巧用“学科交叉”，助力学生生物核心素养培养

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　　【摘要】《普通高中生物课程标准》实施中的核心任务是“提高每个高中生的生物科学素养”。本文结合自己的教学体会，以人教版生物学教材的五个模块为例，列举相关素材，从“数学建模”“量子理论”“生化实验”三个方面介绍学科交叉内容在助力学生生物核心素养培养中的应用。
　　【关键词】学科交叉；科学思维；核心素养
　　雪莉·蒂尔曼（人类基因图谱破译）主要参与者认为，生物学习应该包括更多的数学、物理学和化学。在高中生物教学中，教师深入浅出地介绍生物学研究的前沿课题——学科交叉在生命科学研究中的运用，对激发学生兴趣、拓展学生的视野、培养科学探究意识等具有重要的意义。
　　本文结合笔者的教学体会，以人教版生物学教材的五个模块为例，列举相关素材，从“数学建模”“量子理论”、生化实验”三个方面介绍学科交叉内容在助力学生生物核心素养培养中的应用。
　　一、在“数学建模”中发现生物奥秘，形成“生命观念”
　　很多人都觉得生物学跟数学没什么关系。其实，生物学是大量应用数学的：小麦的分蘖，是围绕着圆柱形的茎按黄金分割进行排列和展开的；著名数学家笛卡尔在研究花瓣和叶形的曲线时发现了“笛卡尔曲线”，生物的许多实际应用问题渗透了数学知识，比如，遗传学中数学统计方法的应用、生物信息学（基因组测序）中的大数据分析等等，举不胜举。教师可以把“数学建模”作为发现科学事实，揭示科学规律的过程和方法，在生物教学中有效地运用，从而使一些重难点化繁为简，既深化学生对知识的理解，又培养他们的科学思维能力。
　　例如，必修3《种群和群落》一章“种群数量的变化”中，以“细菌”研究对象，“每20min分裂一次，建模建构种群增长模型，即构建数学模型。目的是探究细菌种群数量的变化特点，进一步解释生物现象，揭示生命活动规律。学生通过填表，得出细菌增殖的特点满足指数函数的形式进行增长，可以用Nn=2n的数学形式表达。接着，教师可以让学生以时间为横坐标，细菌数量为纵坐标，画出细菌的种群增长曲线，并指出曲线图是数学建模的另一种表现形式，与数学方程式相比，能更直观地反映出种群数量的增长趋势。
　　由于生物学中存在许多不确定因素和例外的现象，导致大量现象与规律极为复杂，因而对于数学模型，我们还要通过实验或观察进行检验和修正，所以数学模型的构建是一个不断发展和完善的过程。如，当出现天敌和竞争者，受到疾病等的威协、资源和空间有限等，就会构建出另一增长曲线——“S型增长曲线”；随着有害代谢终产物产生，生活资源的消耗，种群中的生物体可能发生基因突变产生新的性状，也可能大量死亡，由此又会产生新的增长曲线……通过构建数学模型，学生对生物种群数量的变化过程就有了更深刻的认识，从而在发现生物的奥秘的同时，形成动态的“生命观念”。
　　人教版教材高中生物学科中涉及到构建数学模型的内容有很多。例如，温度、pH值、底物浓度与酶促反应的关系；生长素的两重性以及植物不同器官对生长素的敏感程度；利用哈迪-温柏格定律进行遗传几率的计算；光合作用速率的变化曲线等等，让学生结合数学与生物的知识进行综合分析、解答，有利于学生把抽象的东西转化为具体化的知识，求同存异解决一些生物学实际问题，从而培养学生科学的思维方式。
　　二、在“量子理论”中形成理性思维、着眼“知情交融”
　　随着人们对生物学认知极限问题的科学探索，已有越来越多的研究表明，特定的生物系统可能真的应用着量子力学，中学生物教学介绍生物学研究的前沿课题——量子力学在生命科学研究的运用，可以引发学生关注学科交叉、激发学生主动思考、建构正确生物规律，从而助力学生生物学核心素养的培养。
　　高中生物教材中，无论是“分子与细胞”模块中的光合作用，还是“遗传与进化”模块中鸟类的迁徙机制，亦或是“稳态与环境”模块中大脑工作原理、人类感觉（嗅觉）等的形成原因，亦或都要用量子理论才能解释清楚。例如，进行“光合作用”一课时，可以介绍，美国科学家的最新发现：某些喜阴植物通过自己蓝晕色叶子，利用量子力学原理使光合作用高效进行，从而适应极度弱光的环境条件。绿色植物在光合作用中表现出了量子计算的能力，这是量子纠缠的一种运用。可见，植物将太阳能转化为供生物生长存活的化学与生物能源是量子效应的帮助，微观世界的量子效应真的非常奇异。
　　再如，介绍生态系统的功能“信息传递”时，可以介绍英国牛津大学科学家的最新发现：知更鸟在迁徙时，是利用眼睛中一个基于量子纠缠态的指南针，来感知地球磁场微弱的变化，从而指导它们的飞行的。
　　中学生物学教学，不仅要传道解惑生物学的基本知识和理论，更要带领学生不懈追问并了解生命科学的最新进展，量子力学的奇异特性或将帮助学生对超微观世界这个极其美妙的量子世界形成理性思维、着眼“知情交融”。
　　三、在“生化实验”中培养学生探究能力、走向“知能并重”
　　生命活动中既有物理变化，又有化学变化，“物质出入细胞的方式——主动运输”中，通过载体蛋白的协助，细胞把物质从低浓度一侧运输到高浓度一侧，这个过程需要消耗细胞内的ATP水解来提供能量，ATP的水解即化学变化。再如，有丝分裂，在分裂间期中，DNA分子的复制和蛋白质的合成，属于化学变化；在分裂期中，染色体完成一系列的行为需要的能量直接来自于ATP的水解，细胞又通过葡萄糖等有机物的分解而源源不断地合成新的ATP，这里ATP的水解和合成都属于化学变化，这样的例子举不胜举。
　　在进行这些章节的教学时，教师可以提醒学生借助化学知识作出回答。例如，《降低化学反应活化能的酶》一节内容，课标要求学生能理解。学生初中所学消化酶以及高中所学蛋白质和核酸的知识，都为本节的知识学习打好了良好的学习基础。本节课，笔者在说明对照实验要遵循“控制单一变量原则”和“设置对照实验”的基础上，模拟演示斯帕蘭札尼的经典实验：肉脯（绳子系着），让学生思考：食物的消化到底是只有物理性消化呢，还是另有化学性消化呢？这个实验要解决什么问题？“为什么要这样设计？有何妙处？” 是什么物质使肉块消失了？怎样才能证明你的推测？在滴入肝脏研磨液和氯化铁溶液时，可否共用一个吸管？该实验观察和检验的指标是什么？在控制变量方面，教师结合本实验，组织学生共同分析：变量、自变量、因变量、无关变量的概念，以及如何控制自变量？观察分析因变量？保持无关变量一致？通过以上与化学相关的问题，培养学生观察分析、自主探索的思维能力，从而让学生在“生化实验”中走向知能并重。
　　研究生命科学的科学家由各个学科汇聚而来，近年来，在发达国家已成明显趋势，学科间的交叉渗透造成了许多前景无限的生长点。物联网时代，教师应乐于接受新事物，从培养学生“积极主动思考，生动活泼参与”的角度出发，给予学生足够的思考空间和时间进行质疑、观察、思考，巧用学科交叉内容，助力生物核心素养培养。
　　参考文献：
　　[1]张丽萍.生物化学简明教程（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2009.
　　[2]潘瑞炽.植物生理学第七版[M].北京：高等教育出版社，2012.
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