劉靜文(山東省濟南德潤高級中學 250014)

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱“新課標”)對生物學核心素養(yǎng)的要求中最具學科特色、學科基礎的是生命觀念，要求學生在理解知識的基礎上形成生物學大概念進而形成生命觀念，并能夠利用它認識和解釋自然現(xiàn)象和生命現(xiàn)象。在數(shù)學、物理、化學和地理等相關學科中也蘊藏著生命觀念的內(nèi)涵，這就要求教師在教學過程中應學會利用跨學科概念進行教學，滲透并融合相關內(nèi)容，幫助學生建立全面的、完整的生命觀念。

一、跨學科概念的內(nèi)涵

《義務教育科學課程標準(2022 年版)》設置13個學科核心概念，是科學課程的核心內(nèi)容，要求義務教育階段所有學生掌握。其中有四個與生命科學有關的跨學科概念，分別是物質(zhì)能量觀、系統(tǒng)模型觀、結(jié)構功能觀和穩(wěn)定變化觀。這與新課標中生命觀念在生物學科核心素養(yǎng)中的內(nèi)涵不謀而合(圖1)，其中系統(tǒng)與模型貫穿整個生命觀念的內(nèi)涵中，了解與認識復雜問題的方法，簡化提煉出系統(tǒng)最本質(zhì)的特征。穩(wěn)定與變化是指自然界萬物處于變化之中，但又具有相對的穩(wěn)定性，使事物的內(nèi)在規(guī)律能夠通過變化而被發(fā)現(xiàn)，和生物與環(huán)境的穩(wěn)態(tài)平衡、遺傳的進化適應相得益彰。“跨學科”是借助不同學科的相互滲透、彼此融合，來解釋復雜自然現(xiàn)象和本質(zhì)的二元學科，需要對不同學科的概念、本質(zhì)和方法進行融合或移植。而跨學科概念把多學科的零散知識和概念整合為連貫的、清晰的、整體的認識，可以更直接地讓學生形成科學的世界觀，了解自然事物和現(xiàn)象背后的原理，學會處理和解決問題的途徑和模式。

圖1 高中生物學中“生命觀念”與跨學科概念的聯(lián)系

1.物質(zhì)與能量

生命系統(tǒng)的各個層次都有能量的流動和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。食物鏈、食物網(wǎng)是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動的主要途徑。在微觀層面，以光合作用為例。物質(zhì)上，植物將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為氧氣和有機物質(zhì)；能量上，植物固定光能轉(zhuǎn)化為化學能儲存在有機物中。在宏觀層面，物質(zhì)循環(huán)和能量流動兼屬于生態(tài)系統(tǒng)的功能。物質(zhì)承載著能量在食物鏈和食物網(wǎng)中傳遞，在生物與環(huán)境中進行循環(huán)；能量作為物質(zhì)循環(huán)的動力，依靠消費者的捕食關系在食物鏈中流動，并遵循熱量守恒定律。

2.系統(tǒng)與模型

系統(tǒng)是一個有序的整體，人們根據(jù)研究目的依靠內(nèi)在的某些聯(lián)系進行界定。模型是經(jīng)過處理后，能體現(xiàn)原系統(tǒng)的本質(zhì)特征的簡化系統(tǒng)。模型可以描述生命系統(tǒng)的組成結(jié)構及功能，逐步梳理生命系統(tǒng)的復雜性和層次性。生物學科有不同層次的模型，包括物理模型、數(shù)學模型和概念模型。物理模型如人體骨骼模型、真核細胞模型、原核細胞模型、DNA 雙螺旋模型、細胞膜的流動鑲嵌模型、有絲分裂模型、減數(shù)分裂模型等。概念模型是將事物的本質(zhì)與對象之間的關系用概念和語言描述清楚，如光合作用的定義、能量流動的定義等。數(shù)學模型包括公式、曲線和圖表等，如酵母菌種群數(shù)量的變化。有絲、減數(shù)分裂過程中各物質(zhì)數(shù)量變化，連續(xù)自交后，Aa雜合子后代中純合子的比例，不同環(huán)境因素對植物光合作用的影響，不同濃度的生長素對不同器官的影響，分泌蛋白過程中不同細胞器膜面積的變化等。

3.結(jié)構與功能

結(jié)構與功能觀是生命觀念的重要組成部分。第一，生命系統(tǒng)的構成層次本身就體現(xiàn)了結(jié)構觀的思想，生命系統(tǒng)的結(jié)構與結(jié)構之間存在聯(lián)系，如各細胞器之間的分工合作、分泌蛋白的合成與運輸?shù)?。第二，環(huán)境對生物結(jié)構與功能也會產(chǎn)生影響。結(jié)構在生物體長期進化過程中形成相適應的功能，既是自然選擇的結(jié)果，也是生物多樣性的基礎，如豬籠草的捕食結(jié)構、不同體色的樺尺蠖等。這就與生命觀念中的結(jié)構與功能觀和進化適應觀緊密聯(lián)系。第三，結(jié)構與功能可以相互解釋，并啟發(fā)發(fā)明創(chuàng)造。生物結(jié)構決定其功能，同時進化促進了某些結(jié)構的出現(xiàn)，生物的結(jié)構在一定程度上達到了“優(yōu)化”的效果，為仿生學提供依據(jù)。

4.穩(wěn)定與變化

生命系統(tǒng)本身就是一個穩(wěn)定兼顧變化的系統(tǒng)，其穩(wěn)定的相對性通過調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。生命觀念之一便是穩(wěn)態(tài)與平衡，具體表現(xiàn)為細胞、個體、群體方面的穩(wěn)態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)是生物與環(huán)境組成的自然系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)復雜的相互作用，可以使各個層次保持較長時期的相對穩(wěn)定。廣義上的穩(wěn)定還有靜態(tài)穩(wěn)定和循環(huán)模式，如生物的生命都遵循統(tǒng)一的模式：生長-成熟-衰老-死亡，且不同生物有較為穩(wěn)定的生命周期，循環(huán)往復。生物的遺傳與變異是“穩(wěn)態(tài)與變化”在生命科學領域的明顯的體現(xiàn)。

二、與生命科學相關的跨學科案例

1.生態(tài)缸的設計

設計建立一個生態(tài)缸，需要考慮生物(選何種魚與植物)+化學反應(水質(zhì)檢測)+技術工程(建造裝置)。涉及生命科學的核心概念及研究內(nèi)容：生物體的穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)。

【主要問題】

(1)隨著魚的排泄物積累，水體中的氨氮含量增加，生態(tài)缸中需要什么細菌將水中的氨氮分解成亞硝酸鹽，進而分解成硝酸鹽?

(2)如何選出合適的魚與水生植物?

(3)如何設計特定的裝置，包括自動投喂溫度控制、便于檢測等保障生態(tài)缸達到一種和諧的生態(tài)平衡關系?

【涉及的跨學科概念】

系統(tǒng)與模型：生態(tài)缸是一種生態(tài)系統(tǒng)，項目中的小型化魚植系統(tǒng)是實際系統(tǒng)的簡化與微縮，是一種模型。

物質(zhì)與能量：通過光合作用，系統(tǒng)把外部的光能轉(zhuǎn)化為化學能；系統(tǒng)內(nèi)部植物、魚類、微生物構成物質(zhì)與能量的內(nèi)在循環(huán)。

結(jié)構與功能：實際生態(tài)系統(tǒng)有一定的結(jié)構層次，可以實現(xiàn)內(nèi)在的循環(huán)，不同微生物、動物、植物是這一結(jié)構中的不同環(huán)節(jié)，小型模型通過選擇適當?shù)纳锲贩N，模擬這一生態(tài)結(jié)構。模型的結(jié)構要考慮特定的功能需求。

穩(wěn)定與變化：復雜的生態(tài)系統(tǒng)通常具有自動調(diào)節(jié)功能，各種參數(shù)都在變化，但是整體具有穩(wěn)定性。模型裝置是簡化的系統(tǒng)，不一定滿足自動調(diào)節(jié)關系，如何讓模型裝置能穩(wěn)定運行，是探究的主要任務。

2.馬鈴薯存儲箱

為什么馬鈴薯會長芽? 從中引出科學探究實踐：什么環(huán)境可以抑制馬鈴薯長芽速度? 如何設計制作一個儲存箱? 涉及生物(發(fā)芽條件)+化學(乙烯抑制生長)+技術與工程(裝置設計制作)+數(shù)學(檢測數(shù)據(jù)處理)+藝術(美化裝置)。涉及生命科學的核心概念及研究內(nèi)容：生命系統(tǒng)的結(jié)構層次/生物體的穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)/生物與非生物的相互關系。

【主要問題】

(1)陽光、空氣、水、溫度、土壤等非生物因素對植物的生長有什么影響?

(2)馬鈴薯的品種、儲存方式與其發(fā)芽有什么關系?

(3)如何抑制馬鈴薯的長芽速度?

(4)如何設計制作裝置，便于控制和測量某些參數(shù)?

【涉及的跨學科概念】

系統(tǒng)與模型：馬鈴薯及自然環(huán)境是一個系統(tǒng)，馬鈴薯在自然環(huán)境下會發(fā)芽；馬鈴薯儲存箱是一個模型，它在小范圍內(nèi)提供了一種新的環(huán)境，抑制馬鈴薯的發(fā)芽。

物質(zhì)與能量：馬鈴薯與外界的物質(zhì)與能量存在相互作用，儲存馬鈴薯是改變外界的條件(光照、溫度、濕度等)，減少與外界的物質(zhì)與能量交換。

結(jié)構與功能：生物層面，馬鈴薯可食用部分是其塊莖，在一定條件下會發(fā)芽；技術層面，存儲箱的特殊設計和結(jié)構，配合適當?shù)闹参锷L調(diào)節(jié)劑，具有抑制馬鈴薯發(fā)芽的功能。

穩(wěn)定與變化：作為生物體，馬鈴薯一直在變化，有其內(nèi)部和外部的因素。儲存箱可以創(chuàng)造特定的環(huán)境，抑制、減緩馬鈴薯的內(nèi)部變化，保持不發(fā)芽的狀態(tài)。

3.花顏色研究

如何培育出不同顏色的花? 了解該品種花的生長條件、土壤的酸堿度及變化、該品種花對環(huán)境的適應。涉及生物(植物生長環(huán)境)+物理(溶液)+化學(酸堿度)+地理(土壤)+藝術。涉及生命科學的核心概念及研究內(nèi)容：生物體的穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)、生物與非生物的相互關系。

孫寶國：近年來，一些食品企業(yè)正在“走出去”，成功的例子很多。全球最大的辣椒紅色素生產(chǎn)企業(yè)晨光生物科技集團股份有限公司把廠子建到了印度，亞洲最大的酵母生產(chǎn)企業(yè)安琪酵母股份有限公司把廠子建到了埃及與俄羅斯，揚州冶春食品生產(chǎn)配送股份有限公司把連鎖餐館開到了新加坡。這些企業(yè)這樣做既在國外傳播了中國飲食文化和企業(yè)品牌，又為企業(yè)拓展了國際市場。

【主要問題】

(1)土壤酸堿性如何影響植物的生長?

(2)如何利用酸和堿的性質(zhì)控制土壤的酸堿度?

(3)如何通過宏觀觀察和微觀觀察相結(jié)合的方式，觀察不同顏色花的結(jié)構特點?

(4)酸堿度的范圍?

【涉及的跨學科概念】

物質(zhì)與能量：生物層面，生態(tài)系統(tǒng)中生物和非生物環(huán)境相互作用，實現(xiàn)了物質(zhì)循環(huán)和能量流動；物質(zhì)層面，酸和堿混合發(fā)生反應，產(chǎn)生新的物質(zhì)，是物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換的具體反應。

結(jié)構與功能：宏觀層面，植物的結(jié)構使其能很好適應自然環(huán)境；微觀層面，細胞膜的結(jié)構可以控制外界物質(zhì)的進出，酸堿物質(zhì)能夠透過細胞膜，對細胞內(nèi)部某些成分產(chǎn)生影響，導致宏觀上顏色的變化。

穩(wěn)定與變化：花能在一定范圍內(nèi)適應土壤酸堿度的變化，實現(xiàn)新的穩(wěn)定。

4.心臟與抽水機的比較研究

心臟和抽水機具有類似的結(jié)構和功能(單向閥)。通過設計制作抽水機模型并進行演示圖2，更好理解心臟的工作原理和過程。涉及生命科學的核心概念及研究內(nèi)容：生物體的功能有與之對應的結(jié)構，并在變化中達到相對平衡。

圖2 心臟與抽水機的比較研究

【涉及的跨學科概念】

系統(tǒng)與模型：心臟是一個復雜的系統(tǒng)。抽水機模型不是心臟的直接簡化模型，但是兩者具有幾乎相同的工作原理，因此可以作為心臟的間接簡化模型。

物質(zhì)與能量：心臟通過收縮把血液輸送到身體，把生物能轉(zhuǎn)化為血液的動能。抽水機通過活塞運動把水提升，把機械能轉(zhuǎn)換為水的重力勢能。

結(jié)構與功能：心臟的瓣膜與抽水機的活塞都具有單向閥的功能：使得血液和水流只能朝一個方面運動。瓣膜靠肌肉收縮控制開閉，限制血液回流；閥門靠自重和水與大氣的壓力閉合，限制水回流。

穩(wěn)定與變化：心臟和抽水機工作時，血液和水流的流速、壓力等參數(shù)都在變化，但是流動方向是不變的。

三、結(jié)語

交叉學科相互滲透、融合發(fā)展，已經(jīng)成為高中培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的引領方向。生命觀念和跨學科概念的交叉重疊引發(fā)教育者思考，現(xiàn)代教育目標的一致性要求教師要有“多桶水”意識，不管是學生探究或教師引導的學習方式，還是校本融合課程培養(yǎng)方式的轉(zhuǎn)變，都有利于學生跨越不同學科的知識體系轉(zhuǎn)向關注其共同要素，形成核心素養(yǎng)。這有利于學生對復雜問題的解決，形成大局觀意識，并為終身學習打下基礎。