佘建云 梁秋红 戴 群

(1.香港大学教育学院 香港 999077)

(2.江苏省启东市南苑中学 江苏启东 226200)

(3.江苏第二师范学院生命科学与化学化工学院 江苏南京 211200)

提高学生的生物学核心素养是教师课堂教学的共同追求。教育部颁布的《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》中将培养学生的生命观念作为学科核心素养的首要任务。生命观念的形成需要建立在深入理解学科重要概念的基础上,而有些生物学概念较为复杂,横跨了物理或化学学科的相关原理。在实际教学中,教师往往只注重单一学科知识的教学,较少将物理或化学知识主动融入生物学课堂教学中;而不同学科的教学进度和侧重点不同,学生在学习一些生物学概念时缺乏交叉学科的知识铺垫,最终导致概念的“死记硬背”。基于此,本文结合高中生物学《必修1·分子与细胞》模块的部分案例,阐述了生物学概念教学中融合学科交叉知识的重要性,提炼了在高中生物学课堂中深度融合物理、化学科学交叉知识的实施路径,为一线教师开展跨学科的生物学概念教学提供指导。

1 学科交叉知识的融合在高中生物学概念教学中的重要性

1.1 促进重要概念的理解和迁移应用的需求

自然界是统一的整体,生物学与物理、化学等学科的思想方法和基本原理是相互渗透、共同发展的。我国高中理科课程采用分科教学形式,这一课程设置方式有利于凸显物理、化学和生物学的课程性质与课程内容的系统性,但也带来了不同学科之间因教学相互割裂而影响学科重要概念的理解和应用的风险。例如,在学习高中生物学《必修1·分子与细胞》模块中的“细胞的分子组成”单元时,学生需要掌握“氢键”“范德华力”等化学知识才能理解“氢键、范德华力等分子间作用力参与维持蛋白质空间结构,蛋白质的空间结构决定其功能”的重要概念并迁移运用,能更本质地解释“高温或pH 值变化使得蛋白质变性的原因”等新情境中的问题;在学习“细胞的能量供应和利用”单元的光合作用主题时,只有基于物理学科的“光的吸收和反射”的知识才能深入理解“绿色植物的叶绿体可吸收光能并转化为有机物中的化学能”的重要概念。基于此,我国2017年版高中生物学课程标准的实施建议中明确指出,教师在生物学课堂教学中应加强学科之间的横向联系。

1.2 形成生命观念与跨学科概念的需求

生命观念是基于生物学事实、概念、基本原理与规律的基础上抽象概括得到的学科“大概念”,它们统领了整个高中阶段的生物学课程内容。生命观念是高度抽象概括的上位概念,在生物学概念教学中融合物理或化学等学科的交叉知识有利于学生高屋建瓴地把握生命系统的运行模式,促进学生生命观念的形成。跨学科概念是指超越学科界限,体现学科之间的相互关联和共同的思维方式的概念。科学领域的跨学科概念主要包括模式、因果关系、尺度、比例和数量、系统与系统模型、物质与能量、结构与功能、稳定与变化等。生物学教学中主动联系交叉学科知识有助于学生发现科学学科共通的模式,建立跨学科概念并形成科学世界观。例如,“细胞的分子组成”单元,教师在教学中若没有融合化学学科“原子结构与元素周期律”的相关知识,学生将很难理解为什么碳元素能成为生命系统中的核心元素。如果教师在教学中融合相关化学知识,引导学生从“碳元素的化学特性”角度分析“碳元素的原子结构使其能形成多种复杂的生物大分子并实现相应的功能,而元素周期表中其他元素的原子结构决定了这些元素不能在地球环境中形成多种复杂生物大分子”,学生不仅能深刻领悟到碳元素在生命系统中的重要性,也水到渠成形成了“结构与功能观”的生命观念。同时,“原子结构与元素周期律”的知识体现了“物质的结构决定性质”的化学观念;教师可引导学生基于本单元诠释的生命观念与化学观念建立“结构与功能”的跨学科概念,即物体和生命体的结构决定了它们的性质和功能。

2 生物学概念教学中融入学科交叉知识的路径

2.1 在单元整体设计中纳入学科交叉知识

进行单元整体设计有助于教师从整体上把握生物学的学科本质、厘清单元知识的结构并阐明单元在落实学科核心素养中承担的任务。教师在梳理单元知识结构时,通常会遵循“生命观念→重要概念→次位概念→生物学事实”的路径。基于学科交叉知识融合在生物学概念教学中的重要性,一方面,教师可以在上述路径增加“跨学科概念”“交叉学科观念”和交叉学科具体的“相关知识”等环节,以梳理本单元的重要概念教学中需要融入的交叉学科知识的结构和内容。例如,表1 示范了“细胞的能量供应和利用”单元的学科交叉知识的内容梳理,增设的内容包括:“物质与能量”的跨学科概念、物理观念中的“能量观念”和化学观念中的“物质变化观”,以及交叉学科中5 个具体相关知识的梳理。另一方面,教师在单元整体设计的学情分析环节可增设跨学科交叉知识的学情分析,以明确学生在交叉知识上的学习起点从而为后续设计恰当的教学活动打好基础。教师可通过查阅物理、化学等交叉学科的课程标准和教科书等方式了解相关知识点在其他学科的课程安排,也可组织科学教师之间进行跨学科教学的专题研讨或主动调查学生的已有知识等方式探查学生的学习起点。如果学生进入本单元前已学习交叉学科的相关知识点,教师在教学中只需要提供情境帮助学生回忆相关知识即可;反之则需要生物学教师在课堂中通过适当的教学策略帮助学生理解交叉学科的相关知识,为生物学概念的学习做好铺垫。

表1 《组成细胞的分子》单元的学科交叉知识的内容梳理

2.2 提出引领性的核心问题

“内容聚焦大概念”的课程理念旨在引导课堂教学应从“记住细枝末节、零散的学科知识”向“深入连贯地理解生物学重要概念”转变。核心问题是贯穿课堂的主线,教师设计的核心问题应直接指向生命观念和重要概念,同时也应尝试联系交叉学科的知识体现更上位的跨学科概念。具体可遵循以下三个步骤。第一步,初步提炼重要概念,即根据课程标准和教材相应的内容罗列下位概念并初步提炼生物学重要概念。第二步,精制重要概念,即依据生命观念并融合交叉学科的知识点、学科观念以及跨学科概念进一步精制生物学重要概念。第三步,将重要概念转变成核心问题,即在表述形式上将重要概念转变为引领课堂的核心问题。例如“细胞的能量供应和利用”单元。首先,教师通过阅读课程标准的内容标准和教材初步提炼生物学重要概念,如:“细胞的生命活动需要能量与营养物质”“细胞呼吸为细胞的生命活动提供能量”和“叶绿体通过光合作用将捕获的光能转化为糖类等有机物中的化学能”等。然后,将本单元主要诠释的“物质与能量观”与物理学科的“能量守恒定律”“热力学第二定律”以及物理观念等内容进行融合。由于“热力学第二定律认为一个孤立系统的熵值会增大,即系统总是从有序向无序的状态发展”与“细胞作为最基本的生命系统能保持结构的高度有序”会产生一定的认知冲突,因此本单元的重要概念应提升到能概述“细胞生命系统如何依据物质世界的基本定律进行物质变化与能量转化”的高度,精制后的重要概念如下:“由物质组成的细胞是一个开放有序的生命系统,需要不断的输入物质与能量以维持其自身结构的高度有序并实现相应的功能”。最后,将重要概念转化成核心问题为:①作为最基本的生命系统,细胞是如何通过代谢维持其结构的有序性并实现相应的功能的? ②细胞中的物质如何转变,能量是如何输入、转化和散失的?

2.3 创设学科交叉知识融合的教学情境

情境认知理论认为学习是基于特定的情境对知识的建构的过程。情境多是复杂的,跨学科的情境是交叉知识融合的重要载体。精心创设的跨学科教学情境不仅能够激发学生的学习兴趣、模拟回溯概念的产生过程促进对学习内容的深入理解、迁移与应用,同时还有助于学科交叉知识的融合。通常生物学课堂中的教学情境可来源于社会或日常生活中与生物学相关联的真实情境、生物学史中的经典实验情境、国内外最新生物学研究成果的情境、教材中的静态课程资源提供的情境、学生开展的科学探究活动生成的动态课程资源提供的情境等。在基于学科交叉融合的概念教学中,教师还可增加交叉学科的课程资源作为生物学课堂教学中的情境。例如,在“组成细胞的分子”中,教师可以创设如下情境:情境(1)科学家安芬森(Anfinsen)用尿素和β-巯基乙醇破坏了核糖核酸酶蛋白质的氢键和二硫键,发现原来紧密的球形蛋白质伸展开变成了松散的链状;当移除尿素和β-巯基乙醇后又恢复成原来的球形结构。情境(2)蔗糖在蔗糖酶的催化下才能水解成葡萄糖和果糖。研究人员将蔗糖酶加热到90 ℃后发现蔗糖酶不能再水解蔗糖了。上述两则化学实验提供的情境为引入“氢键”“范德华力”等化学知识搭建了阶梯,在此情境下学生能更本质的理解蛋白质的空间结构决定其功能,若空间结构发生改变则影响其功能。创设的情境为学科交叉融合提供了背景信息,为核心问题的教学做好铺垫。

2.4 设计融合学科交叉知识的课堂活动

课堂教学活动的组织与实施是融合学科交叉知识解决核心问题的关键环节,是生物学概念和生命观念形成的重要保障。融合学科交叉知识的课堂活动的出发点和落脚点都应指向对单元核心问题的回答。课堂活动可分为两个阶段:(1)教师将核心问题细化为支撑其问题解决的多个子问题并围绕子问题展开教学活动,子问题的讨论中应注重融合相关交叉学科的知识以促进学生对下位概念的理解;(2)基于跨学科的情境引导学生从生命观念和跨学科概念的角度根据已掌握的下位概念讨论单元核心问题以建构重要概念。课堂活动的实施应以学生为主体,具体形式可多样化,如开展科学探究、建模、论证、辩论、小组合作学习或构建概念图等方式。例如“细胞的能量供应和利用”单元核心问题可分解成以下子问题:①尝试说出细胞中主要的化学反应,哪些化学反应属于吸能反应、哪些属于放能反应? ②光合作用和呼吸作用过程中的物质转变和能量转化是如何进行的? ③细胞中的两大类化学反应(吸能和放能)之间有什么联系? 课堂活动的第一阶段中围绕子问题,学生需要基于物理学科中能量的形式与转化、能量守恒定律和化学学科中质量守恒定律的相关知识进行讨论,教学可采用合作学习的方式,发挥发挥学生各自的学科优势,合作解决跨学科的子问题。第二阶段中教师可通过引导学生构建叶肉细胞和动物细胞中化学反应的物质和能量变化的模型,解释细胞如何通过代谢维持结构有序并实现相应的功能的,并说明物质与能量对于细胞的生活有怎样的意义以解决单元核心问题。由此,基于课堂中深度融合学科交叉知识的课堂活动,学生将能深入理解单元的重要概念并发展物质与功能观,同时也有助于跨学科的物质与能量的科学概念的建立。

3 结语

在理解的基础上建构生物学概念并形成生命观念是生物学学科核心素养的重要内容。本文结合案例阐述了生物学课堂教学中融入学科交叉知识的重要性,提炼了将学科交叉知识深度融入生物学教学的路径包括:在单元整体设计中纳入学科交叉知识、提出引领性的核心问题、创设学科交叉知识融合的教学情境、设计融合学科交叉知识的课堂活动。教师可尝试基于上述路径开展教学实践,以进一步提高学生的生物学学科核心素养、更好地解决真实情境中的科学问题。