生物學(xué)課程中跨學(xué)科概念的內(nèi)涵及其學(xué)習(xí)價(jià)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(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)，加強(qiáng)學(xué)科間相互關(guān)聯(lián)，帶動(dòng)課程綜合化實(shí)施”［1］。《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）則將這一要求具化為“跨學(xué)科實(shí)踐”，并將新增的“生物學(xué)與社會(huì)·跨學(xué)科實(shí)踐”作為重要的學(xué)習(xí)主題納入課程內(nèi)容模塊，旨在進(jìn)一步強(qiáng)化生物學(xué)課程的協(xié)同育人、實(shí)踐育人功能。

無論從生物學(xué)自身的發(fā)展歷史來看，還是從當(dāng)前生物學(xué)課程育人功能的角度來看，生物學(xué)的研究和學(xué)習(xí)都會(huì)涉及跨學(xué)科問題和跨學(xué)科概念，新課標(biāo)的改革創(chuàng)新之一就是強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科概念的學(xué)習(xí)。那么，什么是跨學(xué)科概念？生物學(xué)課程中有哪些跨學(xué)科概念？學(xué)習(xí)跨學(xué)科概念有什么價(jià)值？本文擬在明晰跨學(xué)科概念的基礎(chǔ)上，梳理生物學(xué)課程中的跨學(xué)科概念，并闡述跨學(xué)科概念的學(xué)習(xí)價(jià)值。

一、跨學(xué)科概念的內(nèi)涵

跨學(xué)科概念是一種反映科學(xué)本身的上位思維方式或工具，它超越了學(xué)科間的界限，較之學(xué)科核心概念，具有更強(qiáng)的統(tǒng)攝性，是聯(lián)系各學(xué)科的紐帶。自然科學(xué)研究中普遍認(rèn)可的跨學(xué)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(xué)科概念及其內(nèi)涵

跨學(xué)科概念主要有以下三項(xiàng)基本特征：一是與學(xué)科核心概念在同一層級(jí)；二是具有聯(lián)結(jié)兩個(gè)或兩個(gè)以上學(xué)科核心概念的功能；三是具有獨(dú)特的內(nèi)涵和外延，不是幾個(gè)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(jìn)行物質(zhì)與能量的交換，學(xué)生在學(xué)習(xí)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(xué)生在學(xué)習(xí)物理、化學(xué)時(shí)，會(huì)認(rèn)識(shí)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(duì)原材料進(jìn)行加工生產(chǎn)出物質(zhì)產(chǎn)品的過程需要能量驅(qū)動(dòng)。這樣，物質(zhì)和能量不單單是生物學(xué)中的一個(gè)核心概念，也是多個(gè)學(xué)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(xué)課程內(nèi)容中的跨學(xué)科概念

1.跨學(xué)科概念外顯于課程內(nèi)容中

跨學(xué)科實(shí)踐能促進(jìn)核心素養(yǎng)的達(dá)成，實(shí)現(xiàn)綜合育人價(jià)值。在新課標(biāo)“生物學(xué)與社會(huì)·跨學(xué)科實(shí)踐”這一新增學(xué)習(xí)主題中，共包含三類跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)：模型制作類、植物栽培和動(dòng)物飼養(yǎng)類、發(fā)酵食品制作類。針對(duì)上述三類跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，新課標(biāo)以外顯化的形式明確列出了相關(guān)跨學(xué)科概念。

對(duì)于模型制作類跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，新課標(biāo)明確要求“針對(duì)特定的生物學(xué)內(nèi)容，運(yùn)用生物學(xué)、物理、技術(shù)、工程學(xué)等學(xué)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(xué)科概念，選擇恰當(dāng)?shù)牟牧希O(shè)計(jì)并制作模型，直觀地表征相應(yīng)的結(jié)構(gòu)與功能，提升探究實(shí)踐能力”；對(duì)于植物栽培和動(dòng)物飼養(yǎng)類跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，明確要求“植物栽培和動(dòng)物飼養(yǎng)可以綜合運(yùn)用多學(xué)科的知識(shí)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(xué)科概念，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)难b置，以滿足生物生長的需要”。［4］

2.跨學(xué)科概念內(nèi)隱于課程內(nèi)容中

新課標(biāo)以學(xué)科知識(shí)為內(nèi)在邏輯主線選取7個(gè)學(xué)習(xí)主題，每個(gè)學(xué)習(xí)主題都包括內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和教學(xué)提示，其中1—6 個(gè)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(jí)概念體系（即學(xué)科“核心概念”體系），交織成生物學(xué)科的概念框架和邏輯體系。跨學(xué)科概念是貫通各學(xué)科的基本概念，內(nèi)隱于學(xué)科概念體系中。不同層級(jí)的學(xué)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(xué)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(xué)習(xí)涉及生命系統(tǒng)各個(gè)層次的組成、結(jié)構(gòu)及功能，利用簡化模型有利于學(xué)生理解生命系統(tǒng)的復(fù)雜性和層次性。因此，該主題的學(xué)習(xí)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(xì)胞模型需考慮這些要素）“模式”等跨學(xué)科概念。（見表2）

表2 核心概念及跨學(xué)科概念

三、跨學(xué)科概念在生物學(xué)學(xué)習(xí)中的價(jià)值

1.有助于高階思維的訓(xùn)練

科學(xué)思維是在認(rèn)識(shí)事物、解決問題的過程中形成的能力和品格，是應(yīng)該著力培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一。高階思維體現(xiàn)在學(xué)生能夠?qū)⑾到y(tǒng)性的知識(shí)（如抽象的概念和原則）內(nèi)化到認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，并能夠在一個(gè)新的情境中調(diào)取和使用，是發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng)。跨學(xué)科概念從知識(shí)層面看，是將不同領(lǐng)域或者不同學(xué)科間共通的概念提煉整合，是一種認(rèn)知結(jié)論；從思維層面看，是一種超越單一學(xué)科的更為上位的思維方式或工具，有助于學(xué)生以連貫和系統(tǒng)化的思維方式看待這個(gè)世界，是一種認(rèn)知能力。現(xiàn)實(shí)問題具有綜合性、復(fù)雜性，往往需要運(yùn)用多個(gè)學(xué)科的知識(shí)和方法，也需要跨學(xué)科的認(rèn)知方式，促使學(xué)生在更高層面解釋零散的科學(xué)現(xiàn)象和事實(shí)，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(huì)有這種現(xiàn)象發(fā)生呢？在以鳥類為主題的跨學(xué)科項(xiàng)目的學(xué)習(xí)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生這樣分析：從“物質(zhì)與能量”這一跨學(xué)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(chǔ)存食物的缺陷，同時(shí)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(dá)，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。可見，引導(dǎo)學(xué)生錨定跨學(xué)科概念，獲取解決現(xiàn)實(shí)問題的視角和方法，可以幫助學(xué)生理解自然及自然現(xiàn)象，進(jìn)而為揭示未知世界打下基礎(chǔ)，這需要高水平的心智活動(dòng)。

2.有助于學(xué)科核心概念的理解

梳理每個(gè)生物學(xué)學(xué)習(xí)主題的概念體系，可以發(fā)現(xiàn)，與某一跨學(xué)科概念對(duì)應(yīng)、關(guān)聯(lián)的可能是某一個(gè)重要概念，也有可能是更上位的次位概念、大概念。顯然，對(duì)學(xué)科核心概念的掌握能夠協(xié)助學(xué)生更具體地學(xué)習(xí)跨學(xué)科概念，而跨學(xué)科概念在具體學(xué)科的擴(kuò)展、遷移和運(yùn)用，有助于學(xué)生更有效地理解和同化學(xué)科核心概念，形成良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。這實(shí)質(zhì)上是一種典型的下位學(xué)習(xí)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(jī)器，葉綠體利用光能以二氧化碳和水為原料生產(chǎn)有機(jī)物和氧氣。在這一概念的學(xué)習(xí)中，運(yùn)用“物質(zhì)與能量”這一跨學(xué)科概念，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)這種復(fù)雜的生命活動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)交換與能量轉(zhuǎn)化的某種表現(xiàn)。這樣的學(xué)習(xí)能夠直抵概念的本質(zhì)，使學(xué)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(jià)值的集中體現(xiàn)，新課標(biāo)提出了“生命觀念”“科學(xué)思維”“探究實(shí)踐”“態(tài)度責(zé)任”四個(gè)維度的核心素養(yǎng)。從生物學(xué)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(xué)的結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀、進(jìn)化與適應(yīng)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(gè)跨學(xué)科概念都有著直接或間接的聯(lián)系，跨學(xué)科概念包含了眾多生命觀念。比如，在系統(tǒng)科學(xué)思維模式下，生命有機(jī)體本身是一個(gè)開放的復(fù)雜系統(tǒng)，生命是物質(zhì)、能量和信息的統(tǒng)一體；進(jìn)化與適應(yīng)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(shí)和思想方法。生命觀念的形成過程表明，在幫助學(xué)生形成生命觀念時(shí)，首先應(yīng)該讓學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，使其從生物學(xué)知識(shí)中發(fā)現(xiàn)概念、原理和規(guī)律，然后再對(duì)概念、原理和規(guī)律進(jìn)一步提升。這才是形成生命觀念的正確路徑。［5］這是一條學(xué)科本位的縱向?qū)蛹?jí)學(xué)習(xí)路徑。學(xué)習(xí)具有累積效應(yīng)，生命觀念的培育除了縱向加強(qiáng)外，還可以將不同學(xué)科背景的概念橫向聯(lián)系起來，為學(xué)生提供更具統(tǒng)一性的觀點(diǎn)。跨學(xué)科概念的學(xué)習(xí)融通其他學(xué)科和領(lǐng)域，是一種橫向聯(lián)結(jié)學(xué)習(xí)路徑。這種縱向構(gòu)建、橫向貫通的“縱”“橫”交織的學(xué)習(xí)模式，可以幫助學(xué)生打破學(xué)科壁壘、跨越知識(shí)藩籬，在理解“少而精”的學(xué)科核心概念和“約而通”的跨學(xué)科概念的基礎(chǔ)上，以更宏大的視野培育生命觀念，促進(jìn)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

4.有助于科學(xué)世界觀的形成

世界觀指人們對(duì)世界總的看法和根本觀點(diǎn)，包括自然觀、社會(huì)觀和價(jià)值觀等。跨學(xué)科概念超越了零散的理論和事實(shí)，進(jìn)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(xué)的世界觀和方法論的體現(xiàn)。“物質(zhì)與能量”這一跨學(xué)科概念奠定了學(xué)生最基本的世界觀，為客觀理解自然及自然現(xiàn)象、進(jìn)而揭示未知世界打下基礎(chǔ)［6］；“穩(wěn)定與變化”這一跨學(xué)科概念讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到自然界一切事物都在變化之中，但又具有相對(duì)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(shí)世界的基本思想方法，有助于學(xué)生在整體把握的基礎(chǔ)上用簡化的方式來理解復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象；“因果關(guān)系”這一跨學(xué)科概念就是讓學(xué)生用科學(xué)的眼光去探尋和解釋事件的因果關(guān)系及其機(jī)制。

例如，在初中生物學(xué)健康生活的主題里，教師可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科概念分析：人的體溫是產(chǎn)熱和散熱的動(dòng)態(tài)平衡（“物質(zhì)與能量”“穩(wěn)定與變化”），當(dāng)有疾病時(shí)，體溫調(diào)節(jié)中樞功能紊亂，引起產(chǎn)熱大于散熱，導(dǎo)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(xué)生就會(huì)認(rèn)識(shí)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(xué)，自然就不會(huì)盲目信從了。可見，跨學(xué)科概念是幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)自然界，乃至社會(huì)現(xiàn)象的強(qiáng)有力的觀念和工具。

跨學(xué)科概念學(xué)習(xí)是科學(xué)學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，將跨學(xué)科概念學(xué)習(xí)作為實(shí)現(xiàn)課程整合、培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維的有力途徑，這對(duì)提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)具有獨(dú)特而重要的價(jià)值。