跨学科素养对上海初中科学教师生物学业务能力提升的重要性

陆琼衡

摘要：以美国耶鲁大学Stephenc.Stearns教授的《进化，生态和行为原理》课程中“地质领域的大事件”一课为例，分析其跨学科素养，阐述对上海初中科学教师生物学业务能力提升的重要性，以期完善其知识结构、提高其教学水准。

关键词：美国;耶鲁大学;跨学科素养;上海初中科学;生物学

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

Stephen C.Stearns教授执掌耶鲁大学生态学与进化生物学之Edward P.Bass教席20年来，以生命史理论和进化医学蜚声业界。其36堂《进化，生态和行为原理》是生物和环境专业入门课，并向全体耶鲁本科生开放。每堂课讨论主流观点，平均50min，经耶鲁2009年春季录制后在线播放，十年来久经考验，全球累计学习者高达71.3万人。该课程通过最新进展将知识跨界融合，各种观点、机制和过程都应成为所有生物学家和公民教育工具的一部分。下面就其第18课“地质领域的大事件”进行分析，对照牛津上海版的初中《科学》教材中的相应知识板块，阐述跨学科素养对于上海初中科学教师生物学业务能力提升的重要性和操作法。

1生物学在初中《科学》教材中的分布分类和教授难度

初中《科学》教材（以下简称“《科学》”）由物理、化学、生物、地理四门学科构成，为了具有自然的综合性，内容上采用了主题呈现的形式，每个主题以一两门学科知识为主（表1）。

教材对科学的定义是“正确反映客观世界某一领域内的客观规律的知识体系”，在编写时采用了技术与社会为“用”，由近（身边事物、生命）及远（宇宙空间）;科学为“体”，体现物质（生命）一能一信息一人一宇宙，在此将四门学科穿插其中。其开设是为了帮助学生从亲近自然走向亲近科学，总目标是提高每一位学生的科学素养，促进学生健康人格的形成。然而，过于宏大的初衷常会导致科学教师在日常教学中疲于在四门学科中切换。学生不仅受制于教材的既定安排，而且面对教师非常有限的知识量，在全局把握上更显力不从心。在《科学》4册共15章的内容按照涉及生物学的章节，可以分类如下。

1.1《科学》中的纯生物学章节

《科学》中的纯生物学章节分布在六年级上册和七年级上、下册共3三册教材中，对于生物学或者医学毕业的教师来说是长项。第2章“生物的世界”、第3章“细胞与生殖”中对生物基础概念的介绍如蜻蜓点水，但在第10章“健康的身体”、第11章“感知与协调”、第15章“人与自然的协调发展”中又突兀地跃迁到智人的内在与外在。

“生物的世界”以动物为先为主，植物仅作为拓展，动植物生活环境的介绍偏后，植物分类仅在检索表知识中出现;灭绝的概念缺乏中立，带有浓重的感情色彩;“细胞与生殖”章节刻意忽略了有丝分裂和减数分裂，在粗略介绍胎儿形成与婴儿诞生后，大量篇幅用于青春期、生育期和性傳播疾病上;“健康的身体”在定义健康后，以“食”为中心才引出消化系统，并衍生到循环系统，直到章节尾声，泌尿系统才姗姗来迟;“感知与协调”重视觉、听觉，轻嗅觉、味觉、触觉，章末意在引出中枢神经系统的重要性;压轴章节始终围绕人口提示自然资源的珍贵，其间嵌有简略的生态系统知识，而低生育率对于种群的严峻影响从未被提及。

由此可见，对《科学》在纯生物章节，生物或医学专业的教师应仔细分辨，而其他专业的教师则务必和学生一起从零开始建构知识体系。

1.2《科学》中的部分含生物学章节

《科学》中的部分含生物学章节分布在六年级下册整本教材和七年级下册这两册中：分别为第5章“能与能源”、第6章“水与人类”、第7章“空气与生命”、第13章“地球、矿物与材料”、第14章“海洋与海洋开发”。物理、化学和地理专业毕业的科学教师在执教这些章节时可以展现优势，但其中涵盖的部分生物学内容亟需他们所具备的生物学业务能力来分辨和权衡。

“能”这一章如与生态系统知识所在的“人与自然的协调发展”毗邻则更为合适，因为地球上除核能外所有其他的能都直接或间接来自于太阳，化石能源更是来自远古的动植物，人类的生存依赖食物中动植物含有的化学能，并遵循热力学第二定律。热能在液体（尤其是水）中的主要传递方式可用于理解厄尔尼诺现象中的暖流走向。“水”在开篇“水与生命”中表达了水是生物体的重要组成成分，生物体的各种生命活动都离不开水。教师自身也应该从“水的循环”部分意识到其与气象知识的关联，而不同的降雨量将造就不同的植被。“空气”除了从物理角度讲述空气的组成成分、用途、性质，还涵盖了绿色植物赖以制造氧气和淀粉的光合作用。教材虽然强调动植物与大气间的气体交换，但对于地球大气的来龙去脉却没有提及，教参中也没有给予教师充分的信息。“地球”偏重于地理，但是地球的地壳、大气圈、水圈、生物圈与生物演化息息相关，矿物也与生命的形成密不可分。“海洋”中介绍了海洋生物资源，更是提出“海洋是地球上生物的故乡”这一重要观点。教师应具有相当的知识储备才能意识到从古至今，海洋从未停止对于生物的影响，尤其是人类。

非生物专业的科学教师受限于个人的受教育经历，生物学基础不够扎实，在教授以上章节时难以认识到生物学知识在其中所具有的休戚相关的重要线索地位。

1.3《科学》中的含隐性生物学章节

《科学》中的含隐性生物学章节分布在六年级上册和七年级上、下册这三册中：分别为第1章“科学入门”、第4章“物质的粒子模型”、第8章“身边的溶液”、第9章“电力与电信”和第12章“宇宙与空间探索”。这些知识实际是研究生物学发生发展的基础知识，无论教师毕业于何种专业，都要培养自身厚重的生物学素养才能领悟。

“入门”中的精华是了解科学探究活动的六个基本要素，生物学作为科学的一门分支，探究时同样要具备这六大要素。“粒子模型”应与“宇宙与空间探索”毗邻，使地球作为天体的形成过程更加符合逻辑。从“溶液”应联想到生物的细胞内液和细胞外液，从“电”应能意识到生物的电生理。

这些含隐性生物学知识的章节，对于无论是生物专业教师，还是物理、化学、地理专业教师来说，都是对自身业务基础切实的日常考验。

由此可见，生物学在初中《科学》中具有不容小觑的地位。知识就像一系列围绕本质这个圆心的同心圆，学生越年幼，学习的知识越处于同心圆外围，只是一系列琐碎的记忆性碎片，仅仅知其然。而教师必须要掌握本质，即知其所以然，把学生引导向圆心，即本质。生物学知识不能只由生物学构成，其基础是理化和地理。初中科学教师可尝试将生物学作为草蛇灰线、伏笔千里的线索，用生物学合理、有机、生动地串连起另3门基础学科知识，贯穿为期2年《科学》共15章的学习（图1）。

2美国耶鲁大学《进化、生态和行为原理》课堂中展现的生物学必要的跨学科素养

美国国家科学院专门指出：只要不是仅仅把两门学科粘在一起创造一个新产品，而是思想和方法的整合、综合，那就是真正的跨学科。耶鲁大学著名的《进化、生態和行为原理》课程建立在美国中学生物学基础上，属于通识性质，对于开始大学阶段生物、环境专业的学生而言，不仅能拾遗补缺、承上启下，而且纵横捭阖于各学科中，气势恢宏，非常适合上海初中科学教师对于提高生物学业务能力的在职进修。现取第18课“地质领域的大事件”，从3个角度来分析卓越的生物学教授所具备的扎实的跨学科素养。

2.1地球上的二氧化碳、氧气和温度的变化过程

内容关键：地球形成初期大气稀薄，二氧化碳的含量接近100%，直到二叠纪大幅度下降。近三亿年来有植物化石，叶片气孔数量与二氧化碳含量成负相关。当前二氧化碳含量不足1%，论温室效应，地球在过去远胜于当前。地球最初的二氧化碳绝大部分保存入石灰岩，余下的几乎都成为沉积岩中的有机碳。所以，地球的碳平衡基本依赖于岩石缓慢的地质变化，以十万到百万年的深时作为观测基准。地球上最初的氧气都来自光合细菌等的制造，5-6亿年前，大气氧浓度才达到当前，约21%左右。23亿年前氧浓度才0.4%，游离氧促使铁矿、铜矿生成;使大气中形成臭氧层隔绝紫外线、降低突变率，大型长寿命物种才得以生存;使氮被氧化形成硝酸盐，氮肥成为藻类的重要养料。30多亿年重要的化学作用才开始形成了人们所熟悉的环境，自地球形成35亿年后生命出现，水就以液态存在于地球表面，故其后温度最高也不超过100%。

分析：地球上动植物的生存离不开氧气，教授用理、化、生、地4科的跨学科素养将地球自初始以来的大气和温度变化娓娓道来。反观《科学》的教材和教参，第7章“空气与生命”没有提及地球大气的由来，并把游离氧的产生归因于绿色植物而非光合细菌，且未提臭氧。在“植物的呼吸”部分，气孔这一结构要延后到初二《生命科学》才被介绍。第13章“地球、矿物与材料”中没有提及板块运动和地球温度变化等，对于教学重点的铁，教参中也没有提及其形成的历史。

2.2生命如何构造地球

内容关键：生命，特别是细菌，一直通过新陈代谢影响地球。细菌可以制造氧气;产生并氧化甲烷;稳定二氧化碳;在氮循环中固氮成氨、使氨与硝酸盐相互转化，而氮肥正是藻类的重要养料，直到孕育出陆地上复杂的植物后，植物才创造出非常复杂的现代分层土壤。地球上所有蛋白质中的氮都来源于上述细菌的生化过程，这就是非生物世界转变成有生命的世界的过程。硫细菌使硫化氢和硫酸盐相互转化。在海洋中部的山脊，铁细菌将亚铁离子氧化，并影响着锰、铜等矿床的降解。海洋地壳下的细菌在海水热流穿过时发生反应经常留下金属沉积物如锰结核。生物圈由此延展到我们脚下数千米的地方。

分析：教授对细菌作用的认可和重视，来源于其深厚的跨学科素养，他使学习者们认识到地球上大气稳定、土壤产生、生命起源都依赖细菌，由此世界从无生命向有生命进化。教授还介绍了硫细菌、铁细菌和锰结核的产生机制，由此生物圈延伸到深海地壳下方。反观《科学》，从未介绍大气历史，土壤更被视作与生俱来、早于植物（见第13章“地球、矿物与材料”）。锰结核在第14章“海洋与海洋开发”中仅作为深海矿产资源被一笔带过，学生很容易误解为是由于高压而产生，而不知是由于海洋地壳下细菌的作用。生物圈在“地球”一章中与大气圈、水圈并列归为地球的外部圈层，而地壳被归为内部圈层。初中科学教师若不更新知识和提升理念，熟练掌握自然现象的前因后果、来龙去脉，就不免在课堂上照本宣科、以讹传讹，不能让学生体会到细菌才是46亿年来影响地球的不可或缺的因素。

2.3地球如何修饰生命体

内容关键：地球通过上亿年的大陆漂移、5个冰河时代、上亿年的大规模灭绝和局部灾难对生命产生影响。泛大陆的断裂造成今天大洋两岸的岩石极其接近，植物虽然远隔万里也依然有很大的相似性。冰河时代和间隔期海平面的上下波动改变了大陆边缘和生物在大陆之间移动的能力。撒哈拉大沙漠中部在2-3万年前曾有河马生存。而南海都曾经是陆地，象和虎可以从亚洲直接步行到远至婆罗洲等地。二叠纪末期大规模灭绝最为彻底，三叶虫和97%的海洋无脊椎动物消失。白垩纪末期的大规模灭绝与巨型陨石撞击的一系列后果有关，70%的海洋无脊椎动物与陆生5kg以上的恐龙都灭绝殆尽。每个世纪都会出现几次如印尼2004年的大海啸，上新世时期的剧烈火山喷发虽平均每隔1万～100万年才有一次，但能引起海底滑坡、造成大规模海啸。

分析：在本部分，教授充分利用美国乡土地理来拉近学生与数亿年地球变化塑造生命体这个宏大视角之间的距离，还运用具体的数据和生动的类比再现125000年前大陨石坠落深海后引起大海啸的严重后果。教授的跨学科素养体现在地理、艺术、生物、化学等学科。反观《科学》四册，无论是在“地球”还是“人与自然”章节，都从未提及板块运动和冰河时代的变迁。对于灭绝，最接近的介绍是在第2章“生物的世界”中。虽然目前处在大的人为物种灭绝危机的中期，但过去地质过程已经导致很多种群灭绝，然后生命一次又一次地繁衍出新的品种。海啸在“海洋”章节仅作为灾难略为呈现，而没有给予具体的原因，这就很难站在历史的高度认识到地球和地外环境对生命在很长的时间间隔上有很大的影响。

纵观地球46亿年历史，从无机物到有机物，逐渐演化出复杂的生物多样性，直到人类出现后认识自身、认识世界并改造世界，这与物理、化学和地理的作用休戚相关。缺乏物理化学地理支撑的生物学犹如沙滩建塔、空中楼阁。卓越的Stearns教授的语言流畅如水，对物理、化学、地理的知识旁征博引、融会贯通，善于紧密联系乡土地理以拉近学生对于时空的距离感。所以《进化、生态和行为原理》确实是一门综合性极强的涵盖教授本人学术特长的入门课程。

3跨学科素养对提高上海初中科学教师生物学专业能力的重要性和操作法

学科核心素养视角下的学业测评对学生提出了跨学科能力的要求，学生需具备跨学科能力才能在复杂的情境中整合知识解决问题。

教师首先应当是学生的榜样。初中生物学教师对自己的要求应向大学靠拢，行动应追随大学思路，尤其是全球著名大学。当今生物学成果都需要借助多种学科的结合，DNA双螺旋结构的发现就是物理学家、化学家和生物学家共同研究所得。初中科学教师在教学中，要用生物学知识来串联物理、化学、地理知识，勤奋夯实物理、化学、地理三科基础，用三科来有力支撑起生物学知识，并将这互补的两种跨学科模式统一起来、循环往复，以物理、化学、地理三科互为犄角、承载生物学呈品字形突进。对于生物专业的教师而言，想在业务能力上有所提升，仅凭大学时各门分离而陈旧的课程是远远不够的，还需要对知识进行补充、更新和综合，并对理化地三科进行在职进修，以明了生物学的来龙去脉。对于非生物专业的教师而言，除了上述进修，更需要对于生物学知识进行在职速成。无论何种情况，教师只依赖教参来构建自己的知识架构是万万不够的。教师照本宣科，会缺乏知识的综合性、应用性，容易孤立、片面地看待问题，难以使学生建立科学的世界观和方法论。学生的学习虽由教学大纲规定，但教师的知识储备要远远丰富于学生，思维应远超学生，才能在潜移默化中起到引领作用。要给学生一滴水，教师不仅要有一桶水，而且要有长流水。耶鲁大学Stearns教授的36堂《进化，生态和行为原理》具有先进的理念，深入浅出、举重若轻，不啻为教师大胆借鉴的最佳选择。所有没有机会走进耶鲁大学的初中科学教师，都可以足不出户、无成本、无障碍地从互联网学习世界名校的课程精髓、世界前沿的新知新思。