基于跨學(xué)科概念“因果關(guān)系”內(nèi)涵探討及其在高中生物學(xué)教學(xué)的應(yīng)用

陳婷　張夢(mèng)真　張丹鳳

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科概念；因果關(guān)系；高中生物學(xué)；核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1003-7586（2024）01-0075-03 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1跨學(xué)科概念在科學(xué)教育中的重要性

為改善科學(xué)教育，美國(guó)以《K-12科學(xué)教育框架》為基礎(chǔ)，于2013年發(fā)布《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards，簡(jiǎn)稱NGSS）。NGSS的核心教學(xué)原則是三維學(xué)習(xí)，這一原則認(rèn)為，通過(guò)學(xué)科核心思想（Disciplinary Core Ideas，簡(jiǎn)稱DCIs）、科學(xué)與工程實(shí)踐（Science and EngineeringPractices，簡(jiǎn)稱SEPs）和跨學(xué)科概念（CrosscuttingConcepts，簡(jiǎn)稱CCCs）的有意義的整合，學(xué)生將獲得對(duì)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)探究過(guò)程的理解。關(guān)于跨學(xué)科概念，《K-12科學(xué)教育框架》確定了7個(gè)跨學(xué)科概念，分別是“模式”“因果關(guān)系：機(jī)制與解釋”“規(guī)模、比例和數(shù)量”“系統(tǒng)和系統(tǒng)模型”“物質(zhì)和能量：流動(dòng)、循環(huán)和守恒”“結(jié)構(gòu)和功能”“穩(wěn)定和變化”。NGSS指出：跨學(xué)科概念為學(xué)生提供了在不同領(lǐng)域?qū)W科內(nèi)容之間建立聯(lián)系的智力工具。跨學(xué)科概念能被應(yīng)用于所有科學(xué)領(lǐng)域之中，在教學(xué)過(guò)程中，跨學(xué)科概念不應(yīng)該作為附加內(nèi)容，而應(yīng)該被整合貫穿在科學(xué)領(lǐng)域課堂教學(xué)之中。

2跨學(xué)科概念因果關(guān)系的內(nèi)涵

因果關(guān)系揭示了事物之間的影響機(jī)制，可用來(lái)理解和預(yù)測(cè)事物及其變化。科學(xué)研究的主要活動(dòng)是調(diào)查和解釋因果關(guān)系及其調(diào)節(jié)機(jī)制，因果關(guān)系是科學(xué)研究的核心。通常來(lái)說(shuō)，科學(xué)研究的目標(biāo)就是要找到現(xiàn)象背后的原因，確定其因果關(guān)系，再根據(jù)因果關(guān)系來(lái)解釋和預(yù)測(cè)復(fù)雜的自然和系統(tǒng)中的行為。但《K-12科學(xué)教育框架》中指出“在復(fù)雜系統(tǒng)中，因果關(guān)系很難梳理出來(lái)”，即使是簡(jiǎn)單的系統(tǒng)也可能具有多方面的因果關(guān)系，系統(tǒng)中的一些因果關(guān)系只能用概率來(lái)描述。因此，如何在課堂教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生對(duì)因果關(guān)系的理解，是教師需要積極思考并實(shí)踐的問(wèn)題。靳冬雪、劉恩山提出：在教學(xué)實(shí)踐中落實(shí)因果關(guān)系概念的外顯化教學(xué)。明確地與學(xué)生探討因果關(guān)系，可以讓學(xué)生加深對(duì)因果關(guān)系的理解，進(jìn)而加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。生物學(xué)學(xué)科作為科學(xué)教育主要內(nèi)容之一，將因果關(guān)系應(yīng)用于生物學(xué)教學(xué)中，有助于促進(jìn)學(xué)生對(duì)生物學(xué)概念的理解以及科學(xué)探究活動(dòng)的順利開(kāi)展，從而促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

3跨學(xué)科概念因果關(guān)系在高中生物學(xué)中的教學(xué)建議

“組成細(xì)胞的分子”是新人教版高中生物學(xué)必修1第2章的內(nèi)容，本章共5節(jié)。在大概念“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位”下，闡明“細(xì)胞由多種多樣的分子組成，包括水、無(wú)機(jī)鹽、糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等，其中蛋白質(zhì)和核酸是兩類最重要的生物大分子”這一重要概念以及7個(gè)次位概念。“組成細(xì)胞的分子”這一章內(nèi)容存在多處“因果關(guān)系”的應(yīng)用，結(jié)合《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2022年修訂）》對(duì)本章內(nèi)容進(jìn)行解讀，引導(dǎo)學(xué)生從跨學(xué)科概念“因果關(guān)系”的視角進(jìn)行探討，為教師進(jìn)行跨學(xué)科概念教學(xué)提供參考。

3.1剖析因果關(guān)系，樹(shù)立生命觀念

結(jié)構(gòu)和功能可以被認(rèn)為是因果關(guān)系的特例。無(wú)論討論的結(jié)構(gòu)是活組織還是大氣中的分子，了解它們的結(jié)構(gòu)對(duì)于進(jìn)行因果推斷都是必不可少的。工程師們?cè)谘芯孔匀唤绲慕Y(jié)構(gòu)時(shí)做出因果關(guān)系的推論，以此來(lái)作為滿足人們需求的設(shè)計(jì)靈感。在生物學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過(guò)對(duì)細(xì)胞中各種分子的結(jié)構(gòu)及其功能進(jìn)行因果關(guān)系的推斷，逐步形成結(jié)構(gòu)與功能觀。例如，融合化學(xué)知識(shí)來(lái)解釋氫鍵與水分子結(jié)構(gòu)和功能的因果關(guān)系可促進(jìn)學(xué)生的理解。教材介紹了水分子的空間結(jié)構(gòu)和氫鍵，讓學(xué)生從水的分子結(jié)構(gòu)的視角理解它所承擔(dān)的重要功能，思考“水作為生命之源”的具體含義。水是帶氫鍵的極性分子，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生從水的化學(xué)結(jié)構(gòu)的角度去認(rèn)識(shí)水的特性，可幫助學(xué)生深入理解水的功能和分類。例如，水分子的空間結(jié)構(gòu)和電子的不對(duì)稱分布使水分子成為極性分子。由于水分子是極性分子，帶電荷的分子或離子容易與水分子結(jié)合，因此水是良好的溶劑。再如，結(jié)合水分子之間存在氫鍵，使其具有較高的比熱容，水溫不易改變，可幫助學(xué)生理解為什么多細(xì)胞生物的絕大多數(shù)細(xì)胞浸潤(rùn)在以水為基礎(chǔ)的液體環(huán)境中。這部分內(nèi)容涉及多組因果關(guān)系，體現(xiàn)了因果關(guān)系的相對(duì)性、確定性和復(fù)雜性的特點(diǎn)。水分子的結(jié)構(gòu)是原因，水的功能是結(jié)果，原因指向結(jié)果，結(jié)構(gòu)決定功能。教材中還通過(guò)“氨基酸怎樣構(gòu)成蛋白質(zhì)”“核酸是由核苷酸連接成的長(zhǎng)鏈”等內(nèi)容呈現(xiàn)出蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，其中也涉及了一些化學(xué)知識(shí)，例如“氨基酸脫水縮合形成肽鍵”“磷酸二酯鍵”等。以因果關(guān)系作為媒介，整合化學(xué)與生物學(xué)知識(shí)，從而明確細(xì)胞中分子的結(jié)構(gòu)及其功能的關(guān)系。通過(guò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行該思維方式的強(qiáng)化，即因果關(guān)系的外顯化教學(xué)，能幫助學(xué)生初步建立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念，認(rèn)同“蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者”以及“核酸是遺傳信息的攜帶者”等內(nèi)容。

3.2將因果關(guān)系外顯化，養(yǎng)成科學(xué)思維

“細(xì)胞中的糖類和脂質(zhì)”的課后練習(xí)與應(yīng)用中有一道題：“為什么等量的脂肪比糖類含能量多，但在一般情況下脂肪卻不是生物體利用的主要能源物質(zhì)？”這個(gè)問(wèn)題涉及脂肪和多糖的分子結(jié)構(gòu)，是本節(jié)課的難點(diǎn)。與上述水的例子類似，結(jié)構(gòu)是因，功能是果。如果不從糖類和脂肪的分子結(jié)構(gòu)視角進(jìn)行闡述，學(xué)生會(huì)知其然而不知其所以然，造成死記硬背的結(jié)果。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該要應(yīng)用“因果關(guān)系”這個(gè)跨學(xué)科概念，結(jié)合化學(xué)知識(shí)進(jìn)行教學(xué)。

從分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，脂肪是具有疏水性的非極性化合物，以無(wú)水的形式儲(chǔ)存在體內(nèi)。糖原的分子結(jié)構(gòu)具有高度分支的特點(diǎn)，具有極性，能夠與水分子相互作用形成氫鍵，因而同質(zhì)量的糖原在機(jī)體內(nèi)儲(chǔ)存時(shí)所占體積較大。故脂肪是一種很“經(jīng)濟(jì)”的儲(chǔ)備能源。從脂肪的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)很好解釋了脂肪作為儲(chǔ)能物質(zhì)的原因，但未涉及“脂肪不是生物體利用的主要能源物質(zhì)”這個(gè)問(wèn)題。“脂肪不是生物體利用的主要能源物質(zhì)”的原因涉及脂肪分子中元素含量的多少。脂質(zhì)分子中氧的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于糖類，而氫的含量更高。在進(jìn)行氧化分解時(shí)，脂肪分子氧化速率慢，需要更多的氧氣，糖類耗氧少，且在有氧或無(wú)氧的條件下都能進(jìn)行，因此糖類才是生物體利用的主要能源物質(zhì)。從分子結(jié)構(gòu)及其元素含量這個(gè)原因指向作為“儲(chǔ)能物質(zhì)”或“主要能源物質(zhì)”這個(gè)結(jié)果，中間需要一定的邏輯推理過(guò)程，如何將這個(gè)邏輯推理過(guò)程進(jìn)行外顯化教學(xué)，楊得俊提出：可通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行闡述。模型構(gòu)建作為一種認(rèn)識(shí)手段和思維方式，是學(xué)生根據(jù)研究的問(wèn)題和情境，在對(duì)客觀事物抽象和概括的基礎(chǔ)上構(gòu)建易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過(guò)程、理想實(shí)驗(yàn)和科學(xué)概念的過(guò)程。根據(jù)有機(jī)物（C_xH_yO_z）氧化分解的公式：C_xH_yO₂+（2x-z）.H₂O+[（y+4x-2z）/4]O₂→xCO₂+[（y+4x-2z）/2]H₂O+能量可知，有機(jī)物中C和H的含量越多，O的含量越少，氧化分解生成的水量就越多，該有機(jī)物完全氧化分解釋放的能量就越多。脂質(zhì)分子中氧的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于糖類，而氫含量更高。這也就能解釋為什么相同質(zhì)量的脂肪所含的能量比糖類要多。但同時(shí)，當(dāng)1mol有機(jī)物完全分解時(shí)耗氧量是（y+4x-2z）/4 mol，這也就意味著等質(zhì)量的脂肪完全氧化消耗的氧氣相比于等質(zhì)量的糖類來(lái)說(shuō)是較多的。從生物進(jìn)化的角度來(lái)說(shuō)，糖類適合為早期地球環(huán)境中的原始細(xì)胞氧化供能。此外，糖類氧化也可以在無(wú)氧條件下進(jìn)行，細(xì)胞呼吸所產(chǎn)生的有害物質(zhì)也比較少。因此對(duì)于生命活動(dòng)而言，糖類和脂肪都可以作為儲(chǔ)備能源，但是糖類是生物體生命活動(dòng)利用的主要能源物質(zhì)。

“組成細(xì)胞的分子”章節(jié)的內(nèi)容根據(jù)學(xué)科知識(shí)邏輯和學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生了解多糖、蛋白質(zhì)和核酸的元素組成和分子結(jié)構(gòu)。學(xué)生通過(guò)歸納和概括得出“生物大分子以碳鏈為骨架”的事實(shí)，鍛煉了學(xué)生的科學(xué)思維。“生物大分子以碳鏈為骨架”也歸因于碳原子特殊的成鍵性質(zhì)。通過(guò)跨學(xué)科概念整合化學(xué)學(xué)科的知識(shí)，學(xué)生能夠理解碳原子的化學(xué)性質(zhì)決定了所有生物大分子都含有碳原子，并且以碳鏈為骨架。

3.3探究因果關(guān)系，發(fā)展科學(xué)探究

在科學(xué)探究活動(dòng)中，面對(duì)的是一個(gè)關(guān)于因果關(guān)系的科學(xué)問(wèn)題。根據(jù)因果關(guān)系具有確定性的特點(diǎn)，教材在第2章第1節(jié)安排了“檢測(cè)生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生運(yùn)用化學(xué)顯色劑來(lái)檢測(cè)生物組織中的化學(xué)成分，并能依據(jù)檢測(cè)結(jié)果得出正確結(jié)論。選擇的生物組織及化學(xué)顯色劑是原因，溶液的顏色變化是結(jié)果，因果關(guān)系的成立說(shuō)明最初做出的假設(shè)成立。在本實(shí)驗(yàn)中，生物組織與化學(xué)顯色劑的相互作用涉及化學(xué)學(xué)科知識(shí)，例如斐林試劑是含有Cu²⁺的堿性溶液，能夠?qū)⑦€原糖（含有—CHO，即醛基）氧化，并生成磚紅色沉淀Cu₂O。選擇正確的生物組織和化學(xué)顯色劑才有可能得到正確的顏色變化。由于存在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的誤差，正確的原因也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，因此在該實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生應(yīng)在掌握原理和方法的基礎(chǔ)上再進(jìn)行操作，可提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。教師通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，一方面可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，為后續(xù)章節(jié)開(kāi)展探究性實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)；另一方面，有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)到生命的物質(zhì)性，認(rèn)識(shí)到理化技術(shù)在生物學(xué)研究中的運(yùn)用。

3.4應(yīng)用因果關(guān)系，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任

在現(xiàn)實(shí)生活中，人們通常通過(guò)對(duì)因果關(guān)系的探究和解釋來(lái)理解客觀世界中的各種現(xiàn)象，又通過(guò)對(duì)該因果關(guān)系的應(yīng)用來(lái)進(jìn)行發(fā)明與創(chuàng)新。現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題很難用一個(gè)學(xué)科得以解釋和解決，需要綜合多個(gè)學(xué)科的力量。跨學(xué)科概念則打破了學(xué)科的界線，將不同科目融合在一起，使學(xué)生能夠從綜合的視角看待問(wèn)題、理解問(wèn)題，從而具備開(kāi)拓與創(chuàng)新能力，并不斷地解決新問(wèn)題。在教學(xué)中，教師通過(guò)進(jìn)行學(xué)科核心思想、科學(xué)與工程實(shí)踐和跨學(xué)科概念的三維教學(xué)，讓學(xué)生通過(guò)教學(xué)參與到許多跨學(xué)科實(shí)踐當(dāng)中，有助于落實(shí)社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)。“細(xì)胞中的元素和化合物”這一章中的內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)生活是高度聯(lián)系的。例如，在“蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者”一節(jié)中，在學(xué)生學(xué)習(xí)完氨基酸構(gòu)成蛋白質(zhì)的過(guò)程后，讓學(xué)生選擇生活中常見(jiàn)的材料制作模型，模擬蛋白質(zhì)食物在人體內(nèi)的消化吸收過(guò)程，并結(jié)合模型解釋市面上常見(jiàn)的蛋白質(zhì)保健品，如蛋白粉、酵素、膠原蛋白口服液等在人體內(nèi)是如何起作用的，從而使學(xué)生學(xué)會(huì)從科學(xué)的角度辨別蛋白質(zhì)保健品的真假，能夠用科學(xué)證據(jù)向公眾介紹蛋白質(zhì)保健品的成效并提供選擇建議。學(xué)生在這一過(guò)程中通過(guò)學(xué)科融合的方式，基于對(duì)生物學(xué)概念和原理的認(rèn)識(shí)，對(duì)有關(guān)生物學(xué)的社會(huì)熱點(diǎn)議題進(jìn)行理性判斷，明辨是非，從而在潛移默化中增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感，提高其生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和跨學(xué)科素養(yǎng)。

4小結(jié)與展望

在高中生物學(xué)教學(xué)中，加強(qiáng)跨學(xué)科概念教學(xué)意味著要基于學(xué)生的生活與經(jīng)驗(yàn)，充分了解學(xué)生的認(rèn)知水平，以《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》規(guī)定的生物學(xué)內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)，在不加重學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)的情況下，培養(yǎng)學(xué)生理解并應(yīng)用各個(gè)跨學(xué)科概念，融會(huì)貫通各學(xué)科知識(shí)，從而進(jìn)行跨學(xué)科實(shí)踐。跨學(xué)科實(shí)踐是必須落實(shí)的內(nèi)容，學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中融合多學(xué)科知識(shí)，可促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成，提高跨學(xué)科實(shí)踐的能力。跨學(xué)科實(shí)踐也是培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才的重要途徑，對(duì)提升我國(guó)的綜合實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重大意義。