基于学习进阶的跨学科实践教学衔接研究

摘要

“发酵食品的制作”是初高中生物学共同涉及的跨学科实践内容。观摩众多初高中“发酵食品的制作”课堂实录发现，初高中阶段的相关教学活动开展得极其类似，反映出虽然初中有提高学业质量的要求，但高中阶段却忽视学生已掌握相关概念的现实，导致教学衔接失当，影响了学生的学习效果。为解决问题，在分析课标和学情的基础上，基于学习进阶理论进行整体教学设计，初步探索出初高中生物学有效衔接跨学科知识的办法。即：初中阶段的措施——视觉引导，初识发酵；发酵实验，多维观察；发酵辩论，关注社会。高中阶段的措施——基础回顾，巩固概念；改变条件，关注变化；分析结果，建构模型；工程构想，技术演变；深入辩论，问题调研；真实案例，创新工艺。基于案例的跨学科实践教学衔接研究，为初高中教师讲授“发酵食品的制作”在内的相关实验教学提供有益的教学参考。

Graphical abstract

关键词

学习进阶 / 教学衔接 / 跨学科 / 初高中 / 生物学 / 发酵食品

我国的初中和高中生物学教学既相互联系又分工明确，共同构成了一个系统的学习过程。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称“初中新课标”）强调“课程设计重衔接”^［1］，《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“高中新课标”）提出高中生物学课程是义务教育阶段相关课程的延续和拓展^［2］，这就要求初高中生物学教学需要注重延续和渐进。

“初中新课标”中“跨学科实践”这一主题包括发酵食品制作在内的三类跨学科实践活动，旨在发展学生跨学科运用知识的能力、分析和解决问题的综合能力、动手操作的实践能力。“高中新课标”指出，为帮助学生达成对高中生物学选择性必修课程概念3的理解，促进学生生物学核心素养的提升，应开展发酵食品制作的学习活动。可见，发酵食品的制作是初高中生物学共同涉及的跨学科学习内容。

学习进阶是学生在各学段学习同一主题的概念时所遵循的连贯的、典型的学习路径，立足学习起点，内容由浅入深，以期实现知识与能力的提升。学习进阶理论在教育科学实践中得到了一线教师的广泛认同和积极推广。笔者基于学习进阶理论，以“发酵食品的制作”一节为例探索如何利用跨学科学习素材，实现初高中教学内容的有效衔接，进而达成提升学生生物学核心素养和跨学科素养的目标。

1 前端分析

1.1 初中课标分析

“初中新课标”指出，发酵食品的制作可以运用传统发酵技术来完成，发酵食品的改良需要好的创意，运用多学科的知识和方法，从发酵的条件控制、装置的改进、食材的选择等方面不断尝试。

1.2 高中课标分析

“发酵食品的制作”在“高中新课标”中对应概念3“发酵工程利用微生物的特定功能规模化生产对人类有用的产品”。“高中新课标”要求学生结合生产或生活实例，举例说出发酵工程等生物工程及相关技术的基本原理（生命观念）；针对人类生产或生活的某一需求，在发酵工程中选取恰当的技术和方法，尝试提出初步的工程学构想，进行简单的设计和制作（生命观念、科学探究）；面对日常生活或社会热点话题中与生物技术和工程有关的话题，基于证据运用生物学基本概念和原理，就生物技术与工程的安全与伦理问题表明自己的观点并展开讨论（科学思维、社会责任）。

“高中新课标”还提出，教师应加强学科间的横向联系，有利于学生理解科学的本质和跨学科概念，发展生物学学科核心素养。

1.3 基于课标分析得出结论

综合初高中课标分析得出以下结论：初高中生物学“发酵食品的制作”既有连贯性，也存在区别，主要体现在学习内容的深度和广度上存在一定的差异。具体表现为：初中侧重培养学生的基本科学素养和实践能力；而高中则强调学生能力的进一步深化和拓展，要求学生选择适当的技术和方法，进行实验设计和操作，产生有价值的产品。

1.4 学生分析

通过分析初高中学生的基本学情，我们可以得出以下结论：初中生主要以具象思维为主，其抽象思维尚处于起步阶段，因此可以采用简单的实验、图片等形式帮助他们建立起“发酵食品的制作”的基本概念；高中生的抽象思维正在逐步形成，对抽象概念的认识能力不断提高，更关注对事物本质的深刻理解，故而教师可以通过探究性问题的验证、实际案例分析等实验活动，帮助他们将发酵工程的概念与已有的生物学知识有机地结合起来，促使其深入探讨发酵工程的原理及其应用，从而提升其跨学科素养。

2 进阶分析

2.1 生物学核心素养进阶

笔者根据初高中生物学新课标及学习进阶理论，将“发酵食品的制作”涉及的生物学核心素养进行有针对性的进阶划分，其划分结果如图1所示。

2.2 跨学科素养进阶

跨学科素养，是指学生能够理解科学、技术、工程学和数学等学科的相互关系并尝试运用多学科的知识和方法，设计和制作能够解决现实问题或生产特定产品的能力。为了更好地说明问题，笔者借助科学教育中的跨学科素养测评框架^［3］，依据学习进阶理论，将“发酵食品的制作”涉及的跨学科素养进行清晰的进阶划分，其划分结果如图2所示。

3 实施方案

为体现方案的针对性，基于生物学核心素养和跨学科素养的进阶分析，笔者结合初高中课程标准，设计了该节教学的具体实施方案。

3.1 初中阶段

（1） 视觉引导，初识发酵。教师展示面包、酸奶和泡菜的制作图片或视频，提出问题：酸奶和泡菜的独特风味是如何产生的？学生观看图片或视频，分析生活中制作酸奶、泡菜的经历。

核心素养进阶为：概念水平1-2；科学思维水平1-2。跨学科素养进阶为：多维分析水平1-2；知识整合水平1-2。

（2） 发酵实验，多维观察。教师指导学生制作酸奶和泡菜，从理化生角度分别关注并记录发酵过程中的现象。

核心素养进阶为：科学探究水平1-2。跨学科素养进阶为：实验探究水平1-2。

（3） 发酵辩论，关注社会。教师组织学生参与辩论赛，主题为——食品发酵与人类健康：是推动，还是威胁？学生深入思考发酵食品加工、储存过程中可能涉及的微生物活动，认识到发酵食品与社会文化有关，关注食品安全问题。

核心素养进阶为：社会责任水平1-2。跨学科素养进阶为：科学论证水平1-2。

3.2 高中阶段

（1） 基础回顾，巩固概念。学生回顾酸奶和泡菜的制作过程，学习乳酸菌、酵母菌和醋酸菌的代谢特点，明确酶在生物代谢中的关键作用。

核心素养进阶为：概念水平2-3-4。

（2） 改变条件，关注变化。教师将学生分为酸奶组、泡菜组、果酒组和果醋组，指导学生分组设计并演示发酵食品制作的多因素实验。学生按照组别设计多因素实验，演示并比较不同发酵条件下酸奶、泡菜、果酒和果醋的质地和口感。

核心素养进阶为：科学探究水平2-3-4。跨学科素养进阶为：实验探究水平2-3-4。

（3） 分析结果，建构模型。教师引导学生根据多因素实验的结果，建构发酵条件模型。学生以小组合作形式分析数据，讨论微生物的活动和产物变化，总结并建立发酵条件模型。

核心素养进阶为：科学思维水平2-3-4。跨学科素养进阶为：科学论证水平2-3-4。

（4） 工程构想，技术演变。教师引导学生使用流程图将发酵工程分解为多个关键环节如微生物培养、微生物代谢等，深入分析每个环节的相互作用；结合酶的作用机制，分析不同技术参数对产物质量的影响。学生对比传统发酵技术和发酵工程，讨论并总结传统发酵技术的优势和发酵工程的创新之处，探讨在发酵工程中如何保留传统技艺。

核心素养进阶为：概念水平2-3-4。跨学科素养进阶为：多维分析水平2-3-4。

（5） 深入辩论，问题调研。学生选择辩论题如“食品生产中的资源消耗与可再生能源利用”等，并开展相应的辩论；小组成员搜集资料，了解问题的现状、影响因素和解决方案，最后由评审团点评辩论结果。

核心素养进阶为：社会责任水平2-3；科学思维水平4-5。跨学科素养进阶为：知识整合水平2-3。

（6） 真实案例，创新工艺。教师提供真实案例：某酸奶生产公司目前使用传统发酵罐和菌种制备方式生产酸奶，但面临产品稳定性、生产效率等因素的挑战。学生以小组形式深入调查当前的酸奶生产工艺，了解每个环节的工艺流程、技术参数等，批判性地评估工艺，提出创新策略，思考如何使酸奶更符合现代人的饮食习惯，并以小组形式展示研究成果。

核心素养进阶为：科学思维水平5-6；社会责任水平3-4；科学探究水平4-5。跨学科素养进阶为：知识整合水平3-4；科学论证水平3-4。

4 基于学习进阶的“发酵食品的制作”课堂实施案例——高中第二课时

【学情分析】该节课的授课对象是高中二年级学生。学生在初中观察、实践过酸奶和泡菜的制作过程，初步思辨食品发酵与人类健康、食品安全的关系，并在高中第一课时学习过微生物、酶在食品发酵过程中的作用。因此，这一阶段的学生进阶起点为：核心素养——概念水平3；科学思维水平2；科学探究水平2；社会责任水平2。跨学科素养——多维分析水平2；知识整合水平2；实验探究水平2；科学论证水平2。在该课时中，学生将选择更丰富的实验材料如酸奶、泡菜、果酒、果醋等，完成多因素对照实验，并分析结果、建构模型，实现核心素养进阶——科学思维2-3-4、科学探究2-3-4，以及跨学科素养进阶——实验探究2-3-4、科学论证2-3。

【核心素养培养目标】①说出发酵食品制作的基本原理；②初步提升设计多因素实验、分析数据、建构模型的能力；③合作完成发酵食品的制作，初步具备团队合作精神和积极的科学探究精神。

【教学过程片段】

环节一：新课导入。

师（提问）：大家有没有吃过酸奶、泡菜、果酒或果醋？你们知道这些食品是如何制作的吗？

生（学生回忆初中所学，思考并提问）：酸奶是怎么变得又酸又稠的？泡菜为什么会有独特的酸辣味？果酒是如何发酵出酒精的？果醋的酸味是怎么来的？

根据上述问题，教师和学生一起简单地总结发酵食品的制作原理。

环节二：多因素实验设计。

教师根据学生兴趣，将其分为酸奶组、泡菜组、果酒组和果醋组，每组4～5人，并提出问题：在不同条件下，酸奶、泡菜、果酒和果醋的品质如何变化？

学生确定将要探究的实验条件，并据此设计实验方案、实验记录表（表1）。教师巡视各组实验情况，指导实验设计，确保每组实验方案合理可行。

环节三：完成实验。

各组按照设计的实验方案进行实验，并详细记录实验过程中的数据和观察结果，确保数据准确。酸奶组的实验数据如表1所示。

环节四：建构发酵条件模型。

各组将实验数据整理成表格，讨论不同发酵条件下微生物的活动情况。

师（提问）：如何控制发酵条件？

根据分析结果并结合问题，各组总结出适合的发酵条件模型（表2），并派代表展示发酵条件模型，介绍实验过程、数据分析和结论。部分小组提出：要想得出最适宜的发酵条件，须设计更多梯度的对照实验。可见，学生经历了较为充分的思考后，其论证和探究能力有所提升。

【课后任务】

研究其他发酵食品（如腐乳、奶酪等）的适宜发酵条件。

【教学评价】

课前，任课教师向相关师生发放评价单（表3），采用教师评价、师生互评和学生自评等方式开展评价。

5 总结与反思

5.1 立足起点，设置目标

教学目标需要根据学生的认知水平和掌握的知识进行合理设定，如初中生以具象思维为主，而高中生逐渐发展出抽象思维能力。因此，在初中阶段，可以通过简单的实验和图片帮助学生建立基础概念；在高中阶段，可以通过探究性问题和实际案例帮助学生分析相关知识点，促其深入理解发酵工程的原理和应用。

5.2 依据目标，整合内容

课程内容需要立足学情，并依据学习目标进行整合。初中课程侧重基础知识的学习和实践操作，因而只开设酸奶、泡菜的基础发酵实验；而高中课程需要在此基础上进行深化和拓展，强调多元的实验材料，借此深入挖掘发酵实验的影响因素，即设计并实施多因素实验。

5.3 梳理内容，构建体系

教师依据课程内容，帮助学生构建从微生物代谢到发酵工程应用的完整知识框架，有助于学生系统地掌握发酵相关知识，实现从基础概念到复杂原理的理解。

5.4 沟通协作，资源共享

为实现初高中教学内容的有效衔接，初高中生物学教师需要共享资源，加强学习进阶、教学衔接等方面的理论学习，减少、避免教学断层现象，以期促进学生核心素养和跨学科素养的连续发展。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育生物学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[3] 宋歌.科学教育中的跨学科素养测评框架建构及应用研究［D］.上海：华东师范大学，2019.