跨學(xué)科素養(yǎng)對(duì)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

陸瓊衡

摘要：以美國(guó)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(duì)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(shí)結(jié)構(gòu)、提高其教學(xué)水準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：美國(guó);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(hào)：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(lái)，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(diǎn)，平均50min，經(jīng)耶魯2009年春季錄制后在線播放，十年來(lái)久經(jīng)考驗(yàn)，全球累計(jì)學(xué)習(xí)者高達(dá)71.3萬(wàn)人。該課程通過(guò)最新進(jìn)展將知識(shí)跨界融合，各種觀點(diǎn)、機(jī)制和過(guò)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(duì)照牛津上海版的初中《科學(xué)》教材中的相應(yīng)知識(shí)板塊，闡述跨學(xué)科素養(yǎng)對(duì)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(jiǎn)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(gè)主題以一兩門學(xué)科知識(shí)為主（表1）。

教材對(duì)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(shí)體系”，在編寫時(shí)采用了技術(shù)與社會(huì)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(guò)于宏大的初衷常會(huì)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(duì)教師非常有限的知識(shí)量，在全局把握上更顯力不從心。在《科學(xué)》4冊(cè)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(jí)上冊(cè)和七年級(jí)上、下冊(cè)共3三冊(cè)教材中，對(duì)于生物學(xué)或者醫(yī)學(xué)畢業(yè)的教師來(lái)說(shuō)是長(zhǎng)項(xiàng)。第2章“生物的世界”、第3章“細(xì)胞與生殖”中對(duì)生物基礎(chǔ)概念的介紹如蜻蜓點(diǎn)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(dòng)物為先為主，植物僅作為拓展，動(dòng)植物生活環(huán)境的介紹偏后，植物分類僅在檢索表知識(shí)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(lái)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(jiǎn)略的生態(tài)系統(tǒng)知識(shí)，而低生育率對(duì)于種群的嚴(yán)峻影響從未被提及。

由此可見，對(duì)《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(shí)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(jí)下冊(cè)整本教材和七年級(jí)下冊(cè)這兩冊(cè)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(shí)可以展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，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(lái)分辨和權(quán)衡。

“能”這一章如與生態(tài)系統(tǒng)知識(shí)所在的“人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展”毗鄰則更為合適，因?yàn)榈厍蛏铣四芡馑衅渌哪芏贾苯踊蜷g接來(lái)自于太陽(yáng)，化石能源更是來(lái)自遠(yuǎn)古的動(dòng)植物，人類的生存依賴食物中動(dòng)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。“水”在開篇“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(dòng)都離不開水。教師自身也應(yīng)該從“水的循環(huán)”部分意識(shí)到其與氣象知識(shí)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(qiáng)調(diào)動(dòng)植物與大氣間的氣體交換，但對(duì)于地球大氣的來(lái)龍去脈卻沒有提及，教參中也沒有給予教師充分的信息。“地球”偏重于地理，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?！昂Ｑ蟆敝薪榻B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(diǎn)。教師應(yīng)具有相當(dāng)?shù)闹R(shí)儲(chǔ)備才能意識(shí)到從古至今，海洋從未停止對(duì)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(gè)人的受教育經(jīng)歷，生物學(xué)基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，在教授以上章節(jié)時(shí)難以認(rèn)識(shí)到生物學(xué)知識(shí)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(jí)上冊(cè)和七年級(jí)上、下冊(cè)這三冊(cè)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(shí)實(shí)際是研究生物學(xué)發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)知識(shí)，無(wú)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(dòng)的六個(gè)基本要素，生物學(xué)作為科學(xué)的一門分支，探究時(shí)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(guò)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(shí)到生物的電生理。

這些含隱性生物學(xué)知識(shí)的章節(jié)，對(duì)于無(wú)論是生物專業(yè)教師，還是物理、化學(xué)、地理專業(yè)教師來(lái)說(shuō)，都是對(duì)自身業(yè)務(wù)基礎(chǔ)切實(shí)的日?？简?yàn)。

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(shí)就像一系列圍繞本質(zhì)這個(gè)圓心的同心圓，學(xué)生越年幼，學(xué)習(xí)的知識(shí)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(shí)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(jī)、生動(dòng)地串連起另3門基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)，貫穿為期2年《科學(xué)》共15章的學(xué)習(xí)（圖1）。

2美國(guó)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(guó)國(guó)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(gè)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(guó)中學(xué)生物學(xué)基礎(chǔ)上，屬于通識(shí)性質(zhì)，對(duì)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(bǔ)缺、承上啟下，而且縱橫捭闔于各學(xué)科中，氣勢(shì)恢宏，非常適合上海初中科學(xué)教師對(duì)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(gè)角度來(lái)分析卓越的生物學(xué)教授所具備的扎實(shí)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(guò)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(lái)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(guò)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(jī)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(wàn)到百萬(wàn)年的深時(shí)作為觀測(cè)基準(zhǔn)。地球上最初的氧氣都來(lái)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(zhǎng)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(guò)100%。

分析：地球上動(dòng)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(lái)的大氣和溫度變化娓娓道來(lái)。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(lái)，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(yùn)動(dòng)和地球溫度變化等，對(duì)于教學(xué)重點(diǎn)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(guò)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(lái)源于上述細(xì)菌的生化過(guò)程，這就是非生物世界轉(zhuǎn)變成有生命的世界的過(guò)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(guò)時(shí)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(duì)細(xì)菌作用的認(rèn)可和重視，來(lái)源于其深厚的跨學(xué)科素養(yǎng)，他使學(xué)習(xí)者們認(rèn)識(shí)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(wú)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(jī)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(lái)、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(guò)，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(shí)和提升理念，熟練掌握自然現(xiàn)象的前因后果、來(lái)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(huì)到細(xì)菌才是46億年來(lái)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(guò)上億年的大陸漂移、5個(gè)冰河時(shí)代、上億年的大規(guī)模滅絕和局部災(zāi)難對(duì)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(wàn)里也依然有很大的相似性。冰河時(shí)代和間隔期海平面的上下波動(dòng)改變了大陸邊緣和生物在大陸之間移動(dòng)的能力。撒哈拉大沙漠中部在2-3萬(wàn)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(wú)脊椎動(dòng)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(wú)脊椎動(dòng)物與陸生5kg以上的恐龍都滅絕殆盡。每個(gè)世紀(jì)都會(huì)出現(xiàn)幾次如印尼2004年的大海嘯，上新世時(shí)期的劇烈火山噴發(fā)雖平均每隔1萬(wàn)～100萬(wàn)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(guó)鄉(xiāng)土地理來(lái)拉近學(xué)生與數(shù)億年地球變化塑造生命體這個(gè)宏大視角之間的距離，還運(yùn)用具體的數(shù)據(jù)和生動(dòng)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(cè)，無(wú)論是在“地球”還是“人與自然”章節(jié)，都從未提及板塊運(yùn)動(dòng)和冰河時(shí)代的變遷。對(duì)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(jī)的中期，但過(guò)去地質(zhì)過(guò)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(shí)到地球和地外環(huán)境對(duì)生命在很長(zhǎng)的時(shí)間間隔上有很大的影響。

縱觀地球46億年歷史，從無(wú)機(jī)物到有機(jī)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(shí)自身、認(rèn)識(shí)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(yǔ)言流暢如水，對(duì)物理、化學(xué)、地理的知識(shí)旁征博引、融會(huì)貫通，善于緊密聯(lián)系鄉(xiāng)土地理以拉近學(xué)生對(duì)于時(shí)空的距離感。所以《進(jìn)化、生態(tài)和行為原理》確實(shí)是一門綜合性極強(qiáng)的涵蓋教授本人學(xué)術(shù)特長(zhǎng)的入門課程。

3跨學(xué)科素養(yǎng)對(duì)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(cè)評(píng)對(duì)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(shí)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(duì)自己的要求應(yīng)向大學(xué)靠攏，行動(dòng)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(shí)來(lái)串聯(lián)物理、化學(xué)、地理知識(shí)，勤奮夯實(shí)物理、化學(xué)、地理三科基礎(chǔ)，用三科來(lái)有力支撐起生物學(xué)知識(shí)，并將這互補(bǔ)的兩種跨學(xué)科模式統(tǒng)一起來(lái)、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(duì)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(shí)各門分離而陳舊的課程是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要對(duì)知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)充、更新和綜合，并對(duì)理化地三科進(jìn)行在職進(jìn)修，以明了生物學(xué)的來(lái)龍去脈。對(duì)于非生物專業(yè)的教師而言，除了上述進(jìn)修，更需要對(duì)于生物學(xué)知識(shí)進(jìn)行在職速成。無(wú)論何種情況，教師只依賴教參來(lái)構(gòu)建自己的知識(shí)架構(gòu)是萬(wàn)萬(wàn)不夠的。教師照本宣科，會(huì)缺乏知識(shí)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(shí)儲(chǔ)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(zhǎng)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(jī)會(huì)走進(jìn)耶魯大學(xué)的初中科學(xué)教師，都可以足不出戶、無(wú)成本、無(wú)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。