跨學(xué)科視閥下的生物學(xué)單元教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

[中圖分類號(hào)] G633.91 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-6058（2025）17-0075-04

《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》提出，“加強(qiáng)課程內(nèi)容與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)、社會(huì)生活的聯(lián)系，強(qiáng)化學(xué)科內(nèi)知識(shí)整合，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)綜合課程和跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)”“突出學(xué)科思想方法和探究方法的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)知行合一、學(xué)思結(jié)合，倡導(dǎo)‘做中學(xué)’‘用中學(xué)‘創(chuàng)中學(xué)'\"]?？鐚W(xué)科實(shí)踐是義務(wù)教育生物學(xué)和信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)中課程內(nèi)容的共同主題，因此，設(shè)計(jì)有邏輯關(guān)聯(lián)的生物學(xué)和人工智能概念、學(xué)科思想和方法的教學(xué)活動(dòng)，開(kāi)發(fā)“人工智能（AI識(shí)別中草藥\"單元課程，對(duì)協(xié)同育人目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

一、跨學(xué)科視閥下的單元主題確立與分析

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱課程標(biāo)準(zhǔn)）在“生物多樣性\"學(xué)習(xí)主題中的教學(xué)建議為“充分利用本地的生物資源，組織學(xué)生識(shí)別生物的特征，嘗試開(kāi)展分類活動(dòng)”。人工智能（AI）是義務(wù)教育信息科技課程內(nèi)容的邏輯主線之一，機(jī)器學(xué)習(xí)是實(shí)現(xiàn)人工智能的方式，而分類任務(wù)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一類核心任務(wù)。根據(jù)對(duì)生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中學(xué)習(xí)主題“生物學(xué)與社會(huì)·跨學(xué)科實(shí)踐”的要求，本文選擇中草藥作為研究對(duì)象，以人類和機(jī)器學(xué)習(xí)編程識(shí)別中草藥及對(duì)中草藥進(jìn)行分類為主線，通過(guò)利用本地的中草藥資源組織學(xué)生識(shí)別中草藥，嘗試對(duì)給定的一組中草藥進(jìn)行分類、制作檢索表，利用人工智能進(jìn)行圖像分類等，以此來(lái)組織單元課程內(nèi)容，建立生物學(xué)與信息科技的橋梁，從而引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“對(duì)生物進(jìn)行科學(xué)分類需要以生物的特征為依據(jù)”“圖像識(shí)別是人工智能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式之一\"等重要概念，解決人類和機(jī)器識(shí)別中草藥存在的問(wèn)題，并形成整合性地識(shí)別中草藥的新成果，進(jìn)而提升生物學(xué)與信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、跨學(xué)科視閥下的單元課程目標(biāo)

依據(jù)義務(wù)教育生物學(xué)和信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下課程目標(biāo)。

1.通過(guò)觀察中草藥的實(shí)物及標(biāo)本，記錄和分析其特征，建構(gòu)“對(duì)生物進(jìn)行科學(xué)分類需要以生物的特征為依據(jù)”的概念；通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)編程學(xué)習(xí)圖像分類識(shí)別中草藥這一知識(shí)，建構(gòu)“圖像識(shí)別”的概念。

2.通過(guò)中草藥分類、生物檢索表編制，運(yùn)用分類、歸納、抽象和概括等科學(xué)思維，提升運(yùn)用生物學(xué)術(shù)語(yǔ)描述生物特征的能力；通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)編程識(shí)別中草藥，概述機(jī)器學(xué)習(xí)的基本過(guò)程，并運(yùn)用圖像分類、模型、計(jì)算等思維，提升計(jì)算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)能力。

3.通過(guò)對(duì)AI圖像識(shí)別中草藥的反思，意識(shí)到人工智能的局限性；理解并認(rèn)同分類法是一種科學(xué)的研究方法，能在真實(shí)的問(wèn)題情境中利用跨學(xué)科概念和方法來(lái)解決問(wèn)題；通過(guò)制作、展示、完善檢索表，體會(huì)制作生物檢索表的艱辛，并感受中草藥的魅力。

三、跨學(xué)科視閥下的單元教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)設(shè)計(jì)

從生物學(xué)和信息科技兩門學(xué)科的核心素養(yǎng)出發(fā)，以跨學(xué)科單元課程目標(biāo)為導(dǎo)向，確定需要學(xué)生理解的重要概念一“對(duì)生物進(jìn)行科學(xué)分類需要以生物的特征為依據(jù)”。本單元課程教學(xué)課時(shí)安排為3課時(shí)：第1課時(shí)為應(yīng)用“形色”APP智能識(shí)別中草藥、觀察中草藥特征、編制和使用生物檢索表；第2課時(shí)為學(xué)習(xí)人工智能的圖像分類模型訓(xùn)練方法；第3課時(shí)為探索機(jī)器和人類識(shí)別圖像的原理，歸納生物分類和檢索模型。從通過(guò)觀察中草藥、編制和使用生物檢索表來(lái)建構(gòu)生物學(xué)科的重要概念，過(guò)渡到人工智能的圖像分類模型，最后歸納、總結(jié)生物分類模型。這3個(gè)課時(shí)的安排遵循跨學(xué)科知識(shí)的內(nèi)在邏輯和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，循序漸進(jìn)、螺旋向上地培養(yǎng)和提升學(xué)生的跨學(xué)科核心素養(yǎng)。

四、教學(xué)過(guò)程

（一）應(yīng)用AI識(shí)別中草藥，感知AI如何解決真實(shí)問(wèn)題

單元活動(dòng)伊始，教師展示身邊常見(jiàn)的中草藥，并提出問(wèn)題：這是什么中草藥？如何識(shí)別不認(rèn)識(shí)的植物？同時(shí)，教師順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生利用植物識(shí)別工具——“形色\"APP從不同的角度拍攝中草藥，并將識(shí)別結(jié)果匯總，以EXCEL表格的形式記錄植物的名稱等。

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)尋找和發(fā)現(xiàn)生活中的人工智能應(yīng)用，利用AI圖像識(shí)別程序識(shí)別未知中草藥，并提出問(wèn)題，以此激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，進(jìn)而激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在應(yīng)用“形色\"APP進(jìn)行實(shí)踐時(shí)，教師讓學(xué)生總結(jié)出實(shí)踐性強(qiáng)、具有跨學(xué)科思維的人工智能的基本特征，體會(huì)人工智能技術(shù)給學(xué)習(xí)和生活帶來(lái)的便捷。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的人工智能應(yīng)用，聚焦如何應(yīng)用人工智能解決中草藥識(shí)別等真實(shí)問(wèn)題，從而提升學(xué)生的信息社會(huì)數(shù)字化勝任力。

（二）觀察比較中草藥的特征，體會(huì)科學(xué)分類方法

學(xué)生先閱讀下列資料，并觀察圖1和圖2，然后分組觀察比較薄荷、姜、金銀花以及枸杞、扶芳藤、南天竹等實(shí)物及標(biāo)本中突出而穩(wěn)定的特征，最后以小組為單位將觀察的結(jié)果分別記錄到表1和表2中。教師用投影儀實(shí)時(shí)反饋，并在組間和組內(nèi)完善觀察結(jié)果。學(xué)生課前查閱資料，課中匯報(bào)講解中草藥的名稱、形態(tài)特征及其藥用價(jià)值。

資料： ① 植物葉在莖上的排列次序通常有互生葉序、對(duì)生葉序、輪生葉序三種類型； ② 葉的邊緣稱為葉緣，常見(jiàn)的類型有葉緣平滑不具齒的全緣葉和葉緣具鋸齒的鋸齒葉等； ③ 裂果是指植物成熟后，果實(shí)崩裂或開(kāi)裂的現(xiàn)象。

表1植物標(biāo)本的比較觀察記錄

表2植物標(biāo)本的比較觀察記錄

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生觀察中草藥葉片位置關(guān)系、葉的邊緣、果實(shí)開(kāi)裂情況和果實(shí)中種子數(shù)量等特定的特征，目標(biāo)指向性明確，能節(jié)約課堂教學(xué)時(shí)間，為制作和使用檢索表作鋪墊；小組合作及反饋交流可提升學(xué)生用生物學(xué)語(yǔ)言描述中草藥標(biāo)本特征的準(zhǔn)確性；觀察、收集和匯報(bào)中草藥的特征，可激起學(xué)生對(duì)中草藥進(jìn)行探索的興趣。

（三）分類歸納編制檢索表，厘清檢索表呈現(xiàn)的 規(guī)律

教師先展示三種黃連的檢索表（如圖3），然后讓學(xué)生觀察生物檢索表，最后小組合作交流總結(jié)生物檢索表的特點(diǎn)：根據(jù)中草藥某一明顯且穩(wěn)定的性狀特征，將其分為相對(duì)立的兩類，并采用簡(jiǎn)短文字進(jìn)行編碼。各組根據(jù)觀察結(jié)果，嘗試編制生物檢索表。教師利用手機(jī)實(shí)時(shí)投屏展示各組編制的檢索表，并從“列出的相同性狀和區(qū)別性狀的比較是否正確”“主要區(qū)別性狀是否明顯、突出、準(zhǔn)確\"這兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，之后，組織兩大組交換編制好的檢索表（如圖4、圖5），并讓交換雙方應(yīng)用對(duì)方小組的檢索表辨認(rèn)相應(yīng)的植物，說(shuō)出辨認(rèn)理由并進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]。

圖3簡(jiǎn)易檢索表樣例

圖4學(xué)生簡(jiǎn)易檢索表舉例（1組）

圖5學(xué)生簡(jiǎn)易檢索表舉例（2組）

設(shè)計(jì)意圖：以中草藥標(biāo)本的某一特征來(lái)分類，并依照該標(biāo)準(zhǔn)將需要分類的標(biāo)本分組，這些都是編制生物檢索表的關(guān)鍵步驟。讓各組互相驗(yàn)證與評(píng)價(jià)制作的簡(jiǎn)易生物檢索表，能使各小組得到及時(shí)的反饋，促使學(xué)生完成從檢索表制作者到使用者的角色轉(zhuǎn)換。

（四）數(shù)據(jù)采集體驗(yàn)，算法平臺(tái)編程

教師預(yù)先準(zhǔn)備薄荷、姜、金銀花的葉片標(biāo)本，以及枸杞、扶芳藤和南天竹的果實(shí)標(biāo)本，并提出問(wèn)題：采集中草藥圖片數(shù)據(jù)的方式有哪些？學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)圖片搜索或相機(jī)拍攝實(shí)物等方式獲取圖片。從各個(gè)角度拍攝中草藥圖片，然后利用浦育平臺(tái)的圖像分類功能，建立中草藥模型，并進(jìn)行模型提取和中草藥性狀的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，從而區(qū)分各種中草藥。此外，教師還提供模塊化代碼框架，并解釋代碼的含義、運(yùn)行和調(diào)整程序，讓學(xué)生整合、完善代碼，同時(shí)添加創(chuàng)造性的功能，從而建構(gòu)中草藥識(shí)別程序（如圖6）]

圖6 中草藥識(shí)別程序

設(shè)計(jì)意圖：借助浦育平臺(tái)，采用圖形化編程方式，讓學(xué)生體驗(yàn)運(yùn)用編程解決真實(shí)問(wèn)題所帶來(lái)的成就感；通過(guò)對(duì)中草藥圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和模型訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生理解圖像分類所依賴的數(shù)據(jù)、算法、算力等核心要素對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的影響；探索圖像識(shí)別原理，將生物分類檢索模型的圖形化編程過(guò)程清晰呈現(xiàn)，突出人工智能的求解流程，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維[2]。

（五）探索圖像識(shí)別原理，歸納中草藥分類模型中草藥分類模型主要有以下兩種：人類識(shí)別中草藥的路徑為先觀察、提取出某些相似的性狀，然后根據(jù)分類準(zhǔn)則將圖像特征進(jìn)行匹配，從而得出鑒定結(jié)果；圖像識(shí)別中草藥的路徑為先拍照進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后提取圖像特征，再根據(jù)模型進(jìn)行分類匹配和應(yīng)用模型編寫程序，最后預(yù)測(cè)輸出。通過(guò)資料對(duì)比，總結(jié)出中草藥的分類基本遵循“提取性狀 $$ 性狀匹配 $$ 鑒定結(jié)果”這一順序。

設(shè)計(jì)意圖：將機(jī)器與人類識(shí)別中草藥的經(jīng)驗(yàn)建立關(guān)聯(lián)，由表及里、層層深入地概括人與機(jī)器學(xué)習(xí)中圖像識(shí)別技術(shù)的步驟，巧妙地整合跨學(xué)科課程內(nèi)容，歸納中草藥識(shí)別的一般程序性模型，可加深學(xué)生對(duì)AI相關(guān)算法原理的認(rèn)知，提升學(xué)生的高階思維能力和語(yǔ)言表達(dá)能力。

五、教學(xué)反思

（一）單元內(nèi)容重構(gòu)的教學(xué)反思

在傳統(tǒng)生物學(xué)教學(xué)模式中，教學(xué)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立。學(xué)生多以形成符號(hào)化概念記憶的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，未能將知識(shí)有機(jī)整合成單元教學(xué)內(nèi)容。跨學(xué)科視閾下的單元內(nèi)容重構(gòu)，旨在整合生物學(xué)和信息科技學(xué)科中的事實(shí)、概念、原理，讓學(xué)生在探究實(shí)踐中融合學(xué)習(xí)，進(jìn)而掌握生物學(xué)事實(shí)、概念、實(shí)踐與應(yīng)用等知識(shí)，形成生命觀念，提升跨學(xué)科核心素養(yǎng)。在明確“AI識(shí)別中草藥”主題后，學(xué)生以蘇科版初中生物學(xué)教材為主，以信息科技學(xué)科知識(shí)為輔，尋找與“生物分類”“生物檢索”相關(guān)的情境素材和概念，將生物分類、生物檢索、數(shù)據(jù)采集、算法編程、探索圖像識(shí)別原理、歸納中草藥分類模型等內(nèi)容進(jìn)行梳理整合。教師為“AI識(shí)別中草藥\"課程提供了學(xué)習(xí)支架，如提供中草藥標(biāo)本、指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用圖形化編程工具編寫程序等，并將中草藥的標(biāo)本、圖片與人工智能模型相結(jié)合，構(gòu)建了涵蓋生物分類、生物檢索、人工智能識(shí)別中草藥等多方面的生物識(shí)別模型，引導(dǎo)學(xué)生形成正確的生命觀念。

（二）基于重要概念統(tǒng)領(lǐng)的教學(xué)反思

“AI識(shí)別中草藥”主題設(shè)計(jì)以“人與機(jī)器學(xué)習(xí)都是根據(jù)性狀進(jìn)行分類”的概念為統(tǒng)領(lǐng)，分析并把握生物分類和生物檢索間的縱橫關(guān)系，使得生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)活動(dòng)具有實(shí)踐性、可發(fā)展性、概念性。該主題以跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的方式，解決學(xué)生在學(xué)習(xí)與生活中遇到的真實(shí)問(wèn)題：如何識(shí)別中草藥？在教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師應(yīng)突出“生物的分類”和“生物的檢索”之間的聯(lián)系，并引導(dǎo)學(xué)生形成科學(xué)合理的生物分類方法、生物檢索方法。此外，教師還應(yīng)以建構(gòu)“生物根據(jù)性狀進(jìn)行分類歸納\"這一概念為終極目標(biāo)，有步驟、有邏輯、有策略地設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知的探究實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生在完成梯度情境任務(wù)的過(guò)程中提升跨學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生通過(guò)觀察中草藥與編制、運(yùn)用生物檢索表來(lái)簡(jiǎn)化、類比、體驗(yàn)生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)生物分類概念的過(guò)程，進(jìn)而習(xí)得生物分類的思維方式。在重要概念的統(tǒng)領(lǐng)下整體重構(gòu)單元教學(xué)內(nèi)容，有助于學(xué)生明確各探究實(shí)踐活動(dòng)對(duì)建構(gòu)重要概念的價(jià)值。

（三）跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的教學(xué)反思

跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)具有復(fù)雜性、綜合性。在跨學(xué)科實(shí)踐過(guò)程中，本課程運(yùn)用了生物學(xué)、信息科技、數(shù)學(xué)、分類學(xué)等學(xué)科的已有概念，未來(lái)還可能運(yùn)用更多的學(xué)科知識(shí)。例如，在觀察中草藥特征的教學(xué)中，教師可以將中草藥以標(biāo)本、圖片、實(shí)物的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，亦可以利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為學(xué)生提供更多的編程資源、支架工具；教師還可以設(shè)計(jì)更多的單元重構(gòu)的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生將生物學(xué)科的思維能力遷移至信息科技學(xué)科的學(xué)習(xí)中，促使學(xué)生進(jìn)一步深人學(xué)習(xí)算力和算法的相關(guān)知識(shí)，加強(qiáng)人工智能模型的訓(xùn)練；若教學(xué)條件允許，教師可以組織一些社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，如帶領(lǐng)學(xué)生參觀中草藥種植基地，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到問(wèn)題源于實(shí)踐與生活。

本課程的教學(xué)設(shè)計(jì)圍繞預(yù)設(shè)的課程教學(xué)目標(biāo)，以中草藥識(shí)別為主題，跨學(xué)科進(jìn)行單元內(nèi)容重構(gòu)；同時(shí)，以解決如何識(shí)別生物這一真實(shí)問(wèn)題為切入點(diǎn)，沿著歷史上生物學(xué)家研究生物分類和檢索的歷程，在真實(shí)的問(wèn)題和任務(wù)情境中串聯(lián)各項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生逐步建構(gòu)“人與機(jī)器學(xué)習(xí)都是根據(jù)性狀進(jìn)行分類\"這一概念?？鐚W(xué)科實(shí)踐活動(dòng)能夠引導(dǎo)學(xué)生深入理解生物分類的原理或方法，并讓學(xué)生經(jīng)歷從預(yù)處理圖片到特征提取，從模型訓(xùn)練到模型推理的過(guò)程，體驗(yàn)編程中的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。學(xué)生積極參加跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，在觀察、記錄、分類、編程等活動(dòng)中，進(jìn)一步提升信息技術(shù)能力、信息素養(yǎng)能力、思維能力和協(xié)作意識(shí)。本課程的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度和學(xué)生的課程參與度均比較高。由此可見(jiàn)，跨學(xué)科視閾下的單元內(nèi)容重構(gòu)教學(xué)有利于促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，助力創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，對(duì)推動(dòng)生物學(xué)教育創(chuàng)新發(fā)展和培養(yǎng)人工智能時(shí)代的高素質(zhì)人才具有重要意義。

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（責(zé)任編輯 羅艷）