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基于项目式学习的初中生物学跨学科实践活动设计

花匠小妙招
2024-12-25 03:18

基于项目式学习的初中生物学跨学科实践活动设计
Design of Junior High School Biology Interdisciplinary Practice Activities Based on Project-Based Learning

1. 研究背景

2022年3月25日，教育部印发的《义务教育课程方案(2022年版》(以下简称“课程方案”)规定：“各门课程用不少于10%的课时设计跨学科主题学习”[1]。为落实这一要求，《义务教育生物学课程标准(2022年版)》(以下简称“课程标准”)新加了“生物学与社会·跨学科实践”作为第7个学习主题，包括模型制作、植物栽培和动物饲养、发酵食品制作三类跨学科实践活动[2]。跨学科实践活动能帮助学生认识到生物学与社会的关系，理解科学、技术、工程学、数学等学科的相互关系，并运用多学科的知识和方法，通过设计和制作，去解决现实问题或生产特定产品，进而发展核心素养。关于如何使跨学科实践理念落地，课程标准在“课程实施”的教学建议中明确指出：“应整体规划跨学科实践活动，探索项目化实施”，这为跨学科实践的落地指明了路径。

项目式学习是一种建构性的教与学的方式，教师将学生的学习任务项目化，指导学生基于真实情境而提出问题，并利用相关知识与信息资料开展研究、设计和实践操作，最终解决问题并展示和分享项目成果[3]。项目式学习具有多种特征，如基于真实情境、要有驱动性问题、以产品为导向、关注多学科交叉知识以及强调团队合作等[4]。可见，项目式学习的内涵和特点契合初中生物学跨学科实践活动的要求，具备指导跨学科实践活动设计和实施的理论潜质。

2. 跨学科实践活动内容分析

本文所探讨的实践活动在课程标准的专题七“生物学与社会·跨学科实践”里属于模型制作类跨学科实践活动，对应其提供的“制作实验装置，模拟吸烟有害健康”的项目。项目要求学生运用多学科的知识和方法自制实验装置，模拟观察香烟烟雾对呼吸道黏膜的危害，形成吸烟有害健康的观念，并学会利用科学证据向公众宣传吸烟的危害。此项目需要应用到一些不同学科的知识和技能：如运用气压与气体流动的物理学知识制作实验装置；通过制作临时装片和操作显微镜来观察单细胞生物；以及人体呼吸系统的形态结构、呼吸运动与气体进出原理的生物学基础知识等。

本跨学科实践活动的授课对象是八年级下学期的学生。在此之前学生已经学习了人体呼吸系统的形态结构、呼吸运动与气体进出的原理等生物学基础知识，在生物学实验方面也积累一定的实验技能，基本能独立完成临时装片的制作和显微镜的操作观察。另外，学生在本学期还将会学习到大气压强相关物理学知识。这个时期的学生对各学科的理论知识是熟悉的，但在动手操作、运用知识分析与解决问题上，尤其是需要运用多个学科解决实际问题的能力还比较薄弱。本活动从吸烟的危害真实情境中引出问题：如何制作实验装置来模拟吸烟的危害？引导学生通过小组合作的形式围绕问题进行活动探究，讨论如何利用生活中简便易得的材料制作实验装置，并用制作的装置观察到香烟焦油对草履虫的影响。再结合实验结果，制作展板或书写倡议书宣传吸烟的危害。

3. 跨学科实践教学目标

基于课程标准的内容要求、学业要求、教学提示以及学情分析，针对本活动设计以下教学目标：

(1) 通过运用生物学、物理学等多学科的知识，以简便易得的材料制作出实验装置，并操作实验装置模拟观察香烟烟雾对实验现象的影响。

(2) 基于实验结果，从结构与功能观推测香烟焦油对人体呼吸道黏膜的影响，并通过制作展板或书写倡议书等形式，宣传吸烟的危害，倡导拒绝吸烟。

4. 基于项目式学习的跨学科实践活动设计

本活动按照项目式学习四个阶段：项目启动、项目计划、项目执行和项目总结来进行跨学科实践活动设计，尝试探索基于项目式学习实施跨学科实践活动的路径，发展学生核心素养。

4.1. 项目启动

4.1.1. 确定项目

在人教版和苏教版八年级下册生物学教材最后一个单元“健康地生活”里，都介绍到了吸烟对健康的危害。据此，可以把“制作实验装置，模拟吸烟有害健康”跨学科实践活动放在单元“健康地生活”之后，以提高实施效果。

吸烟时烟雾会经过呼吸道中的气管，气管上分布一层纤毛，具有清扫异物(包括病菌)的作用，而具有粘性的焦油可能会对气管壁上的纤毛产生影响。草履虫是学生在七年级上学期学过的单细胞生物，体表长满纤毛，依靠着纤毛的摆动在水中螺旋前进，教材上还安排了“观察草履虫”实验，进一步加深了学生对草履虫的认识。因此，可以引导学生以草履虫为实验对象，模拟香烟焦油对人体气管纤毛的影响。由此确定项目主题：“制作实验装置，观察香烟焦油对草履虫纤毛的影响”，并结合实验结果制作展板或书写倡议书，宣传吸烟的危害，倡导拒绝吸烟。

4.1.2. 分解项目

可以通过师生讨论，对项目进行分解。项目可分解为两个驱动性问题，每个驱动性问题对应一个子项目，如图1所示。

Figure 1. “Making an experimental device to observe the effect of cigarette tar on the cilia of paramecium” project breakdown

图1. “制作实验装置，观察香烟焦油对草履虫纤毛的影响”项目分解

4.1.3. 团队建设

可根据学生的特点提前建组，每组4~6人，有利于优化成员组合，保障每个小组都有不同特质的学生，且能有效避免“拉帮结派”或“被孤立”的现象出现。团队成员确定后，教师引导学生团队进一步明确团队角色分工，以及讨论本次实践活动的注意事项，鼓励学生在团队合作中互帮互助，积极主动思考、提问和交流。并围绕项目主题共同建立实验装置评价标准。实验装置制作评价表可参考表1。

Table 1. “Observation of the effect of cigarette tar on the cilia of paramecium” experimental device production evaluation table

表1. “观察香烟焦油对草履虫纤毛的影响”实验装置制作评价表

评价维度评价分值与评价标准评价情况 2分 3分 4分自评互评师评组内分工无分工有分工，但合作不充分有分工，每人都有明确的
任务产品设计图无设计图有设计图，能让人看懂有三维设计图，并标记清楚材料选择材料质地不便于装置制作，材料浪费严重材料选择基本符合装置的
制作，材料有少量浪费材料选择合适，
易于制作，无浪费产品稳定性装置稳定性差，不易操作，演示效果差装置之间连接较好，
能基本演示实验稳定性好，易于操作，
可重复操作产品科学性概念、原理等在表述和
运用中出现了科学性错误概念、原理等无科学性
错误，但不能正确运用
专业属于表述概念、原理等表述准确，
运用恰当产品改进不能对存在不足的作品
提出改进措施能对作品提出改进措施，
但不能完成改进既能对作品提出改进措施，又能完成改进创新能力无创新，
只能进行简单模仿创新能力较弱，
但有创新点创新能力较强，
且合理产品展示表述不完整，
介绍与产品展示脱节表述完整，
产品介绍与展示基本一致能详细说明过程，
产品介绍与展示完美结合

4.2. 项目计划

该活动在实施时，为了减少课时紧张的压力，在教学组织形式方面，可采用课上与课下相结合的学习方式。如第一节课由教师引导学生完成项目主题的确定、项目的分解和团队建设等项目启动阶段，课下再以学生小组合作为主、教师指导为辅的形式开展项目计划和项目执行两个阶段，最后用1课时在课上进行项目总结阶段。基于前面的项目分解，可通过师生共同讨论，规划出本次跨学科实践活动计划表，见表2。

4.3. 项目执行

4.3.1. 分析气体进出肺的原理

了解气体进出肺的原理，是后续设计和制作观察香烟焦油对草履虫纤毛影响实验装置的理论基础。教师提出问题：气体如何进入肺？是肺先扩张气体后进入，还是气体先进入肺后扩张？在问题驱动下，教师引导学生观看用呼吸系统模型模拟人体呼吸实验视频(若条件允许，提供真实呼吸系统模型让学生动手操作模拟)，学生组内讨论，说明气体进出肺的原理：通过肋间肌和膈肌的收缩与舒张，使得胸腔和肺的容积改变，进而改变肺内气压，与外界大气压形成压强差，使空气进出肺。教师对气体进出肺的原理进行总结，并讲解人在吸烟时，吸烟的动作使胸腔、肺容积变大而产生负压，香烟烟雾从呼吸道进入肺，使学生理解香烟烟雾进入肺的过程和原理。

Table 2. Schedule of interdisciplinary practice activities of “Making experimental device to observe the effect of cigarette tar on the cilia of paramecium”

表2. “制作实验装置，观察香烟焦油对草履虫纤毛的影响”跨学科实践活动计划表

项目任务及课时安排学生活动教师支持设计意图任务1：分析气体进出
肺的原理(1课时) 查阅资料(教材、视频等)，
组内讨论，说明气体进出肺的
原理提供气体进出肺原理的
相关资料，并引导学生
进行分析锻炼学生查阅资料、
合作交流的能力，同时做好后续制作实验装置所需的
理论知识基础任务2：设计并制作烟雾收集器和能持续产生
负压的空气泵(2课时) 上网查阅资料，组内讨论尝试
画出实验装置设计图，
寻找材料制作实验装置指导学生查阅资料，
点评装置设计图，提供所需的实验器材并指导装置安装让学生经历设计图纸到产品制造的过程，培养其空间
构思和动手操作的能力任务3：操作实验装置
进行实验，记录实验
现象(1课时) 运用自制的实验装置模拟人体
吸烟，制作草履虫临时装片，
用显微镜进行观察，
做好实验现象记录为学生提供必要的指导，
同时做好学生实验失败的
心理疏导提升学生操作实验装置以及制作临时装片、显微操作等能力项目成果汇报(1课时) 小组展示汇报，其他小组参考评价标准给出评价，并提出合理改进
建议引导学生反思总结与评价在成果交流中提升评价和
反思能力制作展板或书写倡议书，
宣传吸烟的危害提供完善建议自觉拒绝吸烟的同时宣传
吸烟的危害，提升社会
责任感

4.3.2. 设计并制作烟雾收集器和空气泵

模拟吸烟装置(如图2)由烟雾收集器(250 mL玻璃瓶)、空气泵(60 mL注射器)和乳胶管(约35 cm)组成。烟雾收集器内装有一定量的草履虫培养液上装有双孔橡胶塞。其中一个孔插入一支90˚弯玻璃管，玻璃管一端套上一段塑料管(2 mL一次性滴管裁剪而成)，作为香烟放置处：玻璃管另一端套上开口封闭的塑料管，在塑料管上扎一些小洞以便烟雾通过。另一个孔也插入一支90˚弯玻璃管，作为抽气管。将烟雾收集器的抽气管与注射器的注射口用乳胶管进行连接。

Figure 2. Simulated smoking device

图2. 模拟吸烟装置

4.3.3. 操作实验装置，记录实验现象

取一滴备用的草履虫培养液，制作成临时装片，再用显微镜观察正常生活状态下的草履虫及其运动，注意纤毛的摆动。

在收集器香烟放置处插入一支点燃的香烟，抽拉注射器，使香烟烟雾持续进入收集器，并注意观察浸在草履虫培养液中的塑料管上是否有小气泡冒出。取3个相同规格的烟雾收集器，分别装入100 mL草履虫培养液，分别收集1支、2支、3支香烟的烟雾量。香烟燃尽后，分别取收集器底部的培养液进行显微镜观察，并录像、拍照来记录草履虫的运动情况。

利用显微镜放大400倍后，可以勉强观察到草履虫的纤毛及运动状况，而草履虫被香烟焦油黏结的现象却不明显。这与项目活动预期观察到的实验现象不一致。推测可能的原因有所用显微镜放大倍数和收集器收集的焦油的量不足。故将观察指标调整为不同烟雾量下草履虫的运动情况。草履虫通过纤毛的摆动在水中旋转前进，行进过程中时不时会做出明显的螺旋摇摆或前后翻滚的动作，可以通过手机录像等方式来记录一定时间内草履虫出现这类动作的次数，以此大致反映其运动速度。按照香烟烟雾量0支(正常生活状态)、1支、2支和3支分为四组，每组实验进行四次记录，结果最后再取平均值，最终实验数据如表3所示。

Table 3. Records of paramecia movement in different amounts of cigarette smoke

表3. 不同香烟烟雾量中草履虫运动情况记录表

香烟烟雾量(支) 草履虫运动情况(单位：次/30秒) 0 5.15 ± 0.41 1 3.66 ± 0.38 2 2.63 ± 0.24 3 1.68 ± 0.17

4.4. 项目终结

4.4.1. 展示与评价

每小组派学生代表向全班同学进行成果汇报。汇报内容可以包括这三个方面：一是制作的实验装置和操作实验装置进行实验得出的结果；二是制作与实验过程的分工、遇到的问题及解决办法等；三是本次活动的收获与感悟。汇报结束后，可以设置一个提问答疑环节，即其他小组可以向展示的小组提出自己的疑问，展示的小组成员进行回答，以促进各小组间的交流，相互借鉴，取长补短。在这个环节中需要教师做好引导作用。

师生根据前面共同建立的评价标准(表1)对汇报小组制作的实验装置进行总体评价。评价主体包括自评、学生互评和师评。借助多元评价方式激励学生参与到学习中来，使学生从被评价者转变为评价者，以不一样的视角审视自己所经历的跨学科实践学习。

4.4.2. 宣传推广

各小组结合“展示与评价”里师生的评价与建议，并借鉴其他小组制作的实验装置的优点，进一步完善自己的实验装置。组内成员讨论，结合实验结果选择合适宣传方式，如微视频、展板、倡议书等，在线下与线上如学校、社区、微信群和QQ群等来宣传吸烟的危害，倡导大家拒绝吸烟。

5. 小结

本文设计“制作实验装置，观察香烟焦油对草履虫纤毛的影响”跨学科实践活动，通过借助项目式学习的形式来开展。项目式学习注重真实情境、多学科融合、团队合作、产品制作、成果交流和活动评价等，基于项目式学习的跨学科实践活动在培养学生运用多学科知识分析与解决问题的能力的同时，还能提高团队合作、语言表达与交流等能力。另外，中学阶段是学生生理与心理发展的关键时期，这个时期的学生容易盲目跟风染上烟瘾，严重影响身心健康发展。学生在本文活动中，利用自制实验装置可以观察到香烟烟雾对草履虫的影响，可以在实验过程中较为深刻感受到吸烟的危害，从而形成吸烟有害健康的观念，不仅自觉拒绝吸烟，还可以结合实验证据向公众宣传吸烟有害健康的理念。因此，“制作实验装置，观察香烟焦油对草履虫纤毛的影响”跨学科实践活动对于发展学生核心素养和促进学生身心健康都有重要的意义。

基金项目

赤峰学院一流学科建设项目(CFXYYLXKB202102)；赤峰学院教育硕士专项(CFXYJYSS12019)；赤峰学院研究生科研创新项目(2024年度)。

NOTES

*第一作者。

#通讯作者。