生物學課程中跨學科概念的內(nèi)涵及其學習價值*

姚國平

《義務(wù)教育課程方案（2022 年版）》明確要求在新教育階段課程中“設(shè)立跨學科主題學習活動，加強學科間相互關(guān)聯(lián)，帶動課程綜合化實施”［1］?！读x務(wù)教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）則將這一要求具化為“跨學科實踐”，并將新增的“生物學與社會·跨學科實踐”作為重要的學習主題納入課程內(nèi)容模塊，旨在進一步強化生物學課程的協(xié)同育人、實踐育人功能。

無論從生物學自身的發(fā)展歷史來看，還是從當前生物學課程育人功能的角度來看，生物學的研究和學習都會涉及跨學科問題和跨學科概念，新課標的改革創(chuàng)新之一就是強調(diào)跨學科概念的學習。那么，什么是跨學科概念？生物學課程中有哪些跨學科概念？學習跨學科概念有什么價值？本文擬在明晰跨學科概念的基礎(chǔ)上，梳理生物學課程中的跨學科概念，并闡述跨學科概念的學習價值。

一、跨學科概念的內(nèi)涵

跨學科概念是一種反映科學本身的上位思維方式或工具，它超越了學科間的界限，較之學科核心概念，具有更強的統(tǒng)攝性，是聯(lián)系各學科的紐帶。自然科學研究中普遍認可的跨學科概念包括：模式，因果關(guān)系，尺度、比例與數(shù)量，系統(tǒng)與系統(tǒng)模型，物質(zhì)與能量，結(jié)構(gòu)與功能，穩(wěn)定與變化。［2］（見表1）

表1 跨學科概念及其內(nèi)涵

跨學科概念主要有以下三項基本特征：一是與學科核心概念在同一層級；二是具有聯(lián)結(jié)兩個或兩個以上學科核心概念的功能；三是具有獨特的內(nèi)涵和外延，不是幾個概念的簡單相加。［3］例如，生物體最基本的特征就是生物體與外界環(huán)境以及生物體內(nèi)部能進行物質(zhì)與能量的交換，學生在學習光合作用、呼吸作用的過程中能領(lǐng)悟物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化；同樣，學生在學習物理、化學時，會認識到物質(zhì)是變化的，物質(zhì)的變化伴隨能量的轉(zhuǎn)化，且能量是守恒的；在技術(shù)工程領(lǐng)域，材料是生產(chǎn)的物質(zhì)根底，使用物質(zhì)工具對原材料進行加工生產(chǎn)出物質(zhì)產(chǎn)品的過程需要能量驅(qū)動。這樣，物質(zhì)和能量不單單是生物學中的一個核心概念，也是多個學科或領(lǐng)域的共同概念，起到了組織和連接的作用。

二、生物學課程內(nèi)容中的跨學科概念

1.跨學科概念外顯于課程內(nèi)容中

跨學科實踐能促進核心素養(yǎng)的達成，實現(xiàn)綜合育人價值。在新課標“生物學與社會·跨學科實踐”這一新增學習主題中，共包含三類跨學科實踐活動：模型制作類、植物栽培和動物飼養(yǎng)類、發(fā)酵食品制作類。針對上述三類跨學科實踐活動，新課標以外顯化的形式明確列出了相關(guān)跨學科概念。

對于模型制作類跨學科實踐活動，新課標明確要求“針對特定的生物學內(nèi)容，運用生物學、物理、技術(shù)、工程學等學科概念，以及‘結(jié)構(gòu)與功能’‘尺度、比例與數(shù)量’‘系統(tǒng)與系統(tǒng)模型’等跨學科概念，選擇恰當?shù)牟牧?，設(shè)計并制作模型，直觀地表征相應的結(jié)構(gòu)與功能，提升探究實踐能力”；對于植物栽培和動物飼養(yǎng)類跨學科實踐活動，明確要求“植物栽培和動物飼養(yǎng)可以綜合運用多學科的知識和方法，考慮‘結(jié)構(gòu)與功能’‘物質(zhì)與能量’‘因果關(guān)系’等跨學科概念，設(shè)計恰當?shù)难b置，以滿足生物生長的需要”。［4］

2.跨學科概念內(nèi)隱于課程內(nèi)容中

新課標以學科知識為內(nèi)在邏輯主線選取7個學習主題，每個學習主題都包括內(nèi)容要求、學業(yè)要求和教學提示，其中1—6 個主題的內(nèi)容要求部分以大概念、重要概念和次位概念的形式，構(gòu)建三級概念體系（即學科“核心概念”體系），交織成生物學科的概念框架和邏輯體系?？鐚W科概念是貫通各學科的基本概念，內(nèi)隱于學科概念體系中。不同層級的學科核心概念中，或多或少都能抽提出物質(zhì)與能量、系統(tǒng)與模型、結(jié)構(gòu)與功能、穩(wěn)定與變化等跨學科概念。

以“生物體的結(jié)構(gòu)層次”這一主題的內(nèi)容要求為例，該主題的學習涉及生命系統(tǒng)各個層次的組成、結(jié)構(gòu)及功能，利用簡化模型有利于學生理解生命系統(tǒng)的復雜性和層次性。因此，該主題的學習隱含了“結(jié)構(gòu)與功能”“系統(tǒng)與模型”“因果關(guān)系”（結(jié)構(gòu)與功能間有因果關(guān)系）“尺度、比例與數(shù)量”（制作細胞模型需考慮這些要素）“模式”等跨學科概念。（見表2）

表2 核心概念及跨學科概念

三、跨學科概念在生物學學習中的價值

1.有助于高階思維的訓練

科學思維是在認識事物、解決問題的過程中形成的能力和品格，是應該著力培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一。高階思維體現(xiàn)在學生能夠?qū)⑾到y(tǒng)性的知識（如抽象的概念和原則）內(nèi)化到認知結(jié)構(gòu)中，并能夠在一個新的情境中調(diào)取和使用，是發(fā)生在較高認知水平層次上的心智活動?？鐚W科概念從知識層面看，是將不同領(lǐng)域或者不同學科間共通的概念提煉整合，是一種認知結(jié)論；從思維層面看，是一種超越單一學科的更為上位的思維方式或工具，有助于學生以連貫和系統(tǒng)化的思維方式看待這個世界，是一種認知能力?，F(xiàn)實問題具有綜合性、復雜性，往往需要運用多個學科的知識和方法，也需要跨學科的認知方式，促使學生在更高層面解釋零散的科學現(xiàn)象和事實，還可以給出解決問題的一般視角、方法和模式。

例如，伯勞鳥是一種兇猛小鳥，主要以小型爬行類、兩棲類及鳥類為食物，常將捕捉的獵物插在棘刺上、樹枝上，這一行為被稱為“掛尸”。為什么會有這種現(xiàn)象發(fā)生呢？在以鳥類為主題的跨學科項目的學習中，教師可以引導學生這樣分析：從“物質(zhì)與能量”這一跨學科概念角度來看，生物捕食是為了獲得營養(yǎng)和能量，將獵物掛在樹上慢慢食用，可以解決伯勞沒有嗉囊而不能儲存食物的缺陷，同時還有利于減少到處覓食的能量消耗；從“結(jié)構(gòu)與功能”角度來看，雖然伯勞的喙端、趾具有利鉤，但其腿部肌肉不發(fā)達，不能像猛禽一樣用腿和爪子撕扯獵物，所以只能掛在樹上以方便處理?？梢?，引導學生錨定跨學科概念，獲取解決現(xiàn)實問題的視角和方法，可以幫助學生理解自然及自然現(xiàn)象，進而為揭示未知世界打下基礎(chǔ)，這需要高水平的心智活動。

2.有助于學科核心概念的理解

梳理每個生物學學習主題的概念體系，可以發(fā)現(xiàn)，與某一跨學科概念對應、關(guān)聯(lián)的可能是某一個重要概念，也有可能是更上位的次位概念、大概念。顯然，對學科核心概念的掌握能夠協(xié)助學生更具體地學習跨學科概念，而跨學科概念在具體學科的擴展、遷移和運用，有助于學生更有效地理解和同化學科核心概念，形成良好的認知結(jié)構(gòu)。這實質(zhì)上是一種典型的下位學習方式。

例如，光合作用這一生理過程可類比為：葉片類似于工廠，葉綠體類似于機器，葉綠體利用光能以二氧化碳和水為原料生產(chǎn)有機物和氧氣。在這一概念的學習中，運用“物質(zhì)與能量”這一跨學科概念，學生會發(fā)現(xiàn)這種復雜的生命活動現(xiàn)象的實質(zhì)是物質(zhì)交換與能量轉(zhuǎn)化的某種表現(xiàn)。這樣的學習能夠直抵概念的本質(zhì)，使學生獲得深度理解。

3.有助于生命觀念的培育

核心素養(yǎng)是課程育人價值的集中體現(xiàn)，新課標提出了“生命觀念”“科學思維”“探究實踐”“態(tài)度責任”四個維度的核心素養(yǎng)。從生物學課程核心素養(yǎng)內(nèi)涵角度審視，生命觀念主要包括生物學的結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀、進化與適應觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀等。這些生命觀念，和系統(tǒng)與系統(tǒng)模型、結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)與能量、穩(wěn)定與變化這幾個跨學科概念都有著直接或間接的聯(lián)系，跨學科概念包含了眾多生命觀念。比如，在系統(tǒng)科學思維模式下，生命有機體本身是一個開放的復雜系統(tǒng)，生命是物質(zhì)、能量和信息的統(tǒng)一體；進化與適應觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀都具有穩(wěn)定和變化的特征。

生命觀念是一種意識和思想方法。生命觀念的形成過程表明，在幫助學生形成生命觀念時，首先應該讓學生學習生物學的基礎(chǔ)知識，使其從生物學知識中發(fā)現(xiàn)概念、原理和規(guī)律，然后再對概念、原理和規(guī)律進一步提升。這才是形成生命觀念的正確路徑。［5］這是一條學科本位的縱向?qū)蛹墝W習路徑。學習具有累積效應，生命觀念的培育除了縱向加強外，還可以將不同學科背景的概念橫向聯(lián)系起來，為學生提供更具統(tǒng)一性的觀點?？鐚W科概念的學習融通其他學科和領(lǐng)域，是一種橫向聯(lián)結(jié)學習路徑。這種縱向構(gòu)建、橫向貫通的“縱”“橫”交織的學習模式，可以幫助學生打破學科壁壘、跨越知識藩籬，在理解“少而精”的學科核心概念和“約而通”的跨學科概念的基礎(chǔ)上，以更宏大的視野培育生命觀念，促進核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

4.有助于科學世界觀的形成

世界觀指人們對世界總的看法和根本觀點，包括自然觀、社會觀和價值觀等。跨學科概念超越了零散的理論和事實，進一步提煉升華，可以內(nèi)化為看待事物的傾向、分析問題的視角和解決問題的原則，是一種科學的世界觀和方法論的體現(xiàn)?！拔镔|(zhì)與能量”這一跨學科概念奠定了學生最基本的世界觀，為客觀理解自然及自然現(xiàn)象、進而揭示未知世界打下基礎(chǔ)［6］；“穩(wěn)定與變化”這一跨學科概念讓學生認識到自然界一切事物都在變化之中，但又具有相對穩(wěn)定性，通過變化可以尋找事物內(nèi)在的規(guī)律；“系統(tǒng)與系統(tǒng)模型”是人們研究真實世界的基本思想方法，有助于學生在整體把握的基礎(chǔ)上用簡化的方式來理解復雜的科學現(xiàn)象；“因果關(guān)系”這一跨學科概念就是讓學生用科學的眼光去探尋和解釋事件的因果關(guān)系及其機制。

例如，在初中生物學健康生活的主題里，教師可引導學生運用跨學科概念分析：人的體溫是產(chǎn)熱和散熱的動態(tài)平衡（“物質(zhì)與能量”“穩(wěn)定與變化”），當有疾病時，體溫調(diào)節(jié)中樞功能紊亂，引起產(chǎn)熱大于散熱，導致發(fā)熱現(xiàn)象的產(chǎn)生（“因果關(guān)系”），發(fā)熱只是結(jié)果而不是原因。由此學生就會認識到，新冠期間“發(fā)高燒，焐被子”這種因果關(guān)系倒置的問題解決方式是偽科學，自然就不會盲目信從了?？梢?，跨學科概念是幫助學生認識自然界，乃至社會現(xiàn)象的強有力的觀念和工具。

跨學科概念學習是科學學習的重要內(nèi)容，將跨學科概念學習作為實現(xiàn)課程整合、培養(yǎng)學生跨學科思維的有力途徑，這對提升學生科學素養(yǎng)具有獨特而重要的價值。