學(xué)科核心素養(yǎng)理念下跨學(xué)科教學(xué)思考與設(shè)計(jì)
——以“細(xì)胞膜成分的探索”為例

楊心媛 字 發(fā) 范麗仙*

（1.云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 云南昆明 650504）

（2.云南省玉溪第一中學(xué) 云南玉溪 653100）

新課改以來，人教版生物學(xué)新教材中增設(shè)學(xué)科交叉模塊，學(xué)科綜合化的發(fā)展趨勢越來越明顯。在實(shí)際教學(xué)中，生物學(xué)某些重要概念的構(gòu)建需要以其他學(xué)科的知識(shí)、方法或技術(shù)為基礎(chǔ)才能突破；某些重要現(xiàn)象需要結(jié)合其他學(xué)科的理論才能解釋。因此，高中階段進(jìn)行跨學(xué)科教學(xué)十分必要。

1 核心素養(yǎng)與跨學(xué)科教學(xué)

21世紀(jì)，核心素養(yǎng)成為引領(lǐng)國際教育改革的主流理念。高中階段各個(gè)學(xué)科依據(jù)學(xué)科特點(diǎn)提出了各自的核心素養(yǎng)（表1）。不同學(xué)科的核心素養(yǎng)既有差異，又存在共性。例如，生物學(xué)與化學(xué)都提出了科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任，生物學(xué)與物理都提出了科學(xué)思維，不同學(xué)科都從學(xué)科屬性出發(fā)強(qiáng)調(diào)不同方面，本質(zhì)上是各學(xué)科領(lǐng)域?qū)ν缓诵乃仞B(yǎng)培養(yǎng)的側(cè)重點(diǎn)不同。

表1 普通高中部分學(xué)科核心素養(yǎng)

跨學(xué)科教學(xué)也稱學(xué)科交叉教學(xué)，指在某一學(xué)科的教學(xué)過程中，主動(dòng)、有序且有機(jī)地聯(lián)系其他學(xué)科，滲透相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，建立知識(shí)和能力的綜合性網(wǎng)絡(luò)。教師在培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的過程中，適當(dāng)采用跨學(xué)科教學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)科之間的雙贏。

2 核心素養(yǎng)理念下“細(xì)胞膜成分的探索”跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教材分析與設(shè)計(jì)思路

“細(xì)胞膜成分的探索”位于人教版必修一第三章第一節(jié)“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能”中。該部分內(nèi)容以時(shí)間為線索，用科學(xué)史的形式呈現(xiàn)科學(xué)家們對(duì)細(xì)胞膜成分的探索歷程，既承接上文對(duì)細(xì)胞膜功能的介紹，又開啟下文對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)組成的學(xué)習(xí)，具有橋梁作用?？茖W(xué)家們?cè)谔剿鬟^程中運(yùn)用了其他學(xué)科的知識(shí)及方法來解決生物學(xué)問題。因此教師在授課時(shí)，以科學(xué)史為主線，緊緊圍繞“細(xì)胞膜的成分”這一核心問題展開教學(xué)，并輔以相應(yīng)的跨學(xué)科知識(shí)，能夠幫助學(xué)生拓展思維，更好地理解科學(xué)家們探索細(xì)胞膜成分的歷程，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.2 教學(xué)流程

2.2.1 情境導(dǎo)入

教師播放“人造細(xì)胞膜”研制成功的新聞，創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生思考：人造細(xì)胞膜在生活中運(yùn)用廣泛，這一成就的取得離不開一代又一代科學(xué)家的努力。細(xì)胞膜是由什么成分組成的？由此，教師帶領(lǐng)學(xué)生重溫細(xì)胞膜的探索歷程。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用細(xì)胞膜研究成果在生活中的應(yīng)用激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)研究是為了造福人類，研究成果的取得需要付出不懈的努力；同時(shí)，借助新聞引出核心問題——細(xì)胞膜的成分，為下文做鋪墊。

2.2.2 推理細(xì)胞膜的主要成分

教師展示歐文頓實(shí)驗(yàn)的相關(guān)資料，請(qǐng)學(xué)生結(jié)合時(shí)代背景自行歸納歐文頓研究的問題，并根據(jù)證據(jù)，嘗試提出假說。教師追問：該假說是否正確？如何通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證？學(xué)生討論教材內(nèi)容，得出：組成細(xì)胞膜的脂質(zhì)有磷脂和膽固醇，磷脂的含量最多。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生分析資料，讓學(xué)生體會(huì)提出假說的科學(xué)方法，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維。

2.2.3 分析磷脂分子的特性

教師展示磷脂分子的結(jié)構(gòu)式和脂肪的結(jié)構(gòu)式，請(qǐng)學(xué)生對(duì)比兩者的異同，推測磷脂分子具有的特性。學(xué)生比較后，發(fā)現(xiàn)磷脂分子的尾部由脂肪酸構(gòu)成，提出磷脂分子尾部不溶于水的特性。教師介紹組成磷脂分子各基團(tuán)的化學(xué)性質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生說出磷脂分子頭部親水的特性，并引導(dǎo)學(xué)生選用適宜的材料（鐵絲、超輕黏土等）制作一個(gè)磷脂分子。

設(shè)計(jì)意圖：教師從學(xué)生已有的知識(shí)出發(fā)，通過引導(dǎo)學(xué)生比較磷脂和脂肪的結(jié)構(gòu)式來理解磷脂分子的特性，既可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶，也有助于學(xué)生理解磷脂分子頭部親水尾部疏水的特點(diǎn)。

2.2.4 探究磷脂分子的排布

教師展示科學(xué)家戈特和格倫德爾的研究故事，提出問題：組成一個(gè)細(xì)胞的磷脂分子面積與細(xì)胞表面積有什么關(guān)系？能否用字母表示出來？學(xué)生小組討論得出關(guān)系式“Y=2X（“Y”代表空氣-水界面上單層脂質(zhì)分子的面積，“X”代表紅細(xì)胞的表面積）”。教師提問：細(xì)胞中磷脂分子排列為連續(xù)兩層的原因？在學(xué)生分析、討論后，教師追問：水—苯混合溶劑中磷脂分子如何排列？并引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖：“Y=2X”關(guān)系式不僅可以表示單層磷脂分子與細(xì)胞表面積的關(guān)系，還可以表示細(xì)胞膜與磷脂分子層之間的關(guān)系。一層細(xì)胞膜代表一層磷脂雙分子層也代表兩層磷脂分子層。教師利用簡潔的數(shù)學(xué)公式，幫助學(xué)生突破難點(diǎn)。

2.2.5 探究細(xì)胞膜的表面張力

教師提出問題：細(xì)胞膜中除了脂質(zhì)，還有沒有其他成分？學(xué)生回歸教材，得出：細(xì)胞膜還可能附有蛋白質(zhì)。教師帶領(lǐng)學(xué)生梳理細(xì)胞膜可能附有蛋白質(zhì)的證據(jù)：細(xì)胞膜的表面張力明顯低于油水界面的表面張力，油脂表面附有蛋白質(zhì)則表面張力會(huì)下降。并要求學(xué)生根據(jù)所提供的材料（植物油、清水、蛋白粉等）小組合作設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，證明細(xì)胞膜中可能附有蛋白質(zhì)。

設(shè)計(jì)意圖：表面張力是學(xué)生較為陌生的知識(shí)，教師在教學(xué)過程中通過模擬實(shí)驗(yàn)將看不見的表面張力大小轉(zhuǎn)換為可見的油脂在水面擴(kuò)散面積的大小，提升學(xué)生思維的靈活性。設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)也能夠進(jìn)一步提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。

3 跨學(xué)科設(shè)計(jì)分析

該教學(xué)片段中包含磷脂分子的結(jié)構(gòu)與特性、單層脂質(zhì)分子面積與細(xì)胞膜表面積的關(guān)系以及油脂表面張力變化3個(gè)學(xué)科交叉知識(shí)點(diǎn)，部分教師難以把握深度，容易造成忽略或講解太深?yuàn)W兩個(gè)極端。在設(shè)計(jì)以上3個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)時(shí)，教師宜采用學(xué)科交叉的方法。

3.1 生物與化學(xué)

針對(duì)磷脂分子的結(jié)構(gòu)與特性，教師可引導(dǎo)學(xué)生回憶已經(jīng)學(xué)習(xí)過的脂肪分子的結(jié)構(gòu)：從化學(xué)角度看，脂肪是由1分子甘油和3分子脂肪酸聚合形成的酯，具有不溶于水的特點(diǎn)。指導(dǎo)學(xué)生磷脂分子的結(jié)構(gòu)式中，找到1分子甘油和2分子脂肪酸。通過對(duì)比兩者的異同，學(xué)生可以推測出磷脂分子的尾部具有不溶于水的特性。磷脂分子的頭部由膽堿與磷酸組成，二者易溶于水，所以磷脂分子的頭部具有親水的特性。

3.2 生物與數(shù)學(xué)

針對(duì)單層脂質(zhì)分子面積與細(xì)胞膜表面積的關(guān)系，教師巧用數(shù)學(xué)公式“Y=2X”簡潔清晰地表示出二者關(guān)系，幫助學(xué)生建構(gòu)模型。其中“Y”代表空氣-水界面上單層脂質(zhì)分子的面積，“X”代表紅細(xì)胞的表面積，“2”代表兩者之間的倍數(shù)關(guān)系。如此轉(zhuǎn)換，學(xué)生能夠更好地理解細(xì)胞膜中磷脂分子排列為連續(xù)兩層的原因。

3.3 生物與物理

針對(duì)油脂表面張力，教師可以借助物理知識(shí)演示模擬實(shí)驗(yàn)。表面張力是指水等液體會(huì)產(chǎn)生使表面盡可能縮小的力，是液體分子的內(nèi)聚現(xiàn)象。油脂滴入水面形成的透明圈可以模擬油-水界面的表面張力。透明圈擴(kuò)散面積越大則表示油脂分子表面張力越弱。為使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，教師實(shí)驗(yàn)前在水面上鋪一層痱子粉，滴入一滴油脂，待油滴擴(kuò)散面積穩(wěn)定后加入蛋白粉，發(fā)現(xiàn)油脂擴(kuò)散面積變大，說明加入蛋白粉后油—水界面表面張力下降。據(jù)此，教師可引導(dǎo)學(xué)生推測細(xì)胞膜可能附有蛋白質(zhì)。

4 思考與總結(jié)

培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)已經(jīng)成為現(xiàn)代教育的重要共識(shí)。高中階段各學(xué)科的某些知識(shí)點(diǎn)與其他學(xué)科交融滲透，跨學(xué)科教學(xué)成為發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要手段。教師在高中生物教學(xué)過程中適當(dāng)融入其他學(xué)科的知識(shí)、方法和技能，既可以幫助學(xué)生深入理解知識(shí)，打破學(xué)科間的壁壘，構(gòu)建龐大的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，又能提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，切實(shí)提高學(xué)生解決問題的能力，幫助學(xué)生更好地實(shí)現(xiàn)全面發(fā)展。同時(shí)，教師在跨學(xué)科教學(xué)中要注意適時(shí)、適度、適量，分清主次，避免本末倒置。