指向科学思维培养的高中生物学跨学科教学实践研究

《普通高中生物学课程标准（2017 年版 2020 年修订）》明确提出培养学生科学思维这一核心素养，强调“运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力”。然而，传统分科教学模式下的生物课堂往往囿于学科边界，难以充分激发学生的科学思维潜能。跨学科教学作为突破学科壁垒的有效途径，其本质在于整合不同学科的认知方式和思维工具，为学生构建更为完整和真实的认知图景。科学思维并非抽象的概念堆砌，而是在具体情境中运用归纳、演绎、类比、建模等思维方法解决复杂问题的实践智慧。当生物学教学融入物理学的定量分析、化学的分子机制、数学的建模思维时，学生能够更深刻地理解生命现象的本质规律，更能在多学科视角的碰撞中培养批判性思维、创新思维和系统思维。

一、创设真实情境，激发科学探究

真实情境教学强调学习必须在有意义的情境中发生，知识的获得与运用不能脱离具体的社会文化背景。科学探究能力作为科学思维的重要组成部分，需要在真实的问题情境中得到激发和发展。传统生物学教学中，抽象的概念讲解往往使学生感到枯燥乏味，缺乏探究的内在动力，导致科学思维能力发展受限。现实教学中，许多教师仍然采用“概念 - 例子 - 练习”的线性教学模式，忽视了学生的认知起点和探究需求。

以苏教版高中生物学教材必修 1 中“细胞膜的结构和功能”一课为例，教师应当从学生熟悉的生活现象入手，创设富有挑战性的问题情境。以新冠疫情期间酒精消毒为切入点，引导学生思考：“为什么 75% 的酒精能够杀灭病毒，而纯酒精的效果反而不佳？”引入初中化学中的溶解性概念，帮助学生理解酒精分子如何影响磷脂双分子层；结合物理学中扩散原理，解释物质进出细胞的过程。教师可以设计“探究不同浓度酒精对洋葱表皮细胞的影响”实验，让学生用显微镜观察细胞膜在酒精作用下的变化过程。实验中，引导学生运用已有的化学知识理解酒精的亲水和疏水性质，运用物理学的扩散概念解释膜的通透性变化，从而理解细胞膜的分子组成与功能特性之间的关系。教师应当鼓励学生提出假设、设计简单的对照实验、记录实验现象，培养其观察能力、假设能力和探究精神。

二、设计融合实验，发展逻辑推理

逻辑推理能力是科学思维的核心要素，包括归纳推理、演绎推理、类比推理等多种形式。实验教学作为生物学教学的重要组成部分，具有培养学生逻辑推理能力的独特优势。然而，单一学科视角下的实验设计往往局限于验证性实验，缺乏对学生推理过程的深度挖掘和系统培养。当前生物实验教学存在明显的局限性。许多实验仅停留在操作技能的训练层面，学生按照标准化的实验步骤进行操作，却缺少对实验原理的深度思考和逻辑分析。

以苏教版高中生物学教材必修 1 中“细胞的能量‘通货’——ATP”一课为例，教师应当以 ATP 分子为核心，设计适合高中生认知水平的探究性实验。从化学角度引导学生观察 ATP 分子的结构模型，理解磷酸基团的特点，通过对比ATP、ADP、AMP 的分子结构差异，运用类比推理方法将ATP 比作“充满电的电池”，ADP 比作“用过的电池”。教师可以设计萤火虫尾部发光实验，让学生观察 ATP 存在时的发光现象，再对比加入 ADP 时的现象变化，引导学生运用对比分析的方法得出结论。实验中融入数学统计知识，让学生记录不同时间点的发光强度，绘制简单的曲线图，体验数据处理的基本方法。教师应当运用生活中的类比帮助学生理解，如将 ATP 的能量释放过程比作拆开弹簧时能量的释放，将酶的作用比作“钥匙开锁”。实验过程中，引导学生运用归纳推理方法，从观察到的现象中总结规律；运用演绎推理方法，根据 ATP 的结构特点预测其功能表现。教师应当重视实验现象的观察和记录，教授学生运用表格、图形等方式整理实验结果，培养其观察分析和逻辑表达的能力。

三、构建知识网络，促进思维迁移

思维迁移能力是科学思维的高阶表现，体现为将已有的知识、技能和思维方法应用到新情境中解决问题的能力。知识网络的构建是实现思维迁移的重要前提，它要求学习者不仅掌握零散的知识点，更要理解知识之间的内在联系和逻辑关系。传统学科分割式教学模式下，学生往往将不同学科的知识视为相互独立的模块，难以实现知识的有效整合和灵活运用。在实际教学中，知识碎片化现象十分突出。学生在生物课上学习基因转录、翻译过程，在数学课上学习概率统计，在信息技术课上学习编程算法，但很少有机会将这些知识有机融合起来。

以苏教版高中生物学教材必修 2 中“基因的表达”一课为例，教师可以引导学生认识到基因表达本质上是一个信息传递过程，与学生熟悉的信息传播方式具有相似性。教师可以通过类比学生熟悉的“复印文件”过程，帮助学生理解从 DNA 到 RNA 再到蛋白质的信息传递机制：DNA 就像原始文件，mRNA 就像复印件，蛋白质就像根据复印件制作的产品。教师可以运用数学中学过的比例知识，分析密码子与氨基酸的对应关系，让学生计算一个基因能编码多少个氨基酸。教师还可以引入化学中的分子结构概念，帮助学生理解不同氨基酸的结构差异如何影响蛋白质的功能。教师应当设计贴近生活的问题情境，如“为什么有些人天生不能消化牛奶中的乳糖？”引导学生运用基因表达的知识，结合化学中酶的概念进行分析。教师可以绘制简单的概念图，帮助学生将基因、mRNA、蛋白质、性状之间的关系可视化，建立起从基因到性状的完整认知链条。

四、运用建模方法，培养抽象思维

抽象思维是科学思维的最高层次，表现为从具体现象中抽取本质特征、建立理论模型、进行逻辑推演的能力。科学建模作为现代科学研究的重要方法，既是科学家探索未知世界的工具，更是培养学生抽象思维能力的有效途径。生物学中的许多概念和过程具有高度的复杂性和抽象性，需要通过建模方法帮助学生理解和掌握。现有教学中，抽象思维培养往往被忽视。教师习惯于直接呈现成熟的科学概念和理论，缺少引导学生经历从具象到抽象、从现象到本质的认知过程。

以苏教版高中生物学教材选修 3 中“基因工程”一课为例，教师应当引导学生将基因工程理解为一个有步骤的“设计制作”过程，运用学生能够理解的系统思维方法进行分析。以构建重组质粒为例，教师可以将其比作“拼装玩具”，引入学生熟悉的“设计 - 选材 - 组装 - 检验”的思维流程。教师应当运用图示和模型，直观展示基因工程的实施过程，让学生通过观察和分析理解其中的逻辑关系。引导学生学习制作简单的流程图，将基因工程的基本步骤可视化，体验从生物问题到解决方案的思维过程。教师可以设计“为糖尿病患者设计胰岛素生产方案”的模拟项目，要求学生考虑安全性、有效性等基本要求，运用已学的生物学和数学知识进行简单的方案设计。在项目过程中，引导学生运用“分析问题 - 提出方案 - 评估方案 - 改进方案”的基本思维方法，培养其逻辑分析和问题解决能力。

五、结语

指向科学思维培养的高中生物学跨学科教学实践，既是教育改革的时代要求，更是学生全面发展的内在需要。教师应当主动突破学科本位思维，积极学习其他学科的基本原理和思维方法，不断提升跨学科教学设计能力。教师更应在教学实践中勇于尝试，善于反思，在跨学科融合的探索中逐步积累经验，形成个人的教学风格和专业特色。唯有如此，跨学科教学才能真正落地生根，科学思维培养才能取得实效。

参考文献

[1] 陈婷 . 跨学科概念在高中生物学教学中的实践研究 [D]. 闽南师范大学 ,2024.

[2] 陈彦磊 , 尹方卓 , 魏爱丽 . 指向科学思维发展的高中生物学 STEM 教学设计——以“DNA 的结构”为例 [J]. 教育观察 ,2024,13(02):96-99+106.

[3] 高雅. 跨学科背景下高中生物学与化学融合探究 [D]. 扬州大学,2023.

基金项目：本文系徐州市教育科学“十四五”规划课题：指向科学思维培养的高中生物学跨学科教学研究（课题编号：GH14-23-L178）阶段性研究成果。