后，利用藥劑對(duì)植株進(jìn)行防治，防治的藥劑主要是有：用“草甘磷”和“一把火”在開花以前混合噴灑;利用草甘磷和洗衣粉5：1的比例混合在其幼苗期進(jìn)行防治;也可使用其它滅生性除草劑進(jìn)行防治。3.加強(qiáng)綠地農(nóng)田管理，深翻土壤，研究發(fā)現(xiàn)，種子上覆蓋10厘米的厚土就會(huì)無法萌發(fā)。

二、設(shè)計(jì)方案要進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，開拓學(xué)生的創(chuàng)新維能力

為了提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和實(shí)際的操作能力，老師先給出三項(xiàng)基本原則：一是要有科學(xué)性，要遵循對(duì)照原則和單因子變量原則等實(shí)驗(yàn)原則;二是要求合理性和易操作性;三是發(fā)揮個(gè)人的主觀能動(dòng)性與小組內(nèi)的分工合作精神相結(jié)合。隨后請(qǐng)學(xué)生自主分組，開始方案的設(shè)計(jì)。學(xué)生們通過自己的頭腦風(fēng)暴提出各自的方案，經(jīng)過相互思想的交流互動(dòng)，最后確定小組的研究方案。接著選擇比較典型的幾個(gè)方案來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，觀察現(xiàn)象，最后選出最佳的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

例如在新教材高中生物必修一中，《生物組織中的還原糖、脂肪和蛋白質(zhì)的鑒定》是非?；A(chǔ)的實(shí)驗(yàn)，我們嘗試把這個(gè)實(shí)驗(yàn)和生活社會(huì)聯(lián)系起來，開展跨學(xué)科的素養(yǎng)培養(yǎng)。首先是探究檢測(cè)還原性糖的的方法有哪些？經(jīng)過資料查閱，發(fā)現(xiàn)有三類方法：1、課本介紹的斐林試劑：斐林試劑由質(zhì)量濃度為每毫升0.1g的氫氧化鈉溶液和質(zhì)量濃度為每毫升0.05g的硫酸銅溶液配制而成，二者混合后，立即生成淡藍(lán)色的氫氧化銅沉淀。氫氧化銅與加入的葡萄糖在加熱的條件下，能夠生成磚紅色的氧化銅沉淀，而葡萄糖本身則氧化成葡萄糖酸;2、利用班氏試劑：班氏試劑由硫酸銅溶液、檸檬酸鈉和碳酸溶液配制而成。將三者混合，邊加邊攪，如有沉淀可過濾。實(shí)驗(yàn)原理與斐林試劑相似，所不同的是班氏試劑可長(zhǎng)期使用;3、利用銀氨溶液：銀氨溶液是在百分之二的氮氧化銀溶液中逐滴滴入還原性糖，會(huì)出現(xiàn)銀鏡反應(yīng)現(xiàn)象。以上的方法請(qǐng)同學(xué)們自己分組，討論制定實(shí)驗(yàn)的步驟和流程，開展小組實(shí)驗(yàn)，觀察和分析實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，最后再做小組間的交流展示。通過這樣的一系列的活動(dòng)，使得同學(xué)們的跨學(xué)科素養(yǎng)得到了很大的提升。

同學(xué)們還在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了《探究自己膳食結(jié)構(gòu)是否合理的研究》。他們根據(jù)生物學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)自己膳食是否合理。這樣的研究目標(biāo)是非常的有吸引力的，非常的接地氣的，也是非常辛苦的，需要學(xué)生查找大量的數(shù)據(jù)。例如健康的人每天需要攝入的蛋白質(zhì)、糖類和脂肪的量，如何具體的檢測(cè)各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)成分尤其是定量的檢測(cè)等等項(xiàng)目。雖然工作量很大，但是每個(gè)同學(xué)都是熱情高漲，積極地完成了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，而且不同的同學(xué)選擇鑒定的食物也是五花八門，小組再進(jìn)行討論評(píng)價(jià)，選出一些優(yōu)秀的方案。老師建議學(xué)生對(duì)他們的材料給予歸類，不同小組做不同類型是食物中營(yíng)養(yǎng)成分的鑒定，而且對(duì)原料中營(yíng)養(yǎng)和最終端上餐桌的美食中營(yíng)養(yǎng)進(jìn)去對(duì)照，最后是各個(gè)小組交流匯報(bào)。通過這個(gè)跨學(xué)科的研究性學(xué)習(xí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中一些快餐類食物油炸過后糖類和蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)含量降低了，而油脂的含量升高了，營(yíng)養(yǎng)成分相應(yīng)的降低了;另一方面，學(xué)生的實(shí)踐操作能力得到了積極的提升。好多同學(xué)表示以后要選擇更加健康的飲食習(xí)慣。總之，學(xué)生的綜合素養(yǎng)在跨學(xué)科研究性學(xué)習(xí)中得到了全面的發(fā)展。

三、實(shí)踐是檢驗(yàn)成果的唯一標(biāo)準(zhǔn)

“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”。在跨學(xué)科的研究性學(xué)習(xí)的過程中，我們不是對(duì)教材中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)做一個(gè)簡(jiǎn)單的重復(fù)！我們鼓勵(lì)學(xué)生開展頭腦思維風(fēng)暴，吐露自己的求知欲。在很多時(shí)候，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的一些疑惑進(jìn)行深度的探究，帶著自己的疑惑去仔細(xì)的觀察現(xiàn)象，深刻感悟優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)在緣由。例如在還原糖的鑒定中需要新鮮配制的斐林試劑，水浴60℃加熱，有同學(xué)就水浴加熱需要的溫度展開了調(diào)查研究，他設(shè)置了50℃、60℃、70℃、80℃、90℃和沸水浴的溫度梯度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，50℃需要80分鐘才能看見磚紅色沉淀，溫度越高，出現(xiàn)磚紅色沉淀的時(shí)間就越短。這個(gè)發(fā)現(xiàn)，可以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，在加入新鮮配制的1ml斐林試劑后，震蕩后在燒杯中加入一定量的開水，觀察現(xiàn)象，可以縮短實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)的效率。

關(guān)于酶的實(shí)驗(yàn)探究課本上前前后后涉及4個(gè)實(shí)驗(yàn)，這足以說明其的重要性！他們依次是：探究過氧化氫在不同條件下的反應(yīng)，探究淀粉酶的專一性，酶需要適宜的pH值和溫度。4個(gè)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了淀粉酶和過氧化氫酶。我們的同學(xué)圍繞這個(gè)酶開展了一系列的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)討論后，實(shí)踐了各項(xiàng)基本的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，通過對(duì)現(xiàn)象的分析也得出了科學(xué)的結(jié)論，整個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅培養(yǎng)了他們科學(xué)思維能力還提高了科學(xué)實(shí)踐水平。有同學(xué)突發(fā)奇想：在探究酶需要適宜的溫度時(shí)，是以淀粉作為底物的，而探究酶需要適宜的pH值時(shí)，又是以過氧化氫作為底物。那么，能不能只用一種底物來探究溫度和pH值對(duì)酶活性的影響呢？這樣做，豈不是可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的器材配制，提高實(shí)驗(yàn)的效率？對(duì)于學(xué)生的頭腦風(fēng)暴我沒有直接的給出結(jié)論，而是鼓勵(lì)他們形成團(tuán)隊(duì)，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自己的思想。于是，這些同學(xué)結(jié)合自身的物理、化學(xué)知識(shí)開展了跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)探究。經(jīng)過精心的準(zhǔn)備，反復(fù)的實(shí)驗(yàn)操作，他們最終發(fā)現(xiàn)了當(dāng)初的設(shè)想是有偏差的：由于過氧化氫高溫下會(huì)分解，所以不適宜用來探究溫度對(duì)酶活性的影響，而淀粉會(huì)被強(qiáng)酸水解生成還原性糖，所以不能用淀粉的水解來探究酶需要適宜的pH值。在過酸的條件下，盡管淀粉酶已經(jīng)失活，但是強(qiáng)酸下淀粉會(huì)被催化生成還原性糖。實(shí)驗(yàn)出真知！我們的跨學(xué)科研究在模仿-實(shí)踐-探究-改進(jìn)-再實(shí)踐的道路上奮勇前進(jìn)！

總之，我們認(rèn)為，在跨學(xué)科思想指導(dǎo)下的研究性學(xué)習(xí)不僅提高了學(xué)生的操作技能素養(yǎng)，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力，增強(qiáng)了學(xué)科之間的綜合應(yīng)用能力;同時(shí)也對(duì)學(xué)生個(gè)人社會(huì)發(fā)展觀提供了廣闊的思路！