生物学实验的创新改进与跨学科深度学习实践

摘要

针对初中“模拟酸雨对生物影响”实验中黄豆发芽周期长、观测标准主观的痛点，提出以反应灵敏的斑马鱼替代黄豆作为实验对象。其改进方案为：材料革新（斑马鱼替代黄豆）；方法升级（建立“体色/鳃丝定性+呼吸频率定量”的观测体系）；任务重构（融入酸雨配制化学知识及数据统计数学方法）。进而，设计“现象观察→数据处理→机理推理→环保倡议”的学习链，将生物学、化学、数学与环境科学进行深度融通。教学实践表明，该模式既大幅缩短实验周期，更借助直观的动物生理反应，有效促进了学生跨学科知识的迁移与科学探究素养的协同发展，从而为初中跨学科主题教学提供了一个切实可行的实践案例。

Graphical abstract

关键词

跨学科学习 / 实验创新 / 酸雨模拟 / 生物生命活动 / 深度学习 / 科学探究

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》明确提出“注重学科内综合和跨学科融合”，强调通过真实情境中的探究活动，引导学生运用多学科知识解决问题，培养核心素养^［1］。“模拟酸雨对生物的影响”实验作为环境教育与生物学结合的重要载体，其传统设计多局限于单一学科视角，难以实现深度学习目标。对此，笔者从跨学科视角出发，针对实验材料、方法及教学环节进行创新改进，将生物学观测、化学溶液配制、数学数据分析与环境科学应用有机融合，在实践中验证了跨学科实验对学生深度学习的促进作用。

1 传统实验的局限与跨学科改进的必要性

传统实验以黄豆种子萌发为观测对象，在教学实践中存在3个方面的现实局限。

（1） 学科融合潜力未充分发挥：若教学设计未能主动整合多学科视角，则极易将实验窄化为单纯的生物学“种子萌发条件”验证。如此，学生既无法理解酸雨pH背后的化学原理，也难以运用数学方法进行量化分析与科学推理，导致知识碎片化，系统性思维与跨学科解决实际问题的能力无从培养。

（2） 学习深度不足：若仅采用“萌发与否”的定性观测，则缺乏“pH与萌发率量化关系”的延伸探究，可能导致学生的结论停留在“酸雨有害”的表层认知，未触及环境因素影响生物生命活动的深层规律。

（3） 教学效率有待提升：黄豆萌发周期长达3~5 d，课堂无法完成完整的探究过程；“胚根突破种皮”的萌发界定标准模糊，观测结果主观性强，难以支撑严谨的科学论证。

基于此，跨学科改进成为必然：需选择更适合课堂观测的材料，设计多学科融合的探究任务，让学生在“做中学”中实现知识整合与思维进阶。

2 跨学科实验的创新设计

2.1 实验材料的跨学科选择：从“植物种子”到“水生生物”

选择斑马鱼替代黄豆，基于3个方面跨学科考量^［2］。

（1） 生物学视角：斑马鱼为脊椎动物，呼吸、体色等生理指标对环境变化敏感，观测直观（如鳃丝活动可直接反映呼吸状态）。

（2） 教学效率视角：斑马鱼在不同pH溶液中的反应可在10~15 min内显现，适合课堂完成。

（3） 成本与伦理视角：斑马鱼的价格较为低廉（约0.5元/条），实验后可放回清水存活，符合“减少生物伤害”的科学伦理。

2.2 实验方法的跨学科整合：定性观测与定量分析结合

实验设计整合化学、数学、生物学等多学科方法，形成“问题→操作→分析→结论”的完整探究链。

（1） 化学方法：模拟酸雨的精准配制。

用5%白醋配制pH=3～7溶液（pH=7为对照组），使用pH试纸或检测仪校准。学生在配制过程中理解“pH”的化学意义（溶液酸碱度的量化指标），掌握溶液稀释的基本操作，建立“环境污染物可通过化学方法模拟”的认知。

（2） 生物学观测：生理指标的定性记录。

引导学生以小组为单位分工合作，实验开始后每隔2 min观察1次，持续10 min，记录不同pH溶液中斑马鱼的状态（以10 min时的观测结果为核心记录依据）：体色（是否变白）、鳃丝活动（是否减弱）、游动状态（是否活跃），将10 min后的状态与初始状态进行比较，具体观测结果见表1。将“酸雨危害”具象化为生物生理指标的变化，理解“生物与环境统一”的生物学核心概念。

（3） 数学方法：呼吸频率的定量统计。

学生小组合作每隔2 min统计1 min内斑马鱼的鳃盖开合次数（呼吸频率），见表2，并计算平行组平均值（取平均值减小误差）。根据统计数据绘制折线图（图1），用折线图展示“pH-时间-呼吸频率”的关系，直观呈现规律。通过数据处理（平均值、图表绘制）理解“量化研究”的意义，培养用数学语言描述科学规律的能力。

3 跨学科实验的实施过程与深度学习的体现

依据深度学习理论展开教学。深度学习是指学习者围绕真实问题，通过多学科知识整合、高阶思维（分析、推理、建模）参与，实现知识迁移与核心素养发展的学习过程，其核心是“超越表层知识，达成概念理解与能力应用”^［3］。该实验通过以下流程落实深度学习目标。

3.1 实验流程：以“问题链”驱动跨学科探究

（1） 情境导入（环境科学）：展示酸雨污染实景图，提出核心问题——“酸雨的危害程度与酸碱度有关吗？如何用实验验证？”

（2） 方案设计（多学科整合）：围绕化学、生物学、数学多学科整合设置问题——“如何配制不同pH的模拟酸雨？”“选择什么观测指标能反映斑马鱼的健康状态？”“如何记录数据才能让结果更可靠？”

3.2 实验操作：分工合作

分组完成溶液配制、斑马鱼投放、指标观测、数据记录（每组4人，分别负责化学操作、生物学观测、数学统计、记录总结）。

3.3 分析讨论：思维进阶

（1） 定性分析：“当pH=3时，斑马鱼体色迅速变白，这与鳃丝功能受损有什么关系？”（生物学：鳃丝是呼吸器官，受损导致供氧不足^［2］）

（2） 定量分析：“从折线图看，pH每降低1，呼吸频率下降多少？这说明什么？”（数学+环境科学：pH越低，危害越显著）

3.4 实验结果：跨学科证据链支撑结论

实现定性结果和定量结果双重证据证明结论：学生发现pH≤5时，斑马鱼体色、鳃丝、活动能力随pH降低而恶化，定性结果直观体现酸雨的生物学危害；当pH=3时，10 min内呼吸频率从292.8 次/min降至0（死亡），当pH=7（对照组）时，呼吸频率稳定在260~280 次/min，定量直观发现pH与呼吸频率呈正相关（pH越低，呼吸频率下降越快）。通过定性实验和定量实验结果分析，学生发现酸雨对生物的危害具有“剂量效应”（pH越低，危害越显著），这一结论得到化学溶液配制的精准性、生物学观测的直观性、数学数据的客观性共同验证。

4 跨学科实验的教学价值与创新点

结合布鲁姆教育目标分类学与跨学科深度学习理论，该实验从3个方面实现深度学习^［3］。

4.1 教学价值：深度学习的实现路径

（1） 知识整合：打破学科壁垒，学生在实验中同步运用化学（pH定义、溶液稀释）、生物学（生物与环境的关系、呼吸器官功能）、数学（数据统计、图表绘制）知识，形成“环境问题—学科方法—解决方案”的知识网络^［3］。

（2） 思维进阶：从“观察现象”（定性）到“分析数据”（定量），再到“归纳规律”（剂量效应），培养科学思维。

（3） 素养提升：通过设计方案、处理数据、合作讨论等方式，提升科学探究、创新意识与责任担当（如实验后放回斑马鱼的环保意识）。

4.2 创新点

（1） 理论创新：首次提出“初中生物学实验的跨学科三阶设计模型”（材料选择→方法整合→素养评价）。

（2） 实践价值高：提供可复制的教学案例——实验成本低（每组耗材＜5元）、耗时短（15 min）、效果显著，适合大规模推广。

（3） 课标契合度高：响应课标“跨学科融合”要求，为初中理科实验创新提供参考范式。

5 结语

围绕“模拟酸雨影响生物生命活动”实验展开创新改进，以斑马鱼替代传统黄豆作为实验对象，解决了黄豆萌发周期长、观测标准模糊的教学痛点。通过化学精准配制不同pH溶液模拟酸雨、生物学定性观测（体色、鳃丝状态等）与数学定量分析（呼吸频率统计及图表绘制）相结合的方式，有机整合生物学、化学、数学与环境科学知识，构建起“现象观察—数据建模—机理分析—社会反思”的深度学习链条。该教学改进不仅突破了传统实验学科融合不足、学习深度有限的局限，更以跨学科任务驱动学生实现知识迁移与能力整合，为初中理科跨学科实验教学提供了可复制、可推广的实践范式。

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] 汪忠，刘恩山.生物课程标准解读［M］.北京：北京师范大学出版社，2002.

[3] 钟启泉.深度学习［M］.上海：华东师范大学出版社，2021.

基金资助

安徽省教育科学研究项目2025年度专题项目“初中生物学跨学科主题深度学习的案例研究”(JKT25044)

安徽省教育信息技术研究课题2025年度“智慧课堂环境下初中生物学跨学科主题学习的实施研究”(AH2025037)