《高中化学化学与生物与全球创新课｜了解理念 树立意识》

1.1传统分科教学下的认知局限演讲人2026-06-10《高中化学化学与生物与全球创新课｜了解理念树立意识》我从事高中跨学科探究课程开发与教学已有八年时间，期间走访过全国二十余所不同层次的高中，与近千名高中师生交流过对理科教学的认知。我发现一个普遍的问题：多数学生对化学、生物学科的认知仅停留在应对升学考试的知识点层面，既不了解两个学科交叉融合产生的创新活力，更没有意识到这两个基础学科是应对全球共同挑战、推动全球创新的核心支撑。正是基于这个观察，我们开发了本课程，核心目标就是帮助学生打破分科教学的知识壁垒，建立跨学科创新的基本理念，树立面向全球议题的创新责任意识。接下来我将从课程理念、核心内容、培育路径三个维度展开对本课程的介绍。1课程核心理念：从单一学科知识识记到跨学科全球问题解决的转向本课程的设计首先跳出了传统以考点为核心的逻辑，从学科发展规律和全球发展需求出发重新定位课程目标，核心理念可分为三个层面：1传统分科教学下的认知局限011传统分科教学下的认知局限我去年在一所县级高中听高三化学复习课，老师讲完合成氨的反应条件、工业流程考点后，我随机抽问了十名学生，仅有两名学生能说出合成氨技术对全球粮食增产的作用，没有一名学生能说出哈伯法合成氨的能耗占全球总能耗的比例，更不知道这项传统化工技术和当前全球碳中和目标的关联。同样在高三生物复习课上，我问学生mRNA疫苗能实现临床应用的核心突破是什么，多数学生只能说出中心法则的流程，不知道mRNA的化学修饰是其突破免疫清除问题的核心关键。这种认知局限不是学生的问题，是传统分科教学以考点为核心的设计逻辑导致的：学生记住了碎片化的知识点，却不知道知识点在哪里应用，更不知道知识点可以解决哪些全人类共同面对的问题。2化学与生物交叉融合的原生学科逻辑022化学与生物交叉融合的原生学科逻辑从现代科学发展历程来看，化学和生物从来都是不可分割的整体：19世纪分子生物学诞生的基础就是生物化学的发展，科学家通过化学方法分离提纯生物大分子，才解开了遗传信息传递的密码；20世纪以来的生命科学重大创新，几乎都是交叉学科的成果：基因测序技术依赖化学的荧光标记技术与生物的分子杂交技术，靶向抗癌药物依赖化学的小分子结构设计与生物的靶点验证，当前最热门的合成生物学更是直接以工程化的思路，结合化学合成能力与生物的基因编辑能力创造新的功能。这种原生的交叉逻辑，决定了高中阶段的创新教育必须打破两个学科的壁垒，才能符合学科发展的真实逻辑，让学生建立符合科学发展规律的认知。3全球创新导向的课程设计初衷033全球创新导向的课程设计初衷当前人类社会面临的气候变化、粮食安全、公共卫生、塑料污染等重大挑战，没有任何一个挑战能靠单一学科解决，也没有任何一个国家能独善其身，全球创新的核心方向就是跨学科、跨国家协作解决共同挑战。高中阶段是世界观和学科兴趣形成的关键时期，我们不能等到学生进入大学、进入科研领域才培养这种意识，必须从高中阶段就渗透这种理念，让学生在学习基础知识的同时，就建立起“知识服务于人类共同福祉”的创新意识，这就是本课程设计的核心初衷。理清了课程的核心理念之后，我们进一步搭建了四个紧扣全球议题的核心内容模块，将化学与生物基础知识融入真实的全球创新场景中，实现理念的具象化落地，具体内容如下：1粮食安全议题：从固氮化学到固氮生物技术的全球创新041粮食安全议题：从固氮化学到固氮生物技术的全球创新当前全球仍然有近8亿人口面临粮食短缺，粮食增产是保障全球粮食安全的核心需求，而氮肥是粮食增产最核心的投入要素之一。化学课程中我们学习了哈伯法合成氨的反应原理，其本质是通过高温高压催化剂将大气中的惰性氮气转化为能被植物利用的氨态氮；生物课程中我们学习了根瘤菌的生物固氮过程，固氮酶可以在常温常压下完成固氮过程，总能耗仅为哈伯法的十分之一不到。我去年带领学生参加全国青少年科技创新大赛，有一个小组的项目就是围绕根瘤菌固氮酶的改良展开的，他们在梳理全球研究进展的时候发现，目前全球近三百个科研团队都在朝着同一个方向攻关：将固氮基因转移到水稻、小麦等禾本科作物中，让作物自身完成固氮，不需要额外施用氮肥。一旦这项技术突破，每年可以减少近1亿吨的氮肥使用，减少近1.5亿吨的碳排放，同时降低低收入国家农民的农业生产成本，从根源上缓解全球粮食不安全问题。在这个模块的学习中，学生既巩固了化学平衡、酶的特性等核心知识点，也直观理解了跨学科创新对解决全球公共问题的价值。2公共卫生议题：从药物化学到疫苗技术的全球协作创新052公共卫生议题：从药物化学到疫苗技术的全球协作创新近年全球公共卫生事件让所有人都意识到了公共卫生领域创新的重要性，而这个领域的创新完全是化学与生物交叉的成果。我印象很深的是2021年有很多学生问我，为什么mRNA疫苗能在短短一年时间里研发成功，是不是“急于上市”的结果？我带着学生梳理了mRNA技术五十年的发展历程：早在1990年科学家就验证了mRNA的功能，但是迟迟不能临床应用，核心难点有两个：一个是未经修饰的mRNA会被人体免疫系统当作外来异物清除，这个问题的解决核心是化学家对核苷酸的化学修饰，通过替换核苷酸上的一个甲基，就让mRNA避开了免疫系统的攻击；第二个难点是mRNA的递送，保护mRNA不被降解的脂质纳米颗粒递送系统是化学家合成的，生物学家完成了细胞层面的功能验证，最终才有了mRNA疫苗的成功。更重要的是，mRNA疫苗的基因序列是全球公开共享的，WHO建立了全球疫苗技术共享平台，各国科学家都可以在此基础上开展研发，2公共卫生议题：从药物化学到疫苗技术的全球协作创新这就是全球创新协作的典型案例。再比如抗疟疾药物青蒿素，从最初的中药提取，到现在用合成生物学改造酵母生产青蒿素前体，是中国、美国、德国等多国科学家跨三十年协作完成的成果，生产成本降低了一半以上，稳定保障了全球疟疾疫区的药物供应。3气候变化议题：从碳循环化学到生物固碳的创新探索063气候变化议题：从碳循环化学到生物固碳的创新探索全球气候变化是当前人类面临的最重大挑战，实现碳中和的核心是控制并减少大气中的二氧化碳浓度，这个过程同样离不开化学与生物的交叉创新。化学课程中我们学习了碳循环，知道CO₂可以通过光合作用转化为有机物，生物课程中我们学习了光合作用的机理，知道现有植物的光合效率不到1%，还有很大的提升空间。我前年带领学生参观中科院天津工业生物技术研究所，看到了他们正在开展的人工合成淀粉项目，还有改造蓝藻固碳项目：通过化学手段解析光合系统的蛋白结构，通过基因编辑改造蓝藻的光合路径，把蓝藻的光合效率提高了两倍以上，改造后的蓝藻可以直接吸收工业排放的CO₂，生产可用于食品加工的蔗糖，既实现了碳封存，也产生了经济价值。目前全球有近百个团队在开展人工固碳的研究，不同国家的团队定期共享研究数据，共同推动技术突破，目的就是为了应对全球气候变化这个全人类的共同挑战。4塑料污染议题：从高分子化学到微生物降解的可持续创新074塑料污染议题：从高分子化学到微生物降解的可持续创新全球每年生产近4亿吨塑料，其中超过三分之一成为难以降解的垃圾，造成了严重的全球海洋污染，超过80%的海洋垃圾是塑料垃圾。解决塑料污染的核心方向是开发生物可降解塑料，这个领域的创新同样是化学和生物结合的成果。去年我带领学生去江南大学生物工程学院参观，他们的可降解材料研发中心已经实现了聚羟基脂肪酸酯（PHA）的规模化生产，PHA是微生物合成的高分子材料，可以在自然环境、海洋环境中完全降解，整个生产过程不需要石油做原料，可以用农作物秸秆的发酵糖作为原料。其中，化学家用高分子化学的方法设计材料的分子结构，调整材料的熔点、强度等性能，满足餐具、包装、纤维等不同场景的需求；生物学家通过基因编辑改造微生物，提高PHA的产量，降低生产成本，现在这种材料已经应用于奶茶吸管、食品包装等多个领域。在这个模块学习中，学生还自己动手测试了不同可降解材料在校园土壤中的降解率，对这个问题有了非常直观的认知。4塑料污染议题：从高分子化学到微生物降解的可持续创新内容模块搭建完成后，我们进一步探索了从理念传导到意识内化的落地路径，形成了三级递进的培育体系，让创新意识真正转化为学生的内在认知，具体路径如下：1第一层级：课堂内的跨学科问题链设计081第一层级：课堂内的跨学科问题链设计我们首先在日常课堂教学中渗透跨学科全球议题，针对化学和生物的核心知识点设计递进式问题链，把知识点和全球议题自然连接起来。比如在讲“氮及其化合物”单元的时候，问题链设计为：①化学层面：哈伯法合成氨的反应原理是什么，为什么需要高温高压条件？②生物层面：生物固氮和化学固氮的机理差异是什么，核心优势在哪里？③全球议题层面：全球氮肥生产每年消耗多少能源，排放多少二氧化碳？④创新层面：有哪些跨学科方向可以解决固氮的高能耗问题？通过这种问题链，引导学生主动用两个学科的知识分析真实问题，打破知识点的碎片化孤立状态。2第二层级：校内跨学科探究项目的开展092第二层级：校内跨学科探究项目的开展我们学校每学期开设两周的跨学科探究周，由化学和生物教师共同带队，学生自由组队选择感兴趣的全球议题开展小项目探究。去年我带队的一个小组，探究的是本地餐饮行业可降解餐具的使用现状与性能评价，学生用化学方法测定了不同可降解材料的拉伸强度、耐水耐温性能，用生物方法测定了不同材料在本地土壤环境中的降解速率，最后形成了调研报告，提交给本地餐饮行业协会，得到了协会的认可，还给本地餐饮企业提出了选型建议。在这个过程中，学生不是被动接收知识，而是主动运用知识解决身边的真实问题，对全球议题的认知从抽象变成了具体。3第三层级：链接全球资源的青少年创新交流103第三层级：链接全球资源的青少年创新交流我们积极组织学生参与全球层面的青少年创新项目，比如全球青少年环境创新大赛、国际遗传工程机器设计竞赛（iGEM）等，让学生和全球不同国家的青少年一起交流创新想法。我之前带的一个学生团队，做的项目是入侵植物水葫芦的资源化利用，用化学方法提取水葫芦中的纤维素，改性后做成可降解包装材料，剩下的残渣用微生物发酵生产沼气，这个项目获得了全球青少年环境创新大赛的银奖。学生在赛后交流中跟我说，原来不管是发达国家还是发展中国家的青少年，都在关注同样的环境问题，创新不分国界，解决共同问题需要大家一起努力，这种认知是在封闭的课堂上很难获得的。课程核心思想总结经过对课程理念的梳理、内容模块的搭建与培育路径的探索，本课程的核心思想已经清晰呈现，我在此对核心主旨做精炼概括：本课程以高中化学与生物的交叉基础知识为载体，以全球共同面临的粮食安全、公共卫生、气候变化、塑料污染等重大挑战为创新场景，核心逻辑是打破