生物学课程中跨学科概念的内涵及其学习价值*

姚国平

《义务教育课程方案（2022 年版）》明确要求在新教育阶段课程中“设立跨学科主题学习活动，加强学科间相互关联，带动课程综合化实施”［1］。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）则将这一要求具化为“跨学科实践”，并将新增的“生物学与社会·跨学科实践”作为重要的学习主题纳入课程内容模块，旨在进一步强化生物学课程的协同育人、实践育人功能。

无论从生物学自身的发展历史来看，还是从当前生物学课程育人功能的角度来看，生物学的研究和学习都会涉及跨学科问题和跨学科概念，新课标的改革创新之一就是强调跨学科概念的学习。那么，什么是跨学科概念？生物学课程中有哪些跨学科概念？学习跨学科概念有什么价值？本文拟在明晰跨学科概念的基础上，梳理生物学课程中的跨学科概念，并阐述跨学科概念的学习价值。

一、跨学科概念的内涵

跨学科概念是一种反映科学本身的上位思维方式或工具，它超越了学科间的界限，较之学科核心概念，具有更强的统摄性，是联系各学科的纽带。自然科学研究中普遍认可的跨学科概念包括：模式，因果关系，尺度、比例与数量，系统与系统模型，物质与能量，结构与功能，稳定与变化。［2］（见表1）

表1 跨学科概念及其内涵

跨学科概念主要有以下三项基本特征：一是与学科核心概念在同一层级；二是具有联结两个或两个以上学科核心概念的功能；三是具有独特的内涵和外延，不是几个概念的简单相加。［3］例如，生物体最基本的特征就是生物体与外界环境以及生物体内部能进行物质与能量的交换，学生在学习光合作用、呼吸作用的过程中能领悟物质和能量的转化；同样，学生在学习物理、化学时，会认识到物质是变化的，物质的变化伴随能量的转化，且能量是守恒的；在技术工程领域，材料是生产的物质根底，使用物质工具对原材料进行加工生产出物质产品的过程需要能量驱动。这样，物质和能量不单单是生物学中的一个核心概念，也是多个学科或领域的共同概念，起到了组织和连接的作用。

二、生物学课程内容中的跨学科概念

1.跨学科概念外显于课程内容中

跨学科实践能促进核心素养的达成，实现综合育人价值。在新课标“生物学与社会·跨学科实践”这一新增学习主题中，共包含三类跨学科实践活动：模型制作类、植物栽培和动物饲养类、发酵食品制作类。针对上述三类跨学科实践活动，新课标以外显化的形式明确列出了相关跨学科概念。

对于模型制作类跨学科实践活动，新课标明确要求“针对特定的生物学内容，运用生物学、物理、技术、工程学等学科概念，以及‘结构与功能’‘尺度、比例与数量’‘系统与系统模型’等跨学科概念，选择恰当的材料，设计并制作模型，直观地表征相应的结构与功能，提升探究实践能力”；对于植物栽培和动物饲养类跨学科实践活动，明确要求“植物栽培和动物饲养可以综合运用多学科的知识和方法，考虑‘结构与功能’‘物质与能量’‘因果关系’等跨学科概念，设计恰当的装置，以满足生物生长的需要”。［4］

2.跨学科概念内隐于课程内容中

新课标以学科知识为内在逻辑主线选取7个学习主题，每个学习主题都包括内容要求、学业要求和教学提示，其中1—6 个主题的内容要求部分以大概念、重要概念和次位概念的形式，构建三级概念体系（即学科“核心概念”体系），交织成生物学科的概念框架和逻辑体系。跨学科概念是贯通各学科的基本概念，内隐于学科概念体系中。不同层级的学科核心概念中，或多或少都能抽提出物质与能量、系统与模型、结构与功能、稳定与变化等跨学科概念。

以“生物体的结构层次”这一主题的内容要求为例，该主题的学习涉及生命系统各个层次的组成、结构及功能，利用简化模型有利于学生理解生命系统的复杂性和层次性。因此，该主题的学习隐含了“结构与功能”“系统与模型”“因果关系”（结构与功能间有因果关系）“尺度、比例与数量”（制作细胞模型需考虑这些要素）“模式”等跨学科概念。（见表2）

表2 核心概念及跨学科概念

三、跨学科概念在生物学学习中的价值

1.有助于高阶思维的训练

科学思维是在认识事物、解决问题的过程中形成的能力和品格，是应该着力培养的核心素养之一。高阶思维体现在学生能够将系统性的知识（如抽象的概念和原则）内化到认知结构中，并能够在一个新的情境中调取和使用，是发生在较高认知水平层次上的心智活动。跨学科概念从知识层面看，是将不同领域或者不同学科间共通的概念提炼整合，是一种认知结论；从思维层面看，是一种超越单一学科的更为上位的思维方式或工具，有助于学生以连贯和系统化的思维方式看待这个世界，是一种认知能力。现实问题具有综合性、复杂性，往往需要运用多个学科的知识和方法，也需要跨学科的认知方式，促使学生在更高层面解释零散的科学现象和事实，还可以给出解决问题的一般视角、方法和模式。

例如，伯劳鸟是一种凶猛小鸟，主要以小型爬行类、两栖类及鸟类为食物，常将捕捉的猎物插在棘刺上、树枝上，这一行为被称为“挂尸”。为什么会有这种现象发生呢？在以鸟类为主题的跨学科项目的学习中，教师可以引导学生这样分析：从“物质与能量”这一跨学科概念角度来看，生物捕食是为了获得营养和能量，将猎物挂在树上慢慢食用，可以解决伯劳没有嗉囊而不能储存食物的缺陷，同时还有利于减少到处觅食的能量消耗；从“结构与功能”角度来看，虽然伯劳的喙端、趾具有利钩，但其腿部肌肉不发达，不能像猛禽一样用腿和爪子撕扯猎物，所以只能挂在树上以方便处理。可见，引导学生锚定跨学科概念，获取解决现实问题的视角和方法，可以帮助学生理解自然及自然现象，进而为揭示未知世界打下基础，这需要高水平的心智活动。

2.有助于学科核心概念的理解

梳理每个生物学学习主题的概念体系，可以发现，与某一跨学科概念对应、关联的可能是某一个重要概念，也有可能是更上位的次位概念、大概念。显然，对学科核心概念的掌握能够协助学生更具体地学习跨学科概念，而跨学科概念在具体学科的扩展、迁移和运用，有助于学生更有效地理解和同化学科核心概念，形成良好的认知结构。这实质上是一种典型的下位学习方式。

例如，光合作用这一生理过程可类比为：叶片类似于工厂，叶绿体类似于机器，叶绿体利用光能以二氧化碳和水为原料生产有机物和氧气。在这一概念的学习中，运用“物质与能量”这一跨学科概念，学生会发现这种复杂的生命活动现象的实质是物质交换与能量转化的某种表现。这样的学习能够直抵概念的本质，使学生获得深度理解。

3.有助于生命观念的培育

核心素养是课程育人价值的集中体现，新课标提出了“生命观念”“科学思维”“探究实践”“态度责任”四个维度的核心素养。从生物学课程核心素养内涵角度审视，生命观念主要包括生物学的结构与功能观、物质与能量观、进化与适应观、稳态与平衡观等。这些生命观念，和系统与系统模型、结构与功能、物质与能量、稳定与变化这几个跨学科概念都有着直接或间接的联系，跨学科概念包含了众多生命观念。比如，在系统科学思维模式下，生命有机体本身是一个开放的复杂系统，生命是物质、能量和信息的统一体；进化与适应观、稳态与平衡观都具有稳定和变化的特征。

生命观念是一种意识和思想方法。生命观念的形成过程表明，在帮助学生形成生命观念时，首先应该让学生学习生物学的基础知识，使其从生物学知识中发现概念、原理和规律，然后再对概念、原理和规律进一步提升。这才是形成生命观念的正确路径。［5］这是一条学科本位的纵向层级学习路径。学习具有累积效应，生命观念的培育除了纵向加强外，还可以将不同学科背景的概念横向联系起来，为学生提供更具统一性的观点。跨学科概念的学习融通其他学科和领域，是一种横向联结学习路径。这种纵向构建、横向贯通的“纵”“横”交织的学习模式，可以帮助学生打破学科壁垒、跨越知识藩篱，在理解“少而精”的学科核心概念和“约而通”的跨学科概念的基础上，以更宏大的视野培育生命观念，促进核心素养的养成。

4.有助于科学世界观的形成

世界观指人们对世界总的看法和根本观点，包括自然观、社会观和价值观等。跨学科概念超越了零散的理论和事实，进一步提炼升华，可以内化为看待事物的倾向、分析问题的视角和解决问题的原则，是一种科学的世界观和方法论的体现。“物质与能量”这一跨学科概念奠定了学生最基本的世界观，为客观理解自然及自然现象、进而揭示未知世界打下基础［6］；“稳定与变化”这一跨学科概念让学生认识到自然界一切事物都在变化之中，但又具有相对稳定性，通过变化可以寻找事物内在的规律；“系统与系统模型”是人们研究真实世界的基本思想方法，有助于学生在整体把握的基础上用简化的方式来理解复杂的科学现象；“因果关系”这一跨学科概念就是让学生用科学的眼光去探寻和解释事件的因果关系及其机制。

例如，在初中生物学健康生活的主题里，教师可引导学生运用跨学科概念分析：人的体温是产热和散热的动态平衡（“物质与能量”“稳定与变化”），当有疾病时，体温调节中枢功能紊乱，引起产热大于散热，导致发热现象的产生（“因果关系”），发热只是结果而不是原因。由此学生就会认识到，新冠期间“发高烧，焐被子”这种因果关系倒置的问题解决方式是伪科学，自然就不会盲目信从了。可见，跨学科概念是帮助学生认识自然界，乃至社会现象的强有力的观念和工具。

跨学科概念学习是科学学习的重要内容，将跨学科概念学习作为实现课程整合、培养学生跨学科思维的有力途径，这对提升学生科学素养具有独特而重要的价值。