陸瓊衡

摘要：以美國耶魯大學(xué)Stephenc.Stearns教授的《進(jìn)化，生態(tài)和行為原理》課程中“地質(zhì)領(lǐng)域的大事件”一課為例，分析其跨學(xué)科素養(yǎng)，闡述對上海初中科學(xué)教師生物學(xué)業(yè)務(wù)能力提升的重要性，以期完善其知識結(jié)構(gòu)、提高其教學(xué)水準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：美國;耶魯大學(xué);跨學(xué)科素養(yǎng);上海初中科學(xué);生物學(xué)

中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Stephen C.Stearns教授執(zhí)掌耶魯大學(xué)生態(tài)學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)之Edward P.Bass教席20年來，以生命史理論和進(jìn)化醫(yī)學(xué)蜚聲業(yè)界。其36堂《進(jìn)化，生態(tài)和行為原理》是生物和環(huán)境專業(yè)入門課，并向全體耶魯本科生開放。每堂課討論主流觀點，平均50min，經(jīng)耶魯2009年春季錄制后在線播放，十年來久經(jīng)考驗，全球累計學(xué)習(xí)者高達(dá)71.3萬人。該課程通過最新進(jìn)展將知識跨界融合，各種觀點、機制和過程都應(yīng)成為所有生物學(xué)家和公民教育工具的一部分。下面就其第18課“地質(zhì)領(lǐng)域的大事件”進(jìn)行分析，對照牛津上海版的初中《科學(xué)》教材中的相應(yīng)知識板塊，闡述跨學(xué)科素養(yǎng)對于上海初中科學(xué)教師生物學(xué)業(yè)務(wù)能力提升的重要性和操作法。

1生物學(xué)在初中《科學(xué)》教材中的分布分類和教授難度

初中《科學(xué)》教材（以下簡稱“《科學(xué)》”）由物理、化學(xué)、生物、地理四門學(xué)科構(gòu)成，為了具有自然的綜合性，內(nèi)容上采用了主題呈現(xiàn)的形式，每個主題以一兩門學(xué)科知識為主（表1）。

教材對科學(xué)的定義是“正確反映客觀世界某一領(lǐng)域內(nèi)的客觀規(guī)律的知識體系”，在編寫時采用了技術(shù)與社會為“用”，由近（身邊事物、生命）及遠(yuǎn)（宇宙空間）;科學(xué)為“體”，體現(xiàn)物質(zhì)（生命）一能一信息一人一宇宙，在此將四門學(xué)科穿插其中。其開設(shè)是為了幫助學(xué)生從親近自然走向親近科學(xué)，總目標(biāo)是提高每一位學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生健康人格的形成。然而，過于宏大的初衷常會導(dǎo)致科學(xué)教師在日常教學(xué)中疲于在四門學(xué)科中切換。學(xué)生不僅受制于教材的既定安排，而且面對教師非常有限的知識量，在全局把握上更顯力不從心。在《科學(xué)》4冊共15章的內(nèi)容按照涉及生物學(xué)的章節(jié)，可以分類如下。

1.1《科學(xué)》中的純生物學(xué)章節(jié)

《科學(xué)》中的純生物學(xué)章節(jié)分布在六年級上冊和七年級上、下冊共3三冊教材中，對于生物學(xué)或者醫(yī)學(xué)畢業(yè)的教師來說是長項。第2章“生物的世界”、第3章“細(xì)胞與生殖”中對生物基礎(chǔ)概念的介紹如蜻蜓點水，但在第10章“健康的身體”、第11章“感知與協(xié)調(diào)”、第15章“人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展”中又突兀地躍遷到智人的內(nèi)在與外在。

“生物的世界”以動物為先為主，植物僅作為拓展，動植物生活環(huán)境的介紹偏后，植物分類僅在檢索表知識中出現(xiàn);滅絕的概念缺乏中立，帶有濃重的感情色彩;“細(xì)胞與生殖”章節(jié)刻意忽略了有絲分裂和減數(shù)分裂，在粗略介紹胎兒形成與嬰兒誕生后，大量篇幅用于青春期、生育期和性傳播疾病上;“健康的身體”在定義健康后，以“食”為中心才引出消化系統(tǒng)，并衍生到循環(huán)系統(tǒng)，直到章節(jié)尾聲，泌尿系統(tǒng)才姍姍來遲;“感知與協(xié)調(diào)”重視覺、聽覺，輕嗅覺、味覺、觸覺，章末意在引出中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要性;壓軸章節(jié)始終圍繞人口提示自然資源的珍貴，其間嵌有簡略的生態(tài)系統(tǒng)知識，而低生育率對于種群的嚴(yán)峻影響從未被提及。

由此可見，對《科學(xué)》在純生物章節(jié)，生物或醫(yī)學(xué)專業(yè)的教師應(yīng)仔細(xì)分辨，而其他專業(yè)的教師則務(wù)必和學(xué)生一起從零開始建構(gòu)知識體系。

1.2《科學(xué)》中的部分含生物學(xué)章節(jié)

《科學(xué)》中的部分含生物學(xué)章節(jié)分布在六年級下冊整本教材和七年級下冊這兩冊中：分別為第5章“能與能源”、第6章“水與人類”、第7章“空氣與生命”、第13章“地球、礦物與材料”、第14章“海洋與海洋開發(fā)”。物理、化學(xué)和地理專業(yè)畢業(yè)的科學(xué)教師在執(zhí)教這些章節(jié)時可以展現(xiàn)優(yōu)勢，但其中涵蓋的部分生物學(xué)內(nèi)容亟需他們所具備的生物學(xué)業(yè)務(wù)能力來分辨和權(quán)衡。

“能”這一章如與生態(tài)系統(tǒng)知識所在的“人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展”毗鄰則更為合適，因為地球上除核能外所有其他的能都直接或間接來自于太陽，化石能源更是來自遠(yuǎn)古的動植物，人類的生存依賴食物中動植物含有的化學(xué)能，并遵循熱力學(xué)第二定律。熱能在液體（尤其是水）中的主要傳遞方式可用于理解厄爾尼諾現(xiàn)象中的暖流走向?！八痹陂_篇“水與生命”中表達(dá)了水是生物體的重要組成成分，生物體的各種生命活動都離不開水。教師自身也應(yīng)該從“水的循環(huán)”部分意識到其與氣象知識的關(guān)聯(lián)，而不同的降雨量將造就不同的植被?！翱諝狻背藦奈锢斫嵌戎v述空氣的組成成分、用途、性質(zhì)，還涵蓋了綠色植物賴以制造氧氣和淀粉的光合作用。教材雖然強調(diào)動植物與大氣間的氣體交換，但對于地球大氣的來龍去脈卻沒有提及，教參中也沒有給予教師充分的信息?！暗厍颉逼赜诘乩?，但是地球的地殼、大氣圈、水圈、生物圈與生物演化息息相關(guān)，礦物也與生命的形成密不可分。“海洋”中介紹了海洋生物資源，更是提出“海洋是地球上生物的故鄉(xiāng)”這一重要觀點。教師應(yīng)具有相當(dāng)?shù)闹R儲備才能意識到從古至今，海洋從未停止對于生物的影響，尤其是人類。

非生物專業(yè)的科學(xué)教師受限于個人的受教育經(jīng)歷，生物學(xué)基礎(chǔ)不夠扎實，在教授以上章節(jié)時難以認(rèn)識到生物學(xué)知識在其中所具有的休戚相關(guān)的重要線索地位。

1.3《科學(xué)》中的含隱性生物學(xué)章節(jié)

《科學(xué)》中的含隱性生物學(xué)章節(jié)分布在六年級上冊和七年級上、下冊這三冊中：分別為第1章“科學(xué)入門”、第4章“物質(zhì)的粒子模型”、第8章“身邊的溶液”、第9章“電力與電信”和第12章“宇宙與空間探索”。這些知識實際是研究生物學(xué)發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)知識，無論教師畢業(yè)于何種專業(yè)，都要培養(yǎng)自身厚重的生物學(xué)素養(yǎng)才能領(lǐng)悟。

“入門”中的精華是了解科學(xué)探究活動的六個基本要素，生物學(xué)作為科學(xué)的一門分支，探究時同樣要具備這六大要素?！傲Ｗ幽Ｐ汀睉?yīng)與“宇宙與空間探索”毗鄰，使地球作為天體的形成過程更加符合邏輯。從“溶液”應(yīng)聯(lián)想到生物的細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液，從“電”應(yīng)能意識到生物的電生理。

這些含隱性生物學(xué)知識的章節(jié)，對于無論是生物專業(yè)教師，還是物理、化學(xué)、地理專業(yè)教師來說，都是對自身業(yè)務(wù)基礎(chǔ)切實的日常考驗。

由此可見，生物學(xué)在初中《科學(xué)》中具有不容小覷的地位。知識就像一系列圍繞本質(zhì)這個圓心的同心圓，學(xué)生越年幼，學(xué)習(xí)的知識越處于同心圓外圍，只是一系列瑣碎的記憶性碎片，僅僅知其然。而教師必須要掌握本質(zhì)，即知其所以然，把學(xué)生引導(dǎo)向圓心，即本質(zhì)。生物學(xué)知識不能只由生物學(xué)構(gòu)成，其基礎(chǔ)是理化和地理。初中科學(xué)教師可嘗試將生物學(xué)作為草蛇灰線、伏筆千里的線索，用生物學(xué)合理、有機、生動地串連起另3門基礎(chǔ)學(xué)科知識，貫穿為期2年《科學(xué)》共15章的學(xué)習(xí)（圖1）。

2美國耶魯大學(xué)《進(jìn)化、生態(tài)和行為原理》課堂中展現(xiàn)的生物學(xué)必要的跨學(xué)科素養(yǎng)

美國國家科學(xué)院專門指出：只要不是僅僅把兩門學(xué)科粘在一起創(chuàng)造一個新產(chǎn)品，而是思想和方法的整合、綜合，那就是真正的跨學(xué)科。耶魯大學(xué)著名的《進(jìn)化、生態(tài)和行為原理》課程建立在美國中學(xué)生物學(xué)基礎(chǔ)上，屬于通識性質(zhì)，對于開始大學(xué)階段生物、環(huán)境專業(yè)的學(xué)生而言，不僅能拾遺補缺、承上啟下，而且縱橫捭闔于各學(xué)科中，氣勢恢宏，非常適合上海初中科學(xué)教師對于提高生物學(xué)業(yè)務(wù)能力的在職進(jìn)修?，F(xiàn)取第18課“地質(zhì)領(lǐng)域的大事件”，從3個角度來分析卓越的生物學(xué)教授所具備的扎實的跨學(xué)科素養(yǎng)。

2.1地球上的二氧化碳、氧氣和溫度的變化過程

內(nèi)容關(guān)鍵：地球形成初期大氣稀薄，二氧化碳的含量接近100%，直到二疊紀(jì)大幅度下降。近三億年來有植物化石，葉片氣孔數(shù)量與二氧化碳含量成負(fù)相關(guān)。當(dāng)前二氧化碳含量不足1%，論溫室效應(yīng)，地球在過去遠(yuǎn)勝于當(dāng)前。地球最初的二氧化碳絕大部分保存入石灰?guī)r，余下的幾乎都成為沉積巖中的有機碳。所以，地球的碳平衡基本依賴于巖石緩慢的地質(zhì)變化，以十萬到百萬年的深時作為觀測基準(zhǔn)。地球上最初的氧氣都來自光合細(xì)菌等的制造，5-6億年前，大氣氧濃度才達(dá)到當(dāng)前，約21%左右。23億年前氧濃度才0.4%，游離氧促使鐵礦、銅礦生成;使大氣中形成臭氧層隔絕紫外線、降低突變率，大型長壽命物種才得以生存;使氮被氧化形成硝酸鹽，氮肥成為藻類的重要養(yǎng)料。30多億年重要的化學(xué)作用才開始形成了人們所熟悉的環(huán)境，自地球形成35億年后生命出現(xiàn)，水就以液態(tài)存在于地球表面，故其后溫度最高也不超過100%。

分析：地球上動植物的生存離不開氧氣，教授用理、化、生、地4科的跨學(xué)科素養(yǎng)將地球自初始以來的大氣和溫度變化娓娓道來。反觀《科學(xué)》的教材和教參，第7章“空氣與生命”沒有提及地球大氣的由來，并把游離氧的產(chǎn)生歸因于綠色植物而非光合細(xì)菌，且未提臭氧。在“植物的呼吸”部分，氣孔這一結(jié)構(gòu)要延后到初二《生命科學(xué)》才被介紹。第13章“地球、礦物與材料”中沒有提及板塊運動和地球溫度變化等，對于教學(xué)重點的鐵，教參中也沒有提及其形成的歷史。

2.2生命如何構(gòu)造地球

內(nèi)容關(guān)鍵：生命，特別是細(xì)菌，一直通過新陳代謝影響地球。細(xì)菌可以制造氧氣;產(chǎn)生并氧化甲烷;穩(wěn)定二氧化碳;在氮循環(huán)中固氮成氨、使氨與硝酸鹽相互轉(zhuǎn)化，而氮肥正是藻類的重要養(yǎng)料，直到孕育出陸地上復(fù)雜的植物后，植物才創(chuàng)造出非常復(fù)雜的現(xiàn)代分層土壤。地球上所有蛋白質(zhì)中的氮都來源于上述細(xì)菌的生化過程，這就是非生物世界轉(zhuǎn)變成有生命的世界的過程。硫細(xì)菌使硫化氫和硫酸鹽相互轉(zhuǎn)化。在海洋中部的山脊，鐵細(xì)菌將亞鐵離子氧化，并影響著錳、銅等礦床的降解。海洋地殼下的細(xì)菌在海水熱流穿過時發(fā)生反應(yīng)經(jīng)常留下金屬沉積物如錳結(jié)核。生物圈由此延展到我們腳下數(shù)千米的地方。

分析：教授對細(xì)菌作用的認(rèn)可和重視，來源于其深厚的跨學(xué)科素養(yǎng)，他使學(xué)習(xí)者們認(rèn)識到地球上大氣穩(wěn)定、土壤產(chǎn)生、生命起源都依賴細(xì)菌，由此世界從無生命向有生命進(jìn)化。教授還介紹了硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌和錳結(jié)核的產(chǎn)生機制，由此生物圈延伸到深海地殼下方。反觀《科學(xué)》，從未介紹大氣歷史，土壤更被視作與生俱來、早于植物（見第13章“地球、礦物與材料”）。錳結(jié)核在第14章“海洋與海洋開發(fā)”中僅作為深海礦產(chǎn)資源被一筆帶過，學(xué)生很容易誤解為是由于高壓而產(chǎn)生，而不知是由于海洋地殼下細(xì)菌的作用。生物圈在“地球”一章中與大氣圈、水圈并列歸為地球的外部圈層，而地殼被歸為內(nèi)部圈層。初中科學(xué)教師若不更新知識和提升理念，熟練掌握自然現(xiàn)象的前因后果、來龍去脈，就不免在課堂上照本宣科、以訛傳訛，不能讓學(xué)生體會到細(xì)菌才是46億年來影響地球的不可或缺的因素。

2.3地球如何修飾生命體

內(nèi)容關(guān)鍵：地球通過上億年的大陸漂移、5個冰河時代、上億年的大規(guī)模滅絕和局部災(zāi)難對生命產(chǎn)生影響。泛大陸的斷裂造成今天大洋兩岸的巖石極其接近，植物雖然遠(yuǎn)隔萬里也依然有很大的相似性。冰河時代和間隔期海平面的上下波動改變了大陸邊緣和生物在大陸之間移動的能力。撒哈拉大沙漠中部在2-3萬年前曾有河馬生存。而南海都曾經(jīng)是陸地，象和虎可以從亞洲直接步行到遠(yuǎn)至婆羅洲等地。二疊紀(jì)末期大規(guī)模滅絕最為徹底，三葉蟲和97%的海洋無脊椎動物消失。白堊紀(jì)末期的大規(guī)模滅絕與巨型隕石撞擊的一系列后果有關(guān)，70%的海洋無脊椎動物與陸生5kg以上的恐龍都滅絕殆盡。每個世紀(jì)都會出現(xiàn)幾次如印尼2004年的大海嘯，上新世時期的劇烈火山噴發(fā)雖平均每隔1萬～100萬年才有一次，但能引起海底滑坡、造成大規(guī)模海嘯。

分析：在本部分，教授充分利用美國鄉(xiāng)土地理來拉近學(xué)生與數(shù)億年地球變化塑造生命體這個宏大視角之間的距離，還運用具體的數(shù)據(jù)和生動的類比再現(xiàn)125000年前大隕石墜落深海后引起大海嘯的嚴(yán)重后果。教授的跨學(xué)科素養(yǎng)體現(xiàn)在地理、藝術(shù)、生物、化學(xué)等學(xué)科。反觀《科學(xué)》四冊，無論是在“地球”還是“人與自然”章節(jié)，都從未提及板塊運動和冰河時代的變遷。對于滅絕，最接近的介紹是在第2章“生物的世界”中。雖然目前處在大的人為物種滅絕危機的中期，但過去地質(zhì)過程已經(jīng)導(dǎo)致很多種群滅絕，然后生命一次又一次地繁衍出新的品種。海嘯在“海洋”章節(jié)僅作為災(zāi)難略為呈現(xiàn)，而沒有給予具體的原因，這就很難站在歷史的高度認(rèn)識到地球和地外環(huán)境對生命在很長的時間間隔上有很大的影響。

縱觀地球46億年歷史，從無機物到有機物，逐漸演化出復(fù)雜的生物多樣性，直到人類出現(xiàn)后認(rèn)識自身、認(rèn)識世界并改造世界，這與物理、化學(xué)和地理的作用休戚相關(guān)。缺乏物理化學(xué)地理支撐的生物學(xué)猶如沙灘建塔、空中樓閣。卓越的Stearns教授的語言流暢如水，對物理、化學(xué)、地理的知識旁征博引、融會貫通，善于緊密聯(lián)系鄉(xiāng)土地理以拉近學(xué)生對于時空的距離感。所以《進(jìn)化、生態(tài)和行為原理》確實是一門綜合性極強的涵蓋教授本人學(xué)術(shù)特長的入門課程。

3跨學(xué)科素養(yǎng)對提高上海初中科學(xué)教師生物學(xué)專業(yè)能力的重要性和操作法

學(xué)科核心素養(yǎng)視角下的學(xué)業(yè)測評對學(xué)生提出了跨學(xué)科能力的要求，學(xué)生需具備跨學(xué)科能力才能在復(fù)雜的情境中整合知識解決問題。

教師首先應(yīng)當(dāng)是學(xué)生的榜樣。初中生物學(xué)教師對自己的要求應(yīng)向大學(xué)靠攏，行動應(yīng)追隨大學(xué)思路，尤其是全球著名大學(xué)。當(dāng)今生物學(xué)成果都需要借助多種學(xué)科的結(jié)合，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)就是物理學(xué)家、化學(xué)家和生物學(xué)家共同研究所得。初中科學(xué)教師在教學(xué)中，要用生物學(xué)知識來串聯(lián)物理、化學(xué)、地理知識，勤奮夯實物理、化學(xué)、地理三科基礎(chǔ)，用三科來有力支撐起生物學(xué)知識，并將這互補的兩種跨學(xué)科模式統(tǒng)一起來、循環(huán)往復(fù)，以物理、化學(xué)、地理三科互為犄角、承載生物學(xué)呈品字形突進(jìn)。對于生物專業(yè)的教師而言，想在業(yè)務(wù)能力上有所提升，僅憑大學(xué)時各門分離而陳舊的課程是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要對知識進(jìn)行補充、更新和綜合，并對理化地三科進(jìn)行在職進(jìn)修，以明了生物學(xué)的來龍去脈。對于非生物專業(yè)的教師而言，除了上述進(jìn)修，更需要對于生物學(xué)知識進(jìn)行在職速成。無論何種情況，教師只依賴教參來構(gòu)建自己的知識架構(gòu)是萬萬不夠的。教師照本宣科，會缺乏知識的綜合性、應(yīng)用性，容易孤立、片面地看待問題，難以使學(xué)生建立科學(xué)的世界觀和方法論。學(xué)生的學(xué)習(xí)雖由教學(xué)大綱規(guī)定，但教師的知識儲備要遠(yuǎn)遠(yuǎn)豐富于學(xué)生，思維應(yīng)遠(yuǎn)超學(xué)生，才能在潛移默化中起到引領(lǐng)作用。要給學(xué)生一滴水，教師不僅要有一桶水，而且要有長流水。耶魯大學(xué)Stearns教授的36堂《進(jìn)化，生態(tài)和行為原理》具有先進(jìn)的理念，深入淺出、舉重若輕，不啻為教師大膽借鑒的最佳選擇。所有沒有機會走進(jìn)耶魯大學(xué)的初中科學(xué)教師，都可以足不出戶、無成本、無障礙地從互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)世界名校的課程精髓、世界前沿的新知新思。