跨學科素養對上海初中科學教師生物學業務能力提升的重要性

陸瓊衡

摘要：以美國耶魯大學Stephenc.Stearns教授的《進化，生態和行為原理》課程中“地質領域的大事件”一課為例，分析其跨學科素養，闡述對上海初中科學教師生物學業務能力提升的重要性，以期完善其知識結構、提高其教學水準。

關鍵詞：美國;耶魯大學;跨學科素養;上海初中科學;生物學

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

Stephen C.Stearns教授執掌耶魯大學生態學與進化生物學之Edward P.Bass教席20年來，以生命史理論和進化醫學蜚聲業界。其36堂《進化，生態和行為原理》是生物和環境專業入門課，并向全體耶魯本科生開放。每堂課討論主流觀點，平均50min，經耶魯2009年春季錄制后在線播放，十年來久經考驗，全球累計學習者高達71.3萬人。該課程通過最新進展將知識跨界融合，各種觀點、機制和過程都應成為所有生物學家和公民教育工具的一部分。下面就其第18課“地質領域的大事件”進行分析，對照牛津上海版的初中《科學》教材中的相應知識板塊，闡述跨學科素養對于上海初中科學教師生物學業務能力提升的重要性和操作法。

1生物學在初中《科學》教材中的分布分類和教授難度

初中《科學》教材（以下簡稱“《科學》”）由物理、化學、生物、地理四門學科構成，為了具有自然的綜合性，內容上采用了主題呈現的形式，每個主題以一兩門學科知識為主（表1）。

教材對科學的定義是“正確反映客觀世界某一領域內的客觀規律的知識體系”，在編寫時采用了技術與社會為“用”，由近（身邊事物、生命）及遠（宇宙空間）;科學為“體”，體現物質（生命）一能一信息一人一宇宙，在此將四門學科穿插其中。其開設是為了幫助學生從親近自然走向親近科學，總目標是提高每一位學生的科學素養，促進學生健康人格的形成。然而，過于宏大的初衷常會導致科學教師在日常教學中疲于在四門學科中切換。學生不僅受制于教材的既定安排，而且面對教師非常有限的知識量，在全局把握上更顯力不從心。在《科學》4冊共15章的內容按照涉及生物學的章節，可以分類如下。

1.1《科學》中的純生物學章節

《科學》中的純生物學章節分布在六年級上冊和七年級上、下冊共3三冊教材中，對于生物學或者醫學畢業的教師來說是長項。第2章“生物的世界”、第3章“細胞與生殖”中對生物基礎概念的介紹如蜻蜓點水，但在第10章“健康的身體”、第11章“感知與協調”、第15章“人與自然的協調發展”中又突兀地躍遷到智人的內在與外在。

“生物的世界”以動物為先為主，植物僅作為拓展，動植物生活環境的介紹偏后，植物分類僅在檢索表知識中出現;滅絕的概念缺乏中立，帶有濃重的感情色彩;“細胞與生殖”章節刻意忽略了有絲分裂和減數分裂，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，并衍生到循環系統，直到章節尾聲，泌尿系統才姍姍來遲;“感知與協調”重視覺、聽覺，輕嗅覺、味覺、觸覺，章末意在引出中樞神經系統的重要性;壓軸章節始終圍繞人口提示自然資源的珍貴，其間嵌有簡略的生態系統知識，而低生育率對于種群的嚴峻影響從未被提及。

由此可見，對《科學》在純生物章節，生物或醫學專業的教師應仔細分辨，而其他專業的教師則務必和學生一起從零開始建構知識體系。

1.2《科學》中的部分含生物學章節

《科學》中的部分含生物學章節分布在六年級下冊整本教材和七年級下冊這兩冊中：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”。物理、化學和地理專業畢業的科學教師在執教這些章節時可以展現優勢，但其中涵蓋的部分生物學內容亟需他們所具備的生物學業務能力來分辨和權衡。

“能”這一章如與生態系統知識所在的“人與自然的協調發展”毗鄰則更為合適，因為地球上除核能外所有其他的能都直接或間接來自于太陽，化石能源更是來自遠古的動植物，人類的生存依賴食物中動植物含有的化學能，并遵循熱力學第二定律。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象中的暖流走向。“水”在開篇“水與生命”中表達了水是生物體的重要組成成分，生物體的各種生命活動都離不開水。教師自身也應該從“水的循環”部分意識到其與氣象知識的關聯，而不同的降雨量將造就不同的植被。“空氣”除了從物理角度講述空氣的組成成分、用途、性質，還涵蓋了綠色植物賴以制造氧氣和淀粉的光合作用。教材雖然強調動植物與大氣間的氣體交換，但對于地球大氣的來龍去脈卻沒有提及，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，礦物也與生命的形成密不可分。“海洋”中介紹了海洋生物資源，更是提出“海洋是地球上生物的故鄉”這一重要觀點。教師應具有相當的知識儲備才能意識到從古至今，海洋從未停止對于生物的影響，尤其是人類。

非生物專業的科學教師受限于個人的受教育經歷，生物學基礎不夠扎實，在教授以上章節時難以認識到生物學知識在其中所具有的休戚相關的重要線索地位。

1.3《科學》中的含隱性生物學章節

《科學》中的含隱性生物學章節分布在六年級上冊和七年級上、下冊這三冊中：分別為第1章“科學入門”、第4章“物質的粒子模型”、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”。這些知識實際是研究生物學發生發展的基礎知識，無論教師畢業于何種專業，都要培養自身厚重的生物學素養才能領悟。

“入門”中的精華是了解科學探究活動的六個基本要素，生物學作為科學的一門分支，探究時同樣要具備這六大要素。“粒子模型”應與“宇宙與空間探索”毗鄰，使地球作為天體的形成過程更加符合邏輯。從“溶液”應聯想到生物的細胞內液和細胞外液，從“電”應能意識到生物的電生理。

這些含隱性生物學知識的章節，對于無論是生物專業教師，還是物理、化學、地理專業教師來說，都是對自身業務基礎切實的日常考驗。

由此可見，生物學在初中《科學》中具有不容小覷的地位。知識就像一系列圍繞本質這個圓心的同心圓，學生越年幼，學習的知識越處于同心圓外圍，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，即知其所以然，把學生引導向圓心，即本質。生物學知識不能只由生物學構成，其基礎是理化和地理。初中科學教師可嘗試將生物學作為草蛇灰線、伏筆千里的線索，用生物學合理、有機、生動地串連起另3門基礎學科知識，貫穿為期2年《科學》共15章的學習（圖1）。

2美國耶魯大學《進化、生態和行為原理》課堂中展現的生物學必要的跨學科素養

美國國家科學院專門指出：只要不是僅僅把兩門學科粘在一起創造一個新產品，而是思想和方法的整合、綜合，那就是真正的跨學科。耶魯大學著名的《進化、生態和行為原理》課程建立在美國中學生物學基礎上，屬于通識性質，對于開始大學階段生物、環境專業的學生而言，不僅能拾遺補缺、承上啟下，而且縱橫捭闔于各學科中，氣勢恢宏，非常適合上海初中科學教師對于提高生物學業務能力的在職進修。現取第18課“地質領域的大事件”，從3個角度來分析卓越的生物學教授所具備的扎實的跨學科素養。

2.1地球上的二氧化碳、氧氣和溫度的變化過程

內容關鍵：地球形成初期大氣稀薄，二氧化碳的含量接近100%，直到二疊紀大幅度下降。近三億年來有植物化石，葉片氣孔數量與二氧化碳含量成負相關。當前二氧化碳含量不足1%，論溫室效應，地球在過去遠勝于當前。地球最初的二氧化碳絕大部分保存入石灰巖，余下的幾乎都成為沉積巖中的有機碳。所以，地球的碳平衡基本依賴于巖石緩慢的地質變化，以十萬到百萬年的深時作為觀測基準。地球上最初的氧氣都來自光合細菌等的制造，5-6億年前，大氣氧濃度才達到當前，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料。30多億年重要的化學作用才開始形成了人們所熟悉的環境，自地球形成35億年后生命出現，水就以液態存在于地球表面，故其后溫度最高也不超過100%。

分析：地球上動植物的生存離不開氧氣，教授用理、化、生、地4科的跨學科素養將地球自初始以來的大氣和溫度變化娓娓道來。反觀《科學》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，并把游離氧的產生歸因于綠色植物而非光合細菌，且未提臭氧。在“植物的呼吸”部分，氣孔這一結構要延后到初二《生命科學》才被介紹。第13章“地球、礦物與材料”中沒有提及板塊運動和地球溫度變化等，對于教學重點的鐵，教參中也沒有提及其形成的歷史。

2.2生命如何構造地球

內容關鍵：生命，特別是細菌，一直通過新陳代謝影響地球。細菌可以制造氧氣;產生并氧化甲烷;穩定二氧化碳;在氮循環中固氮成氨、使氨與硝酸鹽相互轉化，而氮肥正是藻類的重要養料，直到孕育出陸地上復雜的植物后，植物才創造出非常復雜的現代分層土壤。地球上所有蛋白質中的氮都來源于上述細菌的生化過程，這就是非生物世界轉變成有生命的世界的過程。硫細菌使硫化氫和硫酸鹽相互轉化。在海洋中部的山脊，鐵細菌將亞鐵離子氧化，并影響著錳、銅等礦床的降解。海洋地殼下的細菌在海水熱流穿過時發生反應經常留下金屬沉積物如錳結核。生物圈由此延展到我們腳下數千米的地方。

分析：教授對細菌作用的認可和重視，來源于其深厚的跨學科素養，他使學習者們認識到地球上大氣穩定、土壤產生、生命起源都依賴細菌，由此世界從無生命向有生命進化。教授還介紹了硫細菌、鐵細菌和錳結核的產生機制，由此生物圈延伸到深海地殼下方。反觀《科學》，從未介紹大氣歷史，土壤更被視作與生俱來、早于植物（見第13章“地球、礦物與材料”）。錳結核在第14章“海洋與海洋開發”中僅作為深海礦產資源被一筆帶過，學生很容易誤解為是由于高壓而產生，而不知是由于海洋地殼下細菌的作用。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，而地殼被歸為內部圈層。初中科學教師若不更新知識和提升理念，熟練掌握自然現象的前因后果、來龍去脈，就不免在課堂上照本宣科、以訛傳訛，不能讓學生體會到細菌才是46億年來影響地球的不可或缺的因素。

2.3地球如何修飾生命體

內容關鍵：地球通過上億年的大陸漂移、5個冰河時代、上億年的大規模滅絕和局部災難對生命產生影響。泛大陸的斷裂造成今天大洋兩岸的巖石極其接近，植物雖然遠隔萬里也依然有很大的相似性。冰河時代和間隔期海平面的上下波動改變了大陸邊緣和生物在大陸之間移動的能力。撒哈拉大沙漠中部在2-3萬年前曾有河馬生存。而南海都曾經是陸地，象和虎可以從亞洲直接步行到遠至婆羅洲等地。二疊紀末期大規模滅絕最為徹底，三葉蟲和97%的海洋無脊椎動物消失。白堊紀末期的大規模滅絕與巨型隕石撞擊的一系列后果有關，70%的海洋無脊椎動物與陸生5kg以上的恐龍都滅絕殆盡。每個世紀都會出現幾次如印尼2004年的大海嘯，上新世時期的劇烈火山噴發雖平均每隔1萬～100萬年才有一次，但能引起海底滑坡、造成大規模海嘯。

分析：在本部分，教授充分利用美國鄉土地理來拉近學生與數億年地球變化塑造生命體這個宏大視角之間的距離，還運用具體的數據和生動的類比再現125000年前大隕石墜落深海后引起大海嘯的嚴重后果。教授的跨學科素養體現在地理、藝術、生物、化學等學科。反觀《科學》四冊，無論是在“地球”還是“人與自然”章節，都從未提及板塊運動和冰河時代的變遷。對于滅絕，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的中期，但過去地質過程已經導致很多種群滅絕，然后生命一次又一次地繁衍出新的品種。海嘯在“海洋”章節僅作為災難略為呈現，而沒有給予具體的原因，這就很難站在歷史的高度認識到地球和地外環境對生命在很長的時間間隔上有很大的影響。

縱觀地球46億年歷史，從無機物到有機物，逐漸演化出復雜的生物多樣性，直到人類出現后認識自身、認識世界并改造世界，這與物理、化學和地理的作用休戚相關。缺乏物理化學地理支撐的生物學猶如沙灘建塔、空中樓閣。卓越的Stearns教授的語言流暢如水，對物理、化學、地理的知識旁征博引、融會貫通，善于緊密聯系鄉土地理以拉近學生對于時空的距離感。所以《進化、生態和行為原理》確實是一門綜合性極強的涵蓋教授本人學術特長的入門課程。

3跨學科素養對提高上海初中科學教師生物學專業能力的重要性和操作法

學科核心素養視角下的學業測評對學生提出了跨學科能力的要求，學生需具備跨學科能力才能在復雜的情境中整合知識解決問題。

教師首先應當是學生的榜樣。初中生物學教師對自己的要求應向大學靠攏，行動應追隨大學思路，尤其是全球著名大學。當今生物學成果都需要借助多種學科的結合，DNA雙螺旋結構的發現就是物理學家、化學家和生物學家共同研究所得。初中科學教師在教學中，要用生物學知識來串聯物理、化學、地理知識，勤奮夯實物理、化學、地理三科基礎，用三科來有力支撐起生物學知識，并將這互補的兩種跨學科模式統一起來、循環往復，以物理、化學、地理三科互為犄角、承載生物學呈品字形突進。對于生物專業的教師而言，想在業務能力上有所提升，僅憑大學時各門分離而陳舊的課程是遠遠不夠的，還需要對知識進行補充、更新和綜合，并對理化地三科進行在職進修，以明了生物學的來龍去脈。對于非生物專業的教師而言，除了上述進修，更需要對于生物學知識進行在職速成。無論何種情況，教師只依賴教參來構建自己的知識架構是萬萬不夠的。教師照本宣科，會缺乏知識的綜合性、應用性，容易孤立、片面地看待問題，難以使學生建立科學的世界觀和方法論。學生的學習雖由教學大綱規定，但教師的知識儲備要遠遠豐富于學生，思維應遠超學生，才能在潛移默化中起到引領作用。要給學生一滴水，教師不僅要有一桶水，而且要有長流水。耶魯大學Stearns教授的36堂《進化，生態和行為原理》具有先進的理念，深入淺出、舉重若輕，不啻為教師大膽借鑒的最佳選擇。所有沒有機會走進耶魯大學的初中科學教師，都可以足不出戶、無成本、無障礙地從互聯網學習世界名校的課程精髓、世界前沿的新知新思。