基于生命观念的跨学科概念在生物学教学中的应用研究

刘静文(山东省济南德润高级中学 250014)

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称“新课标”)对生物学核心素养的要求中最具学科特色、学科基础的是生命观念，要求学生在理解知识的基础上形成生物学大概念进而形成生命观念，并能够利用它认识和解释自然现象和生命现象。在数学、物理、化学和地理等相关学科中也蕴藏着生命观念的内涵，这就要求教师在教学过程中应学会利用跨学科概念进行教学，渗透并融合相关内容，帮助学生建立全面的、完整的生命观念。

一、跨学科概念的内涵

《义务教育科学课程标准(2022 年版)》设置13个学科核心概念，是科学课程的核心内容，要求义务教育阶段所有学生掌握。其中有四个与生命科学有关的跨学科概念，分别是物质能量观、系统模型观、结构功能观和稳定变化观。这与新课标中生命观念在生物学科核心素养中的内涵不谋而合(图1)，其中系统与模型贯穿整个生命观念的内涵中，了解与认识复杂问题的方法，简化提炼出系统最本质的特征。稳定与变化是指自然界万物处于变化之中，但又具有相对的稳定性，使事物的内在规律能够通过变化而被发现，和生物与环境的稳态平衡、遗传的进化适应相得益彰。“跨学科”是借助不同学科的相互渗透、彼此融合，来解释复杂自然现象和本质的二元学科，需要对不同学科的概念、本质和方法进行融合或移植。而跨学科概念把多学科的零散知识和概念整合为连贯的、清晰的、整体的认识，可以更直接地让学生形成科学的世界观，了解自然事物和现象背后的原理，学会处理和解决问题的途径和模式。

图1 高中生物学中“生命观念”与跨学科概念的联系

1.物质与能量

生命系统的各个层次都有能量的流动和物质的转化。食物链、食物网是生态系统中物质循环和能量流动的主要途径。在微观层面，以光合作用为例。物质上，植物将二氧化碳和水转化为氧气和有机物质；能量上，植物固定光能转化为化学能储存在有机物中。在宏观层面，物质循环和能量流动兼属于生态系统的功能。物质承载着能量在食物链和食物网中传递，在生物与环境中进行循环；能量作为物质循环的动力，依靠消费者的捕食关系在食物链中流动，并遵循热量守恒定律。

2.系统与模型

系统是一个有序的整体，人们根据研究目的依靠内在的某些联系进行界定。模型是经过处理后，能体现原系统的本质特征的简化系统。模型可以描述生命系统的组成结构及功能，逐步梳理生命系统的复杂性和层次性。生物学科有不同层次的模型，包括物理模型、数学模型和概念模型。物理模型如人体骨骼模型、真核细胞模型、原核细胞模型、DNA 双螺旋模型、细胞膜的流动镶嵌模型、有丝分裂模型、减数分裂模型等。概念模型是将事物的本质与对象之间的关系用概念和语言描述清楚，如光合作用的定义、能量流动的定义等。数学模型包括公式、曲线和图表等，如酵母菌种群数量的变化。有丝、减数分裂过程中各物质数量变化，连续自交后，Aa杂合子后代中纯合子的比例，不同环境因素对植物光合作用的影响，不同浓度的生长素对不同器官的影响，分泌蛋白过程中不同细胞器膜面积的变化等。

3.结构与功能

结构与功能观是生命观念的重要组成部分。第一，生命系统的构成层次本身就体现了结构观的思想，生命系统的结构与结构之间存在联系，如各细胞器之间的分工合作、分泌蛋白的合成与运输等。第二，环境对生物结构与功能也会产生影响。结构在生物体长期进化过程中形成相适应的功能，既是自然选择的结果，也是生物多样性的基础，如猪笼草的捕食结构、不同体色的桦尺蠖等。这就与生命观念中的结构与功能观和进化适应观紧密联系。第三，结构与功能可以相互解释，并启发发明创造。生物结构决定其功能，同时进化促进了某些结构的出现，生物的结构在一定程度上达到了“优化”的效果，为仿生学提供依据。

4.稳定与变化

生命系统本身就是一个稳定兼顾变化的系统，其稳定的相对性通过调节来实现。生命观念之一便是稳态与平衡，具体表现为细胞、个体、群体方面的稳态，生态系统是生物与环境组成的自然系统。生态系统内复杂的相互作用，可以使各个层次保持较长时期的相对稳定。广义上的稳定还有静态稳定和循环模式，如生物的生命都遵循统一的模式：生长-成熟-衰老-死亡，且不同生物有较为稳定的生命周期，循环往复。生物的遗传与变异是“稳态与变化”在生命科学领域的明显的体现。

二、与生命科学相关的跨学科案例

1.生态缸的设计

设计建立一个生态缸，需要考虑生物(选何种鱼与植物)+化学反应(水质检测)+技术工程(建造装置)。涉及生命科学的核心概念及研究内容：生物体的稳态与调节。

【主要问题】

(1)随着鱼的排泄物积累，水体中的氨氮含量增加，生态缸中需要什么细菌将水中的氨氮分解成亚硝酸盐，进而分解成硝酸盐?

(2)如何选出合适的鱼与水生植物?

(3)如何设计特定的装置，包括自动投喂温度控制、便于检测等保障生态缸达到一种和谐的生态平衡关系?

【涉及的跨学科概念】

系统与模型：生态缸是一种生态系统，项目中的小型化鱼植系统是实际系统的简化与微缩，是一种模型。

物质与能量：通过光合作用，系统把外部的光能转化为化学能；系统内部植物、鱼类、微生物构成物质与能量的内在循环。

结构与功能：实际生态系统有一定的结构层次，可以实现内在的循环，不同微生物、动物、植物是这一结构中的不同环节，小型模型通过选择适当的生物品种，模拟这一生态结构。模型的结构要考虑特定的功能需求。

稳定与变化：复杂的生态系统通常具有自动调节功能，各种参数都在变化，但是整体具有稳定性。模型装置是简化的系统，不一定满足自动调节关系，如何让模型装置能稳定运行，是探究的主要任务。

2.马铃薯存储箱

为什么马铃薯会长芽? 从中引出科学探究实践：什么环境可以抑制马铃薯长芽速度? 如何设计制作一个储存箱? 涉及生物(发芽条件)+化学(乙烯抑制生长)+技术与工程(装置设计制作)+数学(检测数据处理)+艺术(美化装置)。涉及生命科学的核心概念及研究内容：生命系统的结构层次/生物体的稳态与调节/生物与非生物的相互关系。

【主要问题】

(1)阳光、空气、水、温度、土壤等非生物因素对植物的生长有什么影响?

(2)马铃薯的品种、储存方式与其发芽有什么关系?

(3)如何抑制马铃薯的长芽速度?

(4)如何设计制作装置，便于控制和测量某些参数?

【涉及的跨学科概念】

系统与模型：马铃薯及自然环境是一个系统，马铃薯在自然环境下会发芽；马铃薯储存箱是一个模型，它在小范围内提供了一种新的环境，抑制马铃薯的发芽。

物质与能量：马铃薯与外界的物质与能量存在相互作用，储存马铃薯是改变外界的条件(光照、温度、湿度等)，减少与外界的物质与能量交换。

结构与功能：生物层面，马铃薯可食用部分是其块茎，在一定条件下会发芽；技术层面，存储箱的特殊设计和结构，配合适当的植物生长调节剂，具有抑制马铃薯发芽的功能。

稳定与变化：作为生物体，马铃薯一直在变化，有其内部和外部的因素。储存箱可以创造特定的环境，抑制、减缓马铃薯的内部变化，保持不发芽的状态。

3.花颜色研究

如何培育出不同颜色的花? 了解该品种花的生长条件、土壤的酸碱度及变化、该品种花对环境的适应。涉及生物(植物生长环境)+物理(溶液)+化学(酸碱度)+地理(土壤)+艺术。涉及生命科学的核心概念及研究内容：生物体的稳态与调节、生物与非生物的相互关系。

孙宝国：近年来，一些食品企业正在“走出去”，成功的例子很多。全球最大的辣椒红色素生产企业晨光生物科技集团股份有限公司把厂子建到了印度，亚洲最大的酵母生产企业安琪酵母股份有限公司把厂子建到了埃及与俄罗斯，扬州冶春食品生产配送股份有限公司把连锁餐馆开到了新加坡。这些企业这样做既在国外传播了中国饮食文化和企业品牌，又为企业拓展了国际市场。

【主要问题】

(1)土壤酸碱性如何影响植物的生长?

(2)如何利用酸和碱的性质控制土壤的酸碱度?

(3)如何通过宏观观察和微观观察相结合的方式，观察不同颜色花的结构特点?

(4)酸碱度的范围?

【涉及的跨学科概念】

物质与能量：生物层面，生态系统中生物和非生物环境相互作用，实现了物质循环和能量流动；物质层面，酸和碱混合发生反应，产生新的物质，是物质与能量转换的具体反应。

结构与功能：宏观层面，植物的结构使其能很好适应自然环境；微观层面，细胞膜的结构可以控制外界物质的进出，酸碱物质能够透过细胞膜，对细胞内部某些成分产生影响，导致宏观上颜色的变化。

稳定与变化：花能在一定范围内适应土壤酸碱度的变化，实现新的稳定。

4.心脏与抽水机的比较研究

心脏和抽水机具有类似的结构和功能(单向阀)。通过设计制作抽水机模型并进行演示图2，更好理解心脏的工作原理和过程。涉及生命科学的核心概念及研究内容：生物体的功能有与之对应的结构，并在变化中达到相对平衡。

图2 心脏与抽水机的比较研究

【涉及的跨学科概念】

系统与模型：心脏是一个复杂的系统。抽水机模型不是心脏的直接简化模型，但是两者具有几乎相同的工作原理，因此可以作为心脏的间接简化模型。

物质与能量：心脏通过收缩把血液输送到身体，把生物能转化为血液的动能。抽水机通过活塞运动把水提升，把机械能转换为水的重力势能。

结构与功能：心脏的瓣膜与抽水机的活塞都具有单向阀的功能：使得血液和水流只能朝一个方面运动。瓣膜靠肌肉收缩控制开闭，限制血液回流；阀门靠自重和水与大气的压力闭合，限制水回流。

稳定与变化：心脏和抽水机工作时，血液和水流的流速、压力等参数都在变化，但是流动方向是不变的。

三、结语

交叉学科相互渗透、融合发展，已经成为高中培养学生核心素养的引领方向。生命观念和跨学科概念的交叉重叠引发教育者思考，现代教育目标的一致性要求教师要有“多桶水”意识，不管是学生探究或教师引导的学习方式，还是校本融合课程培养方式的转变，都有利于学生跨越不同学科的知识体系转向关注其共同要素，形成核心素养。这有利于学生对复杂问题的解决，形成大局观意识，并为终身学习打下基础。