初中生物教學中跨學科概念的構建

廖婷婷

跨學科概念反復出現在美國科學課程的重要文件中，如《科學素養的基準》指出：“從課程的角度，這些概念涉及許多不同的可能性，既可用于‘協調各個學科，也可用于包含兩門或多門學科的綜合課程，還可用于整合關于橫跨許多學科的主題和問題的課程”。《K-12年級科學教育框架：實踐、跨學科概念與核心概念》（簡稱《K-12科學教育框架》）強調：“跨學科概念遍及科學的所有領域。跨學科概念為學生提供一個組織框架，學生可將各學科內容整合起來，科學地看待這個世界。”此外，《義務教育生物學課程標準（2011年版）》提到“隨著與物理學、化學、數學以及其他各學科之間不斷交叉、滲透和融合，生物科學已經日益呈現出主導學科的地位”。

跨學科概念的構建有利于培養學生敏銳的洞察力、睿智的創造性和辯證的邏輯思維，并對學習科學知識，觀察周圍環境以及認識世界起著重要的作用。下面通過論證初中階段邏輯思維發展特點，討論初中生物教學中“系統”跨學科概念的構建。

1 跨學科概念的簡介

跨學科概念也稱通用概念，具有高度的抽象性和辯證性，是科學知識共通性的高度歸納。最新的美國科學課程文件《K-12科學教育框架》和《下一代科學教育標準》中一共提出七個跨學科概念，分別為：系統與系統模型;因果關系：機制與解釋;尺度、比率和數量;穩定與變化;結構與功能;模式;物質與能量：流動、循環和守恒。

跨學科概念具有普適性，相對單一學科概念具有更高的抽象性，更具有哲學內涵和豐富的辯證性。例如，“系統”包含哲學中的“整體與部分”的辨證，“模型”體現了“抽象與具體”的辨證，“穩定與變化”對應哲學中的“運動與靜止”的辨證關系等。基于跨學科概念的這些特征，理解抽象和辨證的概念，需要學生積累一定的感性經驗和具備一定的抽象思維能力。

2初中生的思維發展特征

初中階段的學生已經積累了一定的生活經驗，并基于這些經驗生成了很多前科學概念。而通常這類前科學概念的內涵中有時包含著非本質特性，而忽略了本質特性，進而構建了錯誤的前科學概念。如，對于鳥類，有些初中生會錯誤地認為會飛的就是鳥，不會飛的一定不是鳥。

初中階段屬于思維快速發展變化的階段，具有良好的可塑性。按照皮亞杰關于個體智力發展年齡階段的劃分，初中階段已處于“形式運算”階段（11～15歲），抽象邏輯思維開始逐步占主導地位。這個階段的主要思維特點是，在頭腦中可以把事物的形式和內容分開，可以利用語言文字，在頭腦中想象和思維，甚至可以根據概念、假設等為前提，進行假設演繹推理，得出結論。這樣的思維特征，對于他們學習和構建跨學科概念提供了可能性。

3跨學科概念的構建——以“系統”為例

3.1“系統”——初中生應掌握的內容

“系統”是指由相互影響的任何事物集合而成的有機整體，系統有邊界、部件、物質流和能量流（輸入和輸出）、反饋。通過“系統”可以有效地分析內部因素間，以及各因素與整體的相互關系。根據學生的年齡特點和認知能力，結合《科學素養的基準》和《科學素養的導航圖》中初中生具體掌握的“系統”概念應包括以下內容：

（1）系統由相互聯系的組分構成;

（2）系統的組分之間相互聯系和相互影響;

（3）系統的組分可以自立成為一個系統;

（4） 一個系統既可以包含若干子系統，又可以作為一個較大系統的子系統;

（5）系統的反饋可用于控制系統整體的內部運行;

（6）任何系統與其他系統都會有內部和外部聯系;

（7）-個系統可能既包括實物，也包括過程;

（8）系統有物質的輸入和輸出或相互轉化，也有能量的輸入和輸出或轉化;

（9）系統中的物質和能量具有守恒性。

3.2構建“系統”跨學科概念

3.2.1 “系統”與“子系統”

根據初中生應掌握的“系統”與“子系統”的關系可知，“系統”由相互聯系的組分構成，而組分又可以自立為一個“系統”，且“系統”包含若干子系統的同時，又可以成為一個較大系統的“子系統”。例如，

“森林生態系統”由生物成分（植物、動物、微生物等）和非生物成分（空氣、陽光、水等）構成。在森林生態系統中，生物成分和非生物成分相互聯系，如生物成分的生存，離不開非生物成分，如植物的光合作用、呼吸作用、蒸騰作用都離不開空氣、陽光和水。而森林生態系統的成分可以自立為一個系統，如植物可以自立為一個系統，植物系統由植物細胞構成，植物細胞相互聯系構成植物組織，五種植物組織構成六種器官，六種器官最終構成植物系統。另森林生態系統包含植物、動物等若干子系統，還是生物圈中較小的子系統。又如“血液系統”由血漿和血細胞構成。血漿和血細胞相互聯系，如血漿負責運載血細胞和運輸養料、廢物等。血細胞可以自立為一個系統，包含紅細胞、白細胞和血小板。血液系統包含血漿和血細胞等子系統的同時也屬于血液循環系統里的子系統。

3.2.2“系統”與“反饋”

根據初中生應掌握的“系統”與“反饋”的關系可知，系統的反饋可控制系統整體的運行并且任何系統與其他系統都會有內部和外部聯系。例如，某一“草原生態系統”因為氣候惡化，沙塵暴頻繁，草原退化、沙化，造成草原生態系統中草越來越少，導致這一草原生態系統中的羊群被迫大批遷出到遠距離的另一塊草原生態系統中，進而導致另一塊草原生態系統草量迅速減少。又如，某一“池塘生態系統”，因為人類亂扔垃圾，附近的工廠亂排廢渣，造成整個池塘生態系統的水質改變，惡臭變質，進而導致池塘生態系統中的魚蝦大部分死亡，并且池塘生態系統中的其他生物和非生物成分或多或少都遭到了影響，從而導致整個池塘生態系統難以維持，最終完全崩潰。

3.2.3 “系統的守恒”

根據初中生應掌握的“系統的守恒”可知，系統既包括實物，也包括過程;系統有物質的輸入和輸出或相互轉化，也有能量的輸入和輸出或轉化;系統中的物質和能量具有守恒性。例如，“生態系統”中植物通過光合作用，在光的作用下，利用水和二氧化碳，制造氧氣和有機物。生態系統的光合作用，原料中的水和二氧化碳，產物中的氧氣和有機物都各自可以作為一個子系統，并且光合作用的整個過程也可以作為一個子系統。“光合作用”這個系統的能量方面有光能的輸入，并且光能轉化成化學能，最終以化學能的形式輸出;物質方面，有二氧化碳和水的輸入，氧氣和有機物的輸出。光合作用這個系統的能量和物質的輸入和輸出，就構成了這個系統的守恒。又如，生態系統的呼吸作用，也可以作為一個子系統。“呼吸作用”這個系統的能量方面輸入了有機物中的化學能，轉化成熱能和ATP中的化學能;物質方面，輸入氧氣和有機物，不僅供給植物自身呼吸消耗，還供給動物和微生物的呼吸消耗，以及微生物的分解消耗，最終輸出二氧化碳和水。呼吸作用這個系統的能量和物質的輸入和輸出，就構成了這個系統的守恒。因此，生態系統中的光合作用和呼吸作用構成的碳氧平衡實現了生態系統里物質和能量的輸入和輸出。再則，植物通過光合作用將環境中的無機物轉變成有機物，不僅供給植物本身需要，也是動物的食物來源。在動物攝食過程中，食物中的物質和能量流入動物體內。落葉和動物的尸體被大量細菌和真菌分解，其中的有機物被分解成無機物，可供植物重新利用。從而構建了生態系統里物質和能量的輸入和輸出，能量得以傳遞，物質得以循環利用，實現了生態系統中物質和能量的守恒。

4結語

初中生對“系統”等跨學科概念的理解程度，在一定程度上體現了他們的思維發展水平。具備一定的抽象邏輯思維，有利于他們理解事物的科學本質，建立科學的自然觀。初中生構建正確、科學和完整的跨學科概念，拓展思維，懂得跨學科概念的科學本質和內涵，并融會貫通地運用到生活和相關領域中，學會活學活用，才能科學準確地看待整個世界。