STEM理念下初中生命科学跨学科教学的案例分析

李显军 (上海市铜川学校 上海 200333)

跨学科教学是培养全面发展人才的一条有效途径[1]。随着课改的深入，我国对跨学科教学的研究日益重视，但也存在着一些盲区： 以生命科学学科为例，在笔者查阅的文献中，大量的跨学科案例都是基于高中学段，且罕见STEM理念的运用。初中生命科学跨学科教学的研究存在着数量少、内容浅等问题。希望本文以基于STEM理念下的初中生命科学跨学科教学的分析，为初中生命科学跨学科教学提供一些创新思考与实践案例。

1 移植法

移植法是借鉴或引用其他学科的知识为生命科学课堂服务，帮助解决生命科学的教学问题。这种跨学科的知识迁移旨在促进学生对生命科学中某些具体知识点的理解和运用,或者创设特定的教学情境等。如生命科学移植数学、物理和化学学科知识的跨学科教学。

例如，在“人体的消化和吸收”一节中，介绍了小肠是人体消化和吸收的主要场所，这一功能是和小肠的结构分不开的，小肠内有很多环形皱襞，其表面有许多小肠绒毛，绒毛上又有微绒毛，也正是这些微小结构使小肠的内表面积比原来增大了近六百倍。这就涉及到数学中“物体的体积越小，其表面积相对较大”的知识[2]。同时，这些微绒毛的存在，也增大了小肠内壁与食糜的摩擦力，延长了两者的接触时间，从而促进小肠的消化和吸收功能，这又涉及到物理的“力学”知识。这种跨学科的知识移植也很好地解释了“生物的形态结构和功能相适应”的观点。在介绍消化和吸收的过程时，不可避免地要用到化学反应知识。以淀粉为例，从淀粉如何变成葡萄糖，其间的一系列物质变化都反映了化学与生命科学的密切联系。葡萄糖被吸收后要为人体所利用，它是人体的主要能源物质，学习能量变化时，自然会应用到物理的能量守恒定律。虽然有些内容要到高中时才接触到，但初中时就对这些知识有效地整合有助于学生减少对高中“物质和能量代谢”模块学习的陌生度。关于生物体内结构和功能的统一性方面，涉及到数学、物理和化学学科的知识点还有很多，教师应注意引导学生在学习生物学内容时，不忘对数学、物理和化学学科知识的应用。既解决了生命科学的相关难点，又是其他学科知识的应用和延续，可谓一举多得。

2 辐射法

辐射法是指以某一研究对象为中心，对研究内容从各个不同的角度或侧面进行发散性的思考和实践,扩散到其他学科中去，充分发挥核心知识的“辐射”效应，逐步实现多学科知识整体发展。如生命科学学科依靠拓展校本课程资源向地理、语文和政治等学科辐射。

例如，在“我们身边的植物”一节教学中，教师借助本校资源，带领学生在学校的本草园里上课。教师以“黄花蒿”植物为主题，将这一主题内容辐射到地理、语文、历史和政治学科领域，使多学科知识有机地结合起来。首先，向学生介绍黄花蒿是双子叶植物纲、菊科、蒿属，一年生草本植物。茎多分枝，叶纸质，头状花序球形，花深黄色，瘦果小，花果期8—11月。然后，介绍黄花蒿可入药，含抗疟的有效成分青蒿素等相关植物学知识。接着，利用地理知识补充“黄花蒿遍及中国全境，在海拔3 650 m以下地区均有分布；生长在路旁、荒地、山坡、林缘、草原、干河谷和半荒漠等。广布于欧洲、亚洲的温带、寒温带及亚热带地区。另外，还从亚洲北部迁入北美洲、并广布于加拿大及美国”。然后朗诵《诗经·小雅》“呦呦鹿鸣，食野之蒿。我有嘉宾，德音孔昭。”这里的“蒿”指蒿草，原文大意是“一群鹿儿呦呦叫，在那原野吃蒿草。我有一批好宾客，品德高尚又显耀。”自然就过渡到荣获诺贝尔生理学或医学奖的中国科学家屠呦呦的生平事迹。此时，以青蒿素的发现和屠呦呦获诺贝尔奖为切入口讲述科教兴国战略是振兴中华的重要国策，以及青蒿素在中医药千年历史中的地位和作用，体现了历史和政治学科的内容。在学生多维的知识量和多元的思维方面有积极作用，可形成多元化的价值观、人生观以及有一定的社会责任感。

3 实践法

实践法是指基于STEM课程，在充分调动学生已有知识的基础上，设计STEM实践活动，提高他们在实践中发现问题、解决问题的能力，提升沟通与合作能力、培育创新精神。

例如，在“微生物”一节的学习中，可以“发酵”“我为家庭做酸奶”等内容为例，设计STEM活动。在制作酸奶前，要从设计(工程)的角度出发，调研家庭成员对酸奶的口味、浓稠度、包装和容量等相关需求。根据“客户”的需求信息确定酸奶制作的配方及条件(如糖的比例、辅料成分、菌种的选择和发酵的温度等)。明确配方的配比及条件需要运用数学、化学和物理等学科知识。配比有问题的酸奶会导致风味流失，甚至是发酵失败。制作酸奶最核心的知识是微生物发酵，即牛奶中细菌的生长使得牛奶中的乳糖被分解为乳酸。但是，并不是菌种越多越好，而是需要根据口感和质地进行选择。学生在用酸奶机制作时，可选用1杯125 mL的发酵型原味酸奶做菌种。在酸奶制作完成后，包装和消毒是非常重要的一个环节。包装不仅关乎美观和产品的质感，也决定着酸奶的保存时效。消毒环节又涉及生物学、物理和化学知识。日常在超市里购买的酸奶是生产厂家在酸奶包装完成后，运用冷链物流技术运来的。配送效率在物联网、区块链和智能化温控等前沿技术运用下得到了显著的提升，这使买到的酸奶能够保持新鲜。对根据“客户”需求做的酸奶，学生可为自己产品拟一份产品广告，推荐给家人和朋友们。虽然酸奶机制作酸奶过程相对比较简单，但在此过程中学生也可以逐步掌握工厂生产酸奶的流程： 原料奶清洗→器具消毒→加热→加辅料→加菌种→过滤→灌装→发酵→冷却→封杯→成品。同时，还可以培养学生考虑到产品的设计、包装、售价和广告等问题。

4 综合法

综合法是指多种科学方法的综合运用，将分析与综合方法、归纳与演绎方法、定量与定性方法等相结合,形成一个统一的整体。在初中生命科学跨学科教学中,单元教学最能与这种思想相契合。由于目标主题所涉及的内容也常常会涉及到其他学科,所以在主题单元教学活动中融入学科交叉思想是顺理成章的[3]。

例如，在“动物与人类的生存和发展密切相关”一节的主题单元教学中，选取鱼与人类的关系为主要内容介绍。先让学生观察水槽中的鲫鱼，探究鱼类在外部形态上与水中生活相适应的特点。有些特点可用物理学原理来解释，如： 鱼的体形是纺锤形，在水中运动时，所受水流阻力最小；鱼的侧线能及时地觉察水流和振动频率的改变，还能对低频声起反应，从而在鱼类的索饵、洄游、集群、生殖和防御等生活过程中有一定的作用。教师由此提出问题： 如果把鱼的侧线破坏掉，会有什么后果？可引发学生查阅资料去进行探究实验。在解剖鲫鱼时找到鱼鳔，教师可拓展延伸到工程学： 鱼依靠调节鱼鳔中气体含量,促使鱼体自由沉浮，这一沉浮系统对于潜艇的设计有启发和帮助。另外，鱼肉是人类重要的动物蛋白质来源，那么在捕鱼时可利用数学模型的种群增长曲线来分析最佳捕鱼期，再拓展延伸到鱼类资源遭到破坏的情况。如赤潮现象，由此可分析赤潮产生的地理因素(沿海区的地理位置、地形特征、水文、气象、海流和海况等，都是形成赤潮的自然因子)、赤潮长消过程中各阶段的主要物理因素(如水温、盐度和光照等)、化学因素(如营养盐、微量元素和赤潮生物生长促进剂等)、生物因素(如赤潮“种子”群落、动物摄食和物种间竞争等控制因素)，此类问题都是学生有兴趣探究的问题。并且对这些现象的解释要综合利用到生物、物理、化学和地理学的原理,反映了这些学科是紧密联系的，学生既学到了综合知识又提升了探究能力。