生物與化學(xué)教學(xué)中跨學(xué)科前概念的應(yīng)用*

章青

摘? ? 要：生物與化學(xué)的一些知識(shí)存在重疊或交叉，但在教材中出現(xiàn)有時(shí)間上的錯(cuò)位，這樣一個(gè)學(xué)科的知識(shí)就形成了另一個(gè)學(xué)科的前概念。在生物與化學(xué)教學(xué)中，教師要利用跨學(xué)科前概念，強(qiáng)化學(xué)科內(nèi)容的學(xué)習(xí)，搭建跨學(xué)科知識(shí)橋梁，對(duì)生物與化學(xué)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)充和完善，從而形成知識(shí)體系。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科;前概念;生物;化學(xué)

跨學(xué)科教學(xué)是新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)科教學(xué)提出的要求，尤其是生物與化學(xué)的一些知識(shí)存在重疊或交叉，但在教材中出現(xiàn)有時(shí)間上的錯(cuò)位，這樣一個(gè)學(xué)科的知識(shí)就形成了另一個(gè)學(xué)科的前概念。筆者通過(guò)比較人民教育出版社2019年版的高中生物必修1與高中化學(xué)必修2教材中的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)這兩本教材重疊的知識(shí)最多，下面就以這兩本教材為例來(lái)說(shuō)明跨學(xué)科前概念在教學(xué)中的應(yīng)用。

一、跨學(xué)科教學(xué)是新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求

高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)指出，自然界是一個(gè)統(tǒng)一的整體，自然科學(xué)中的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等多門(mén)學(xué)科，其基本的思維方式、原理、研究?jī)?nèi)容有密切的聯(lián)系，有利于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)與思想方法，以及跨學(xué)科的科學(xué)概念[1]。高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，在化學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)重視跨學(xué)科內(nèi)容主題的選擇和組織[2]，加強(qiáng)化學(xué)與相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系，適當(dāng)融合跨學(xué)科知識(shí)，發(fā)展學(xué)生解決綜合問(wèn)題的能力，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。基于課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)由于生物學(xué)與化學(xué)知識(shí)的聯(lián)系非常密切，因此，關(guān)注生物學(xué)與化學(xué)兩門(mén)學(xué)科知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系尤為重要。

二、什么是前概念與跨學(xué)科前概念

前概念也稱為學(xué)科前概念，是指學(xué)生在接受正式的科學(xué)概念學(xué)習(xí)之前對(duì)日常生活中感知的現(xiàn)象，對(duì)已有知識(shí)有了初步的自我辨別式的學(xué)習(xí)，形成的對(duì)事物非本質(zhì)的認(rèn)識(shí)[3]。由于前概念多是停留在表象的認(rèn)知上，因此，有些前概念與正確概念相悖，那些與科學(xué)概念不符的觀點(diǎn)對(duì)科學(xué)概念的學(xué)習(xí)設(shè)置了障礙，因此，教學(xué)中必須了解學(xué)生已經(jīng)形成的前概念，這樣在教學(xué)中才能做到有的放矢。前概念的形成原因，有的是對(duì)生活經(jīng)驗(yàn)的簡(jiǎn)單歸納，如生活中通常吃的糖是甜的，從而得出“糖都是甜的”錯(cuò)誤概念。有的前概念是在初中或其他學(xué)科先前學(xué)習(xí)的知識(shí)概念，在本學(xué)科目前的知識(shí)學(xué)習(xí)中也屬于前概念，如初中學(xué)習(xí)的知識(shí)是高中學(xué)習(xí)的前概念。

跨學(xué)科前概念是指某學(xué)科的知識(shí)為今后另一個(gè)學(xué)科接受新知識(shí)起到一定作用，或者有一定影響的某學(xué)科知識(shí)，成為另一個(gè)學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)的前概念。跨學(xué)科前概念形成的原因通常有兩種，第一種是工具學(xué)科為應(yīng)用學(xué)科提供基礎(chǔ)知識(shí)，如物理、化學(xué)、生物等學(xué)科需要應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)，生物課中需要應(yīng)用物理與化學(xué)知識(shí)，如局部電流產(chǎn)生與物理知識(shí)有關(guān)，物質(zhì)的擴(kuò)散、物質(zhì)的合成或分解與化學(xué)知識(shí)有關(guān)，這樣物理學(xué)、化學(xué)知識(shí)就成為生物學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的跨學(xué)科前概念。第二種是不同學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容存在交叉重疊現(xiàn)象，但在學(xué)科教材中出現(xiàn)的先后時(shí)間不同，這樣先前學(xué)科出現(xiàn)的知識(shí)是稍后出現(xiàn)學(xué)科知識(shí)的前概念，稍后出現(xiàn)的學(xué)科知識(shí)，在知識(shí)體系構(gòu)建時(shí)，需要一些相關(guān)學(xué)科的前概念作知識(shí)鋪墊。如初中化學(xué)課學(xué)習(xí)的CO2與澄清的石灰水[Ca（OH）2]反應(yīng)生成CaCO3沉淀，在高中生物必修1中作為鑒定細(xì)胞呼吸是否產(chǎn)生CO2的前概念。但有的化學(xué)知識(shí)在教材進(jìn)度中出現(xiàn)的時(shí)間晚，而在生物教材中出現(xiàn)得較早，如蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、脂肪等知識(shí)在生物必修1教材中出現(xiàn)，這些知識(shí)在化學(xué)必修2教材中出現(xiàn)，生物教材中的這些知識(shí)就是化學(xué)必修2相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)的前概念。

三、跨學(xué)科前概念在教學(xué)中的應(yīng)用

高中生物必修1與高中化學(xué)必修2教材中有一些知識(shí)有交叉重疊，這些知識(shí)在這兩本教材上的表述有些相同，如單糖、二糖與多糖的概念與特點(diǎn)，也有一些在表述上是有區(qū)別的，如表1所示。如何處理這些學(xué)科間的前概念，筆者以這兩本教材中的相關(guān)內(nèi)容為例來(lái)說(shuō)明。

（一）應(yīng)用跨學(xué)科前概念，強(qiáng)化學(xué)科內(nèi)容的學(xué)習(xí)

生物學(xué)與化學(xué)教材由于建構(gòu)知識(shí)體系的需要，有少量?jī)?nèi)容有交叉重疊，如果表述相同，那么在本學(xué)科的學(xué)習(xí)時(shí)就可以利用跨學(xué)科前概念，設(shè)置問(wèn)題讓學(xué)生思考，這些知識(shí)就當(dāng)作強(qiáng)化內(nèi)容來(lái)處理。如生物必修1中對(duì)糖類(lèi)的表述與化學(xué)必修2相同，糖類(lèi)可分為單糖、二糖與多糖三種類(lèi)型，以及它們的特點(diǎn)、代表物、代表物的分子式、代表物在自然界的分布等相關(guān)表述，都是基本相同的。只是生物教材在多糖中除了介紹淀粉與纖維素外，還介紹了糖原。除此之外，還有脂肪的分子結(jié)構(gòu)，包括3分子脂肪酸與1分子甘油組成，脂肪酸可以分為飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸，氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這些內(nèi)容生物教材中都有介紹，由于生物課先學(xué)習(xí)這些內(nèi)容，在化學(xué)教學(xué)中可先鞏固這些內(nèi)容，通過(guò)提問(wèn)或者課前預(yù)習(xí)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效率。

如果化學(xué)與生物學(xué)科的重疊知識(shí)的表述層次與深度不同，則可以互補(bǔ)與相互借鑒，在本學(xué)科教學(xué)中要根據(jù)跨學(xué)科前概念的掌握情況，進(jìn)行必要的銜接與完善。由于生物教材在必修1中出現(xiàn)還原糖鑒定實(shí)驗(yàn)，使用了斐林試劑，而此時(shí)化學(xué)中的相關(guān)知識(shí)還沒(méi)有學(xué)習(xí)，因此，這里有關(guān)試劑作用的原理一般不宜展開(kāi)?；瘜W(xué)教材在必修2才有葡萄糖檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，顯然，在化學(xué)教學(xué)中，教師要利用學(xué)生在第一學(xué)期學(xué)習(xí)的生物學(xué)知識(shí)，引入葡萄糖檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，如提出問(wèn)題：“上學(xué)期生物課中大家學(xué)習(xí)了還原糖的鑒定方法，是如何操作的呢？”然后，結(jié)合進(jìn)行化學(xué)教材上知識(shí)的學(xué)習(xí)，在試管中加入2mL10%NaOH溶液，滴加5滴5%CuSO4溶液，得到新制的Cu（OH）2。再加入2mL10%葡萄糖溶液，加熱，觀察現(xiàn)象。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到兩種方法本質(zhì)上是相同的，都是要得到剛形成的Cu（OH）2，然后與葡萄糖反應(yīng)生成磚紅色Cu2O沉淀。在這里化學(xué)教師可以補(bǔ)充葡萄糖與Cu（OH）2反應(yīng)生成Cu2O 的反應(yīng)式，從而使得知識(shí)體系化。這樣深化了生物學(xué)中沒(méi)有介紹的甲液與乙液鑒定的具體化學(xué)反應(yīng)，從而使得學(xué)生學(xué)會(huì)跨學(xué)科知識(shí)的整合與應(yīng)用。

化學(xué)必修2第79頁(yè)，乙醇可以與酸性重鉻酸鉀溶液反應(yīng)，氧化成乙酸。而在生物必修1第90頁(yè)有“檢驗(yàn)酒精的產(chǎn)生：橙色的重鉻酸鉀溶液在酸性條件下與乙醇發(fā)生反應(yīng)，變成灰綠色”。這里沒(méi)有說(shuō)明是如何反應(yīng)的，這在化學(xué)必修2中可以補(bǔ)充，說(shuō)明反應(yīng)的發(fā)生過(guò)程，可以補(bǔ)充反應(yīng)方程式：3CH3CH2OH+2K2Cr2O7+8H2SO4=3CH3COOH+2Cr2（SO4）3（灰綠色）+2K2SO4+11H2O，這樣使學(xué)生從化學(xué)的角度完善檢測(cè)酒精的原理。

由于化學(xué)教材注重反應(yīng)過(guò)程，而生物教材中有關(guān)物質(zhì)鑒定更關(guān)注結(jié)果，化學(xué)過(guò)程往往省略?；瘜W(xué)教師在教學(xué)中應(yīng)先提問(wèn)生物教材中已經(jīng)學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)方法，隨后學(xué)習(xí)化學(xué)中的鑒定方法，這樣使得跨學(xué)科知識(shí)更加系統(tǒng)與深化。

（二）借助跨學(xué)科前概念，搭建跨學(xué)科知識(shí)橋梁

跨學(xué)科前概念有時(shí)比較簡(jiǎn)單，有時(shí)與本學(xué)科內(nèi)容處理的角度不同，這樣可以借助跨學(xué)科前概念，通過(guò)搭建知識(shí)橋梁，進(jìn)行本學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)，從而起到事半功倍的作用。如影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素實(shí)驗(yàn)兩本教材處理的方法有差別，可以相互借鑒。

化學(xué)必修2第43頁(yè)“探究”欄目的“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”實(shí)驗(yàn)中，在兩支大小相同的試管中均加入2mL5%過(guò)氧化氫溶液，同時(shí)加入2滴1mol/L FeCl3溶液。待試管中均有適量氣泡出現(xiàn)時(shí)，將其中的一支試管放入盛有熱水的燒杯中，另一個(gè)試管放入盛有等量冷水的燒杯中，一段時(shí)間后觀察兩支試管出現(xiàn)的現(xiàn)象并進(jìn)行對(duì)比，從而確定溫度會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)速率。而在生物必修1第77頁(yè)“探究·實(shí)踐”欄目中的內(nèi)容是“比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解”（方法步驟略）。這里有多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，1號(hào)與2號(hào)對(duì)照說(shuō)明加熱能夠促進(jìn)過(guò)氧化氫的分解，1號(hào)與3號(hào)對(duì)照說(shuō)明FeCl3能夠加速過(guò)氧化氫的分解，3號(hào)與4號(hào)對(duì)照說(shuō)明過(guò)氧化氫酶催化效率比無(wú)機(jī)催化劑FeCl3高。這里涉及對(duì)照實(shí)驗(yàn)，涉及加熱對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響，這些都可以作為化學(xué)必修2實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前概念，另外，還提供了不加催化劑的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，如果能夠利用好這些已有的知識(shí)，將會(huì)加快對(duì)化學(xué)中相關(guān)新知識(shí)的理解。

生物必修1的“探究·實(shí)踐”欄目中，在“影響酶活性的條件”的內(nèi)容中建議：用過(guò)氧化氫酶來(lái)探究pH對(duì)酶活性的影響，用淀粉酶來(lái)探究溫度對(duì)酶活性的影響。在化學(xué)教學(xué)中，學(xué)習(xí)“蔗糖、淀粉和纖維素等在稀酸的催化下能發(fā)生水解反應(yīng)，最終生成單糖”內(nèi)容時(shí)，化學(xué)教師可以提問(wèn)：在生物課的學(xué)習(xí)中教材建議用哪種物質(zhì)來(lái)探究pH對(duì)酶活性的影響？用哪種酶來(lái)探究溫度對(duì)酶活性的影響？原因是什么？接著讓學(xué)生用化學(xué)知識(shí)來(lái)解釋這樣做的原因，這樣在生物知識(shí)與化學(xué)知識(shí)之間搭建了橋梁，不僅鞏固了生物學(xué)知識(shí)，還能提高化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)效率。

（三）注意跨學(xué)科概念差異，保留或完善各自表述

化學(xué)必修2與生物必修1教材中有些相同內(nèi)容的表述有所不同，這是不同學(xué)科知識(shí)的特點(diǎn)決定的，化學(xué)教材側(cè)重于反應(yīng)過(guò)程并且偏向物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，如蛋白質(zhì)的檢測(cè)是利用蛋白質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)來(lái)進(jìn)行的，而生物教材側(cè)重于結(jié)果并且偏向生物體結(jié)構(gòu)的組成物質(zhì)，如脂質(zhì)中介紹了脂肪、磷脂和固醇，這為學(xué)習(xí)膜結(jié)構(gòu)作鋪墊。兩本教材中表述有差異的內(nèi)容如表1所示，在學(xué)科教學(xué)中要注意下面幾點(diǎn)。

1.注意保留化學(xué)與生物教材各自的表述

從表1可以看出兩本教材中表述的差異，其中有的是表述上的習(xí)慣使用延續(xù)下來(lái)的，如氨基酸的結(jié)合方式名稱，在化學(xué)中稱為“聚合反應(yīng)”，而生物教材中稱為“脫水縮合反應(yīng)”，這種各自的表述要保留，不要混淆。有的是學(xué)科性質(zhì)決定的，如檢測(cè)葡萄糖的實(shí)驗(yàn)，在試劑的使用上兩者的表述方式不同：生物教材中是甲液（質(zhì)量濃度為0.1g/mL的NaOH溶液）與乙液（質(zhì)量濃度為0.05g/mL的CuSO4溶液）現(xiàn)配現(xiàn)用，而化學(xué)中是得到新制的Cu（OH）2，并且加熱條件表述也不同。另外，蛋白質(zhì)檢測(cè)、脂質(zhì)的分類(lèi)等表述也有差異，這些各自的表述要保留。

2.注意對(duì)跨學(xué)科前概念進(jìn)行科學(xué)校正

日常生活中或跨學(xué)科中的概念有時(shí)不夠?qū)I(yè)，這樣在本學(xué)科的教學(xué)中要加以糾正與說(shuō)明。如化學(xué)必修2第85頁(yè)有這樣表述：食草動(dòng)物的體內(nèi)有纖維素水解酶，可將纖維素水解生成葡萄糖。生物必修1第25頁(yè)是這樣表述的：纖維素是多糖，不溶于水，在人和動(dòng)物體內(nèi)很難被消化，即使草食動(dòng)物有發(fā)達(dá)的消化器官，也需借助某些微生物的作用才能分解這類(lèi)多糖。

兩個(gè)學(xué)科的教材在此處的表述是有差異的，從生物學(xué)知識(shí)可知，食草動(dòng)物體內(nèi)本身是不含纖維素酶的，但其腸道內(nèi)的微生物能產(chǎn)生纖維素酶，將纖維素水解成葡萄糖，然后被動(dòng)物吸收。但人體的腸道中沒(méi)有分解纖維素的微生物，人體也不能產(chǎn)生纖維素酶，纖維素不能被人體消化吸收，但纖維素可以刺激腸道蠕動(dòng)，有助于食物與消化液混合，有利于食物的消化，腸道蠕動(dòng)還有利于食物殘?jiān)呐懦?，因此人們?yīng)攝入一定量的蔬菜、水果和粗糧等含纖維素較多的食物。人體腸道排出食物殘?jiān)褪俏覀兯追Q的“排大便”，這在生物學(xué)上稱為“排遺”，而不是化學(xué)教材中所說(shuō)的“排泄”，排泄是指生物體內(nèi)的代謝終產(chǎn)物（如CO2、水、尿素、無(wú)機(jī)鹽等）排出體外的過(guò)程，如“排小便”屬于排泄。這樣化學(xué)教材中將“排遺”與“排泄”混淆，并且“食草動(dòng)物的體內(nèi)有纖維素水解酶，可將纖維素水解生成葡萄糖”的表述是不準(zhǔn)確的，這也是日常生活中最常見(jiàn)的錯(cuò)誤概念。因此，化學(xué)教師在這里應(yīng)該根據(jù)生物學(xué)知識(shí)加以糾正，以免學(xué)生形成錯(cuò)誤的概念，當(dāng)然，最好是化學(xué)教材的編者能結(jié)合生物學(xué)知識(shí)將相關(guān)內(nèi)容科學(xué)表述，避免學(xué)生形成不科學(xué)的概念。

總之，學(xué)科教師要了解學(xué)生跨學(xué)科的前概念，尤其是高中生物必修1的內(nèi)容，有一些必需的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)在化學(xué)課中還沒(méi)有出現(xiàn)，這樣在對(duì)相關(guān)知識(shí)的處理時(shí)不要拓展，同時(shí)對(duì)這些知識(shí)的學(xué)習(xí)速度要慢一點(diǎn)。而在化學(xué)必修2的教學(xué)中要根據(jù)生物必修1中出現(xiàn)的與化學(xué)相關(guān)的內(nèi)容，進(jìn)行補(bǔ)充、完善，從而形成知識(shí)體系。

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