佘建云 梁秋紅 戴 群

(1.香港大學教育學院 香港 999077)

(2.江蘇省啟東市南苑中學 江蘇啟東 226200)

(3.江蘇第二師范學院生命科學與化學化工學院 江蘇南京 211200)

提高學生的生物學核心素養(yǎng)是教師課堂教學的共同追求。教育部頒布的《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》中將培養(yǎng)學生的生命觀念作為學科核心素養(yǎng)的首要任務。生命觀念的形成需要建立在深入理解學科重要概念的基礎上,而有些生物學概念較為復雜,橫跨了物理或化學學科的相關原理。在實際教學中,教師往往只注重單一學科知識的教學,較少將物理或化學知識主動融入生物學課堂教學中;而不同學科的教學進度和側重點不同,學生在學習一些生物學概念時缺乏交叉學科的知識鋪墊,最終導致概念的“死記硬背”?；诖?本文結合高中生物學《必修1·分子與細胞》模塊的部分案例,闡述了生物學概念教學中融合學科交叉知識的重要性,提煉了在高中生物學課堂中深度融合物理、化學科學交叉知識的實施路徑,為一線教師開展跨學科的生物學概念教學提供指導。

1 學科交叉知識的融合在高中生物學概念教學中的重要性

1.1 促進重要概念的理解和遷移應用的需求

自然界是統(tǒng)一的整體,生物學與物理、化學等學科的思想方法和基本原理是相互滲透、共同發(fā)展的。我國高中理科課程采用分科教學形式,這一課程設置方式有利于凸顯物理、化學和生物學的課程性質與課程內容的系統(tǒng)性,但也帶來了不同學科之間因教學相互割裂而影響學科重要概念的理解和應用的風險。例如,在學習高中生物學《必修1·分子與細胞》模塊中的“細胞的分子組成”單元時,學生需要掌握“氫鍵”“范德華力”等化學知識才能理解“氫鍵、范德華力等分子間作用力參與維持蛋白質空間結構,蛋白質的空間結構決定其功能”的重要概念并遷移運用,能更本質地解釋“高溫或pH 值變化使得蛋白質變性的原因”等新情境中的問題;在學習“細胞的能量供應和利用”單元的光合作用主題時,只有基于物理學科的“光的吸收和反射”的知識才能深入理解“綠色植物的葉綠體可吸收光能并轉化為有機物中的化學能”的重要概念。基于此,我國2017年版高中生物學課程標準的實施建議中明確指出,教師在生物學課堂教學中應加強學科之間的橫向聯(lián)系。

1.2 形成生命觀念與跨學科概念的需求

生命觀念是基于生物學事實、概念、基本原理與規(guī)律的基礎上抽象概括得到的學科“大概念”,它們統(tǒng)領了整個高中階段的生物學課程內容。生命觀念是高度抽象概括的上位概念,在生物學概念教學中融合物理或化學等學科的交叉知識有利于學生高屋建瓴地把握生命系統(tǒng)的運行模式,促進學生生命觀念的形成?？鐚W科概念是指超越學科界限,體現(xiàn)學科之間的相互關聯(lián)和共同的思維方式的概念?？茖W領域的跨學科概念主要包括模式、因果關系、尺度、比例和數(shù)量、系統(tǒng)與系統(tǒng)模型、物質與能量、結構與功能、穩(wěn)定與變化等。生物學教學中主動聯(lián)系交叉學科知識有助于學生發(fā)現(xiàn)科學學科共通的模式,建立跨學科概念并形成科學世界觀。例如,“細胞的分子組成”單元,教師在教學中若沒有融合化學學科“原子結構與元素周期律”的相關知識,學生將很難理解為什么碳元素能成為生命系統(tǒng)中的核心元素。如果教師在教學中融合相關化學知識,引導學生從“碳元素的化學特性”角度分析“碳元素的原子結構使其能形成多種復雜的生物大分子并實現(xiàn)相應的功能,而元素周期表中其他元素的原子結構決定了這些元素不能在地球環(huán)境中形成多種復雜生物大分子”,學生不僅能深刻領悟到碳元素在生命系統(tǒng)中的重要性,也水到渠成形成了“結構與功能觀”的生命觀念。同時,“原子結構與元素周期律”的知識體現(xiàn)了“物質的結構決定性質”的化學觀念;教師可引導學生基于本單元詮釋的生命觀念與化學觀念建立“結構與功能”的跨學科概念,即物體和生命體的結構決定了它們的性質和功能。

2 生物學概念教學中融入學科交叉知識的路徑

2.1 在單元整體設計中納入學科交叉知識

進行單元整體設計有助于教師從整體上把握生物學的學科本質、厘清單元知識的結構并闡明單元在落實學科核心素養(yǎng)中承擔的任務。教師在梳理單元知識結構時,通常會遵循“生命觀念→重要概念→次位概念→生物學事實”的路徑?；趯W科交叉知識融合在生物學概念教學中的重要性,一方面,教師可以在上述路徑增加“跨學科概念”“交叉學科觀念”和交叉學科具體的“相關知識”等環(huán)節(jié),以梳理本單元的重要概念教學中需要融入的交叉學科知識的結構和內容。例如,表1 示范了“細胞的能量供應和利用”單元的學科交叉知識的內容梳理,增設的內容包括:“物質與能量”的跨學科概念、物理觀念中的“能量觀念”和化學觀念中的“物質變化觀”,以及交叉學科中5 個具體相關知識的梳理。另一方面,教師在單元整體設計的學情分析環(huán)節(jié)可增設跨學科交叉知識的學情分析,以明確學生在交叉知識上的學習起點從而為后續(xù)設計恰當?shù)慕虒W活動打好基礎。教師可通過查閱物理、化學等交叉學科的課程標準和教科書等方式了解相關知識點在其他學科的課程安排,也可組織科學教師之間進行跨學科教學的專題研討或主動調查學生的已有知識等方式探查學生的學習起點。如果學生進入本單元前已學習交叉學科的相關知識點,教師在教學中只需要提供情境幫助學生回憶相關知識即可;反之則需要生物學教師在課堂中通過適當?shù)慕虒W策略幫助學生理解交叉學科的相關知識,為生物學概念的學習做好鋪墊。

表1 《組成細胞的分子》單元的學科交叉知識的內容梳理

2.2 提出引領性的核心問題

“內容聚焦大概念”的課程理念旨在引導課堂教學應從“記住細枝末節(jié)、零散的學科知識”向“深入連貫地理解生物學重要概念”轉變。核心問題是貫穿課堂的主線,教師設計的核心問題應直接指向生命觀念和重要概念,同時也應嘗試聯(lián)系交叉學科的知識體現(xiàn)更上位的跨學科概念。具體可遵循以下三個步驟。第一步,初步提煉重要概念,即根據(jù)課程標準和教材相應的內容羅列下位概念并初步提煉生物學重要概念。第二步,精制重要概念,即依據(jù)生命觀念并融合交叉學科的知識點、學科觀念以及跨學科概念進一步精制生物學重要概念。第三步,將重要概念轉變成核心問題,即在表述形式上將重要概念轉變?yōu)橐I課堂的核心問題。例如“細胞的能量供應和利用”單元。首先,教師通過閱讀課程標準的內容標準和教材初步提煉生物學重要概念,如:“細胞的生命活動需要能量與營養(yǎng)物質”“細胞呼吸為細胞的生命活動提供能量”和“葉綠體通過光合作用將捕獲的光能轉化為糖類等有機物中的化學能”等。然后,將本單元主要詮釋的“物質與能量觀”與物理學科的“能量守恒定律”“熱力學第二定律”以及物理觀念等內容進行融合。由于“熱力學第二定律認為一個孤立系統(tǒng)的熵值會增大,即系統(tǒng)總是從有序向無序的狀態(tài)發(fā)展”與“細胞作為最基本的生命系統(tǒng)能保持結構的高度有序”會產生一定的認知沖突,因此本單元的重要概念應提升到能概述“細胞生命系統(tǒng)如何依據(jù)物質世界的基本定律進行物質變化與能量轉化”的高度,精制后的重要概念如下:“由物質組成的細胞是一個開放有序的生命系統(tǒng),需要不斷的輸入物質與能量以維持其自身結構的高度有序并實現(xiàn)相應的功能”。最后,將重要概念轉化成核心問題為:①作為最基本的生命系統(tǒng),細胞是如何通過代謝維持其結構的有序性并實現(xiàn)相應的功能的? ②細胞中的物質如何轉變,能量是如何輸入、轉化和散失的?

2.3 創(chuàng)設學科交叉知識融合的教學情境

情境認知理論認為學習是基于特定的情境對知識的建構的過程。情境多是復雜的,跨學科的情境是交叉知識融合的重要載體。精心創(chuàng)設的跨學科教學情境不僅能夠激發(fā)學生的學習興趣、模擬回溯概念的產生過程促進對學習內容的深入理解、遷移與應用,同時還有助于學科交叉知識的融合。通常生物學課堂中的教學情境可來源于社會或日常生活中與生物學相關聯(lián)的真實情境、生物學史中的經(jīng)典實驗情境、國內外最新生物學研究成果的情境、教材中的靜態(tài)課程資源提供的情境、學生開展的科學探究活動生成的動態(tài)課程資源提供的情境等。在基于學科交叉融合的概念教學中,教師還可增加交叉學科的課程資源作為生物學課堂教學中的情境。例如,在“組成細胞的分子”中,教師可以創(chuàng)設如下情境:情境(1)科學家安芬森(Anfinsen)用尿素和β-巰基乙醇破壞了核糖核酸酶蛋白質的氫鍵和二硫鍵,發(fā)現(xiàn)原來緊密的球形蛋白質伸展開變成了松散的鏈狀;當移除尿素和β-巰基乙醇后又恢復成原來的球形結構。情境(2)蔗糖在蔗糖酶的催化下才能水解成葡萄糖和果糖。研究人員將蔗糖酶加熱到90 ℃后發(fā)現(xiàn)蔗糖酶不能再水解蔗糖了。上述兩則化學實驗提供的情境為引入“氫鍵”“范德華力”等化學知識搭建了階梯,在此情境下學生能更本質的理解蛋白質的空間結構決定其功能,若空間結構發(fā)生改變則影響其功能。創(chuàng)設的情境為學科交叉融合提供了背景信息,為核心問題的教學做好鋪墊。

2.4 設計融合學科交叉知識的課堂活動

課堂教學活動的組織與實施是融合學科交叉知識解決核心問題的關鍵環(huán)節(jié),是生物學概念和生命觀念形成的重要保障。融合學科交叉知識的課堂活動的出發(fā)點和落腳點都應指向對單元核心問題的回答。課堂活動可分為兩個階段:(1)教師將核心問題細化為支撐其問題解決的多個子問題并圍繞子問題展開教學活動,子問題的討論中應注重融合相關交叉學科的知識以促進學生對下位概念的理解;(2)基于跨學科的情境引導學生從生命觀念和跨學科概念的角度根據(jù)已掌握的下位概念討論單元核心問題以建構重要概念。課堂活動的實施應以學生為主體,具體形式可多樣化,如開展科學探究、建模、論證、辯論、小組合作學習或構建概念圖等方式。例如“細胞的能量供應和利用”單元核心問題可分解成以下子問題:①嘗試說出細胞中主要的化學反應,哪些化學反應屬于吸能反應、哪些屬于放能反應? ②光合作用和呼吸作用過程中的物質轉變和能量轉化是如何進行的? ③細胞中的兩大類化學反應(吸能和放能)之間有什么聯(lián)系? 課堂活動的第一階段中圍繞子問題,學生需要基于物理學科中能量的形式與轉化、能量守恒定律和化學學科中質量守恒定律的相關知識進行討論,教學可采用合作學習的方式,發(fā)揮發(fā)揮學生各自的學科優(yōu)勢,合作解決跨學科的子問題。第二階段中教師可通過引導學生構建葉肉細胞和動物細胞中化學反應的物質和能量變化的模型,解釋細胞如何通過代謝維持結構有序并實現(xiàn)相應的功能的,并說明物質與能量對于細胞的生活有怎樣的意義以解決單元核心問題。由此,基于課堂中深度融合學科交叉知識的課堂活動,學生將能深入理解單元的重要概念并發(fā)展物質與功能觀,同時也有助于跨學科的物質與能量的科學概念的建立。

3 結語

在理解的基礎上建構生物學概念并形成生命觀念是生物學學科核心素養(yǎng)的重要內容。本文結合案例闡述了生物學課堂教學中融入學科交叉知識的重要性,提煉了將學科交叉知識深度融入生物學教學的路徑包括:在單元整體設計中納入學科交叉知識、提出引領性的核心問題、創(chuàng)設學科交叉知識融合的教學情境、設計融合學科交叉知識的課堂活動。教師可嘗試基于上述路徑開展教學實踐,以進一步提高學生的生物學學科核心素養(yǎng)、更好地解決真實情境中的科學問題。