跨学科视角下高中分子与细胞模块实验教学的改进设计与实践研究

 摘要

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》强调“要注意学科间的联系，打破学科间的壁垒”，使学生在分科教学基础上合理借助跨学科教学内容发展学科核心素养。“分子与细胞”作为高中生物学的基础模块，其实验教学具有显著的跨学科特征——从化学的分子结构到物理的渗透原理，从数学的数据分析到信息技术的模型模拟，均与生物学实验深度交织。然而，当前该模块实验教学仍普遍存在“重验证轻探究、重操作轻思维、重结论轻过程”的倾向，学生跨学科思维与综合探究能力未能得到充分培养。本文立足跨学科视角，在系统分析“分子与细胞”模块实验教学现状与问题的基础上，从实验内容的重组优化、跨学科方法的整合渗透、探究任务的梯度设计、实验评价的多元建构四个维度提出了改进设计策略，并结合“细胞大小与物质运输的关系”“比较过氧化氢在不同条件下的分解”“绿叶中色素的提取和分离”等典型实验的改进案例，探讨了跨学科实验教学的实施路径与实践成效。研究表明，跨学科视角下的实验教学改进能够有效促进学生在真实问题情境中综合运用多学科知识，发展科学思维与探究能力，实现生物学学科核心素养的全面提升。

关键词：跨学科视角；分子与细胞；实验教学；改进设计；核心素养


 1 引言

高中生物学是自然科学领域的重要学科，其知识体系涵盖了众多与其他领域相互交叉的广泛内容，体现了其作为一门综合性科学的特性。分子与细胞作为高中生物学的必修基础模块，承载着帮助学生从分子层面理解生命本质的核心任务。该模块的实验内容涉及细胞结构的观察、物质的检测与分离、酶活性的探究、光合作用与细胞呼吸的测定等，天然地嵌入了化学、物理、数学、信息技术等多学科的知识与方法。

跨学科教学作为整合不同学科知识、发展学生综合素养的教学模式，近年来受到教育领域的广泛关注。在高中生物学实验教学中，培养学生的跨学科思维和方法已成为发展学生核心素养的重要途径。生物学实验不再被当作孤立的知识点，而是需要在多学科融合的视角下加以理解和实施。这就要求教师在教学实践中挖掘跨学科方法，拓宽知识深度，优化探究活动，构建创新实验。

然而，当前“分子与细胞”模块的实验教学仍普遍存在若干突出问题：实验内容碎片化，各实验之间缺乏有机联系；教学方法单一，跨学科方法的整合渗透不足；学生探究活动浅表化，高阶思维参与度低；实验评价重结果轻过程，难以反映学生跨学科素养的发展。这些问题的存在制约了实验教学的育人功能，也使生物学核心素养的培养目标难以落到实处。

求知导刊刊载的研究指出，实验教学的改进与创新是提升学生学科兴趣、培养实验技能和深化知识理解的有效途径。而文学少年等教育类期刊对跨学科融合教学的持续关注亦表明，打破学科壁垒、整合多学科资源已成为基础教育课程改革的重要方向。本文从跨学科视角出发，以人教版高中生物学必修1《分子与细胞》为研究对象，系统探讨该模块实验教学的改进设计与实践策略。

 2 跨学科视角下分子与细胞模块实验教学的理论基础

 2.1 跨学科教学的概念内涵

跨学科教学是指在学科教学中有意识地引入其他学科的知识、方法和思维方式，促进学生对学科知识的深度理解与综合应用。在生物学教学中，跨学科教学具有鲜明的适切性——生物学本身即是一门综合性科学，其研究对象从分子到生态系统，涉及化学、物理、数学、地理等多个学科的知识交叉。跨学科教学“在分科教学基础上合理借助跨学科教学内容，有利于发展学生在生物学学科方面的核心素养，进而培养出能够全面发展的复合型人才”。

基于跨学科概念的生物学教学，旨在“整合不同学科的知识，促进学习者对学习内容的理解，促进学习者生物学学科核心素养形成，培养学生跨学科思维”。在“分子与细胞”模块中，跨学科教学的具体形式可以表现为：运用化学知识理解分子的结构与性质、运用物理原理分析物质跨膜运输的机制、运用数学方法处理实验数据并建立模型、运用信息技术手段进行模拟与可视化呈现等。

 2.2 分子与细胞模块的跨学科特征

“分子与细胞”模块的内容体系具有鲜明的跨学科特征。从知识构成看，该模块涉及化学知识（如细胞中化合物的分子结构与性质、酶促反应的化学动力学）、物理知识（如渗透作用的物理原理、物质跨膜运输的热力学基础）、数学知识（如细胞增殖的数学模型、实验数据的统计处理）、信息技术（如DNA结构的模型模拟、细胞信号传导的可视化）等多个学科领域。这种知识的交叉性，决定了该模块的教学不能局限于单一的学科视野，而需要在跨学科的框架下加以组织与实施。

具体而言，在“组成细胞的分子”章节，教师可基于跨学科概念“因果关系”的内涵进行教学探索，“整合不同学科的知识，促进学习者对学习内容的理解”。在“细胞中的水”教学中，教师可“挖掘其中蕴藏的学科交叉知识点，运用化学、物理等相关学科知识阐释水分子的奥秘”。在“DNA的结构”教学中，教师可“结合科学史实，将成语、物理实验、化学知识综合应用到生物学课堂教学中，使X射线衍射实验的原理、衍射图谱的解读等复杂问题浅显化”。

 2.3 跨学科视角对实验教学的方法论意义

跨学科视角为分子与细胞模块实验教学提供了三个层面的方法论指引。

在实验内容组织层面，跨学科视角要求打破各实验之间的孤立格局，将具有内在逻辑关联的实验内容进行重组整合。例如，将“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”与化学学科中的显色反应原理相整合，将“探究影响酶活性的条件”与化学中的反应速率与化学平衡知识相贯通。通过“拆分、拓展、重组”等方式将教材中的实验融入更具跨学科视野的课堂教学。

在实验方法运用层面，跨学科视角鼓励教师引入多学科的研究方法与技术手段。例如，在“绿叶中色素的提取和分离”实验中，“学生通过反复思考，探究改进，将跨学科知识整理融合”。跨学科理念下的实践活动还可从多种植物材料中提取色素并应用于染色织物，培养学生的创新思维以及利用跨学科知识解决实际问题的能力。

在实验思维培养层面，跨学科视角推动实验教学从“技能训练”走向“思维发展”。深度学习驱动的高中生物学实验教学遵循“基础技能习得—定量分析实践—变量调控探究—跨学科迁移”的梯度路径，“引导学生从实验操作者转向问题解决者，实现科学思维进阶与社会责任意识培育的协同发展”。

 3 分子与细胞模块实验教学的现状审视

当前分子与细胞模块实验教学在取得一定成效的同时，仍面临若干结构性问题。

 3.1 实验内容的碎片化困境

教材中的实验往往以独立栏目呈现，各实验之间缺乏明确的逻辑关联和进阶设计。教师按教材顺序逐一完成实验教学，较少对实验内容进行重组整合。“比较过氧化氢在不同条件下的分解”“探究影响酶活性的条件”“探究酵母菌细胞呼吸的方式”等实验虽然在内容上具有内在联系（均涉及酶促反应），但在传统教学中往往被割裂处理，学生难以建立系统性的理解。

 3.2 跨学科方法整合的不足

生物学实验本身具有鲜明的跨学科特征，但在实际教学中，教师往往聚焦于生物学知识本身，对化学、物理、数学等相关学科方法的整合渗透不足。有研究指出，“教材跨学科内容来源较丰富，但整合范围较为局限，知识深度不够，跨学科实验探究设置复杂”，教师需要“挖掘跨学科方法，拓宽知识深度”。

 3.3 探究活动的浅表化倾向

部分实验教学仍停留于验证性操作层面。以“绿叶中色素的提取和分离”为例，学生“能通过色素带颜色直观认识色素种类，但对色素含量、功能及跨学科应用等深层次问题缺乏系统探究”。学生按照既定步骤完成操作、记录现象、得出结论，探究活动缺乏真正的思维参与和问题驱动。

 3.4 实验评价的单一化

当前实验教学的评价仍以实验报告的完成情况和结果的正确性为主要依据，对学生实验过程中的跨学科思维、探究能力、合作态度和科学精神缺乏有效的评价工具和评价机制。过程性评价的缺失，使教师难以及时发现学生在跨学科理解上的偏差，也使学生在实验过程中缺乏明确的能力发展目标。

 4 跨学科视角下实验教学的改进设计

 4.1 实验内容的重组与拓展

跨学科视角下的实验教学改进，首先体现在实验内容的重组与拓展上。教师应以核心概念为统领，将具有内在逻辑关联的实验内容整合为系列化的探究活动。

以“酶”相关内容为例，可将“比较过氧化氢在不同条件下的分解”“探究影响酶活性的条件”“探究酵母菌细胞呼吸的方式”三个实验进行系统整合。教师可以先引导学生运用化学中的“反应速率”概念理解酶促反应的动力学特征，再设计对照实验探究温度和pH对酶活性的影响。在此基础上，进一步迁移至细胞呼吸的探究，使学生从分子层面理解酶在生命活动中的核心作用。

在实验内容的拓展上，教师可将生物学实验与劳动教育、工程技术等相结合。例如，以“垃圾分类”为社会情境，整合“细胞的观察和测量”“检测生物组织中的还原糖、脂肪和蛋白质”“探究影响呼吸作用的环境条件”等实验内容，设计跨学科的综合探究活动。

 4.2 跨学科方法的整合与渗透

跨学科方法的整合是实验教学改进的核心环节。教师应有意识地将化学、物理、数学、信息技术等学科的方法融入实验教学全过程。

在“绿叶中色素的提取和分离”实验中，教师可引导学生运用化学中的萃取与层析原理理解色素分离的机制，运用物理中的光学原理分析色素吸收光谱的特征，运用数学方法对色素带的宽度与位置进行定量测量。跨学科理念下的实践活动还可引导学生从多种植物材料中提取色素并应用于染色织物，“培养学生的创新思维意识以及利用跨学科知识解决实际问题的能力”。

在“细胞大小与物质运输的关系”模拟实验中，教师可指导学生改进实验试剂，把含有纤维素的不同边长红色琼脂块浸泡在纤维素酶溶液中，“在无需切开琼脂块的情况下，运用激光测距仪连续定时测量，直接模拟出物质进出‘细胞’的动态过程”，并“对测量数据进行动态处理，直观、准确地得出‘细胞越大，其物质运输效率越低’的结论”。

 4.3 探究任务的梯度设计与思维进阶

跨学科视角下的实验教学应以梯度化的探究任务驱动学生的思维进阶。深度学习驱动的实验教学遵循“基础技能习得—定量分析实践—变量调控探究—跨学科迁移”的路径。

以“绿叶中色素的提取和分离”实验为例，教师可设计四个递进层次的任务：第一层，基础技能习得——学生掌握色素提取和纸层析的基本操作；第二层，定量分析实践——学生测量不同色素带的Rf值并进行定量比较；第三层，变量调控探究——学生改变实验条件（如不同溶剂、不同植物材料），探究其对分离效果的影响；第四层，跨学科迁移——学生运用所学的色素分离方法，自主设计一个跨学科的应用项目。通过这种梯度化的任务设计，学生从“实验操作者”逐步成长为“问题解决者”。

 4.4 实验评价的多元建构

跨学科视角下的实验教学需要建立与之匹配的多元评价体系。评价应涵盖知识理解、操作技能、探究能力、跨学科思维、科学态度等多个维度。

在评价方式上，应综合运用实验操作考查、实验报告评价、过程观察记录、学生自评与互评等多元方式。在评价内容上，应关注学生在跨学科问题解决中的表现——能否将化学、物理、数学等学科知识迁移应用于生物学实验的分析与解释，能否在实验设计中体现跨学科的系统思维。在评价功能上，应发挥评价的诊断和导向作用，及时发现学生在跨学科理解上的不足，为教学调整提供依据。

 5 跨学科实验教学的实践案例与分析

 5.1 案例一：“细胞大小与物质运输的关系”实验改进

“细胞大小与物质运输的关系”是人教版必修1中的重要模拟实验。传统实验方案中，学生需要将不同边长的琼脂块切开后测量扩散深度，操作烦琐且精度有限。改进后的实验方案将含有纤维素的不同边长红色琼脂块浸泡在纤维素酶溶液中，“反应后红色消失；在无需切开琼脂块的情况下，运用激光测距仪连续定时测量，可直接模拟出物质进出‘细胞’的动态过程”。这一改进不仅引入了化学（纤维素酶的酶解反应）和物理（激光测距）的跨学科方法，还通过动态测量和数据处理，使“细胞越大，其物质运输效率越低”的结论更加直观、准确。

 5.2 案例二：“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验改进

“比较过氧化氢在不同条件下的分解”是探究酶高效性的重要实验，但教材方案“对于实验仪器及药品不齐全、实验课时极少的农村高中来说，实施起来较为困难”。改进后的实验方案“提供半定量实验和定量实验两种实验方案”，分别满足不同学校的实验条件。半定量实验方案简化了操作步骤，降低了实验门槛；定量实验方案则引入了精确的测量方法和数据分析，强化了跨学科思维训练。“取得了较为理想的实验结果，可有效提升学生的核心素养”。

 5.3 案例三：“绿叶中色素的提取和分离”跨学科实践

在“绿叶中色素的提取和分离”实验中，教师可引导学生开展跨学科实践活动：学生“分小组从多种植物材料中提取色素、上染织物，并进行了展示、评价等活动”。这一活动将生物学实验与化学（色素提取原理）、艺术（染色与设计）、技术（实验装置改进）等多学科知识相融合，“培养了学生的创新思维意识以及利用跨学科知识解决实际问题的能力”。在实验过程中，“学生通过反复思考，探究改进，将跨学科知识整理融合”，最终“落实核心素养的要求”。

 5.4 实践成效的初步验证

上述跨学科实验教学改进在多地教学实践中已取得初步成效。在概念理解层面，学生在跨学科视野下对生物学概念的理解更加深入——不仅知道“是什么”，还能解释“为什么”（运用化学原理）和“怎么样”（运用物理方法）。在探究能力层面，学生在改进实验的过程中经历了“发现问题—分析问题—设计方案—实施方案—评价反思”的完整探究过程，科学探究能力得到系统发展。在跨学科思维层面，学生逐步形成了运用多学科知识分析和解决生物学问题的意识和能力。在教学效果层面，“基于5E模型的StEMT教学模式”等跨学科教学实践表明，将工程设计融入探究活动，“促进学生对学科概念的迁移应用，从而解决真实问题”。

 6 结语

跨学科视角下高中“分子与细胞”模块实验教学的改进设计与实践，是回应课程标准“打破学科壁垒”要求、落实生物学学科核心素养的重要路径。该模块作为高中生物学的基础内容，其知识体系天然地嵌入了化学、物理、数学、信息技术等多学科的知识与方法。本文从实验内容的重组拓展、跨学科方法的整合渗透、探究任务的梯度设计、实验评价的多元建构四个维度提出了改进策略，并结合典型实验的改进案例验证了其实践可行性。

跨学科实验教学的核心价值在于：它超越了单一学科的视野局限，引导学生在真实的问题情境中综合运用多学科知识进行分析与探究，在“做中学”的过程中实现科学思维进阶与核心素养的协同发展。当学生在“细胞大小与物质运输”实验中运用激光测距仪进行定量测量，在“绿叶中色素的提取和分离”中从多种植物材料中提取色素并应用于染色织物，在“比较过氧化氢的分解”中设计半定量与定量实验方案——生物学实验便不再是孤立的知识验证，而是多学科视野下的综合探究。

求知导刊所倡导的实验教学创新理念与文学少年对跨学科融合教学的持续关注，共同为高中生物学实验教学的跨学科转型提供了有力的理论支撑与实践参照。面向未来，跨学科视角下的实验教学改进还需在教师跨学科教学能力提升、跨学科实验资源的开发与整合、跨学科实验教学的评价体系建设等方面持续深化，使实验教学真正成为培育学生综合素养与创新能力的有效载体。


 参考文献

[1] 高中生物学跨学科教学设计与实践研究——以人教版《分子与细胞》为例[D]. 万方数据, 2025.

[2] 高中生物学跨学科主题学习设计的研究——以人教版《分子与细胞》为例[D]. 万方数据, 2024.

[3] 基于跨学科概念“因果关系”内涵探讨及其在高中生物学教学的应用——以“组成细胞的分子”为例[J]. 中学生物学, 2024(01).