基于跨學科概念“因果關系”內涵探討及其在高中生物學教學的應用

陳婷　張夢真　張丹鳳

關鍵詞：跨學科概念；因果關系；高中生物學；核心素養

文章編號：1003-7586（2024）01-0075-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1跨學科概念在科學教育中的重要性

為改善科學教育，美國以《K-12科學教育框架》為基礎，于2013年發布《新一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards，簡稱NGSS）。NGSS的核心教學原則是三維學習，這一原則認為，通過學科核心思想（Disciplinary Core Ideas，簡稱DCIs）、科學與工程實踐（Science and EngineeringPractices，簡稱SEPs）和跨學科概念（CrosscuttingConcepts，簡稱CCCs）的有意義的整合，學生將獲得對科學知識和科學探究過程的理解。關于跨學科概念，《K-12科學教育框架》確定了7個跨學科概念，分別是“模式”“因果關系：機制與解釋”“規模、比例和數量”“系統和系統模型”“物質和能量：流動、循環和守恒”“結構和功能”“穩定和變化”。NGSS指出：跨學科概念為學生提供了在不同領域學科內容之間建立聯系的智力工具?？鐚W科概念能被應用于所有科學領域之中，在教學過程中，跨學科概念不應該作為附加內容，而應該被整合貫穿在科學領域課堂教學之中。

2跨學科概念因果關系的內涵

因果關系揭示了事物之間的影響機制，可用來理解和預測事物及其變化?？茖W研究的主要活動是調查和解釋因果關系及其調節機制，因果關系是科學研究的核心。通常來說，科學研究的目標就是要找到現象背后的原因，確定其因果關系，再根據因果關系來解釋和預測復雜的自然和系統中的行為。但《K-12科學教育框架》中指出“在復雜系統中，因果關系很難梳理出來”，即使是簡單的系統也可能具有多方面的因果關系，系統中的一些因果關系只能用概率來描述。因此，如何在課堂教學中促進學生對因果關系的理解，是教師需要積極思考并實踐的問題。靳冬雪、劉恩山提出：在教學實踐中落實因果關系概念的外顯化教學。明確地與學生探討因果關系，可以讓學生加深對因果關系的理解，進而加深對科學本質的理解。生物學學科作為科學教育主要內容之一，將因果關系應用于生物學教學中，有助于促進學生對生物學概念的理解以及科學探究活動的順利開展，從而促進學生生物學學科核心素養的形成。

3跨學科概念因果關系在高中生物學中的教學建議

“組成細胞的分子”是新人教版高中生物學必修1第2章的內容，本章共5節。在大概念“細胞是生物體結構與生命活動的基本單位”下，闡明“細胞由多種多樣的分子組成，包括水、無機鹽、糖類、脂質、蛋白質和核酸等，其中蛋白質和核酸是兩類最重要的生物大分子”這一重要概念以及7個次位概念?！敖M成細胞的分子”這一章內容存在多處“因果關系”的應用，結合《普通高中生物學課程標準（2017年版2022年修訂）》對本章內容進行解讀，引導學生從跨學科概念“因果關系”的視角進行探討，為教師進行跨學科概念教學提供參考。

3.1剖析因果關系，樹立生命觀念

結構和功能可以被認為是因果關系的特例。無論討論的結構是活組織還是大氣中的分子，了解它們的結構對于進行因果推斷都是必不可少的。工程師們在研究自然界的結構時做出因果關系的推論，以此來作為滿足人們需求的設計靈感。在生物學學習中，學生通過對細胞中各種分子的結構及其功能進行因果關系的推斷，逐步形成結構與功能觀。例如，融合化學知識來解釋氫鍵與水分子結構和功能的因果關系可促進學生的理解。教材介紹了水分子的空間結構和氫鍵，讓學生從水的分子結構的視角理解它所承擔的重要功能，思考“水作為生命之源”的具體含義。水是帶氫鍵的極性分子，通過引導學生從水的化學結構的角度去認識水的特性，可幫助學生深入理解水的功能和分類。例如，水分子的空間結構和電子的不對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合，因此水是良好的溶劑。再如，結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，可幫助學生理解為什么多細胞生物的絕大多數細胞浸潤在以水為基礎的液體環境中。這部分內容涉及多組因果關系，體現了因果關系的相對性、確定性和復雜性的特點。水分子的結構是原因，水的功能是結果，原因指向結果，結構決定功能。教材中還通過“氨基酸怎樣構成蛋白質”“核酸是由核苷酸連接成的長鏈”等內容呈現出蛋白質、核酸等物質的結構與功能之間的關系，其中也涉及了一些化學知識，例如“氨基酸脫水縮合形成肽鍵”“磷酸二酯鍵”等。以因果關系作為媒介，整合化學與生物學知識，從而明確細胞中分子的結構及其功能的關系。通過對學生進行該思維方式的強化，即因果關系的外顯化教學，能幫助學生初步建立結構與功能相適應的觀念，認同“蛋白質是生命活動的主要承擔者”以及“核酸是遺傳信息的攜帶者”等內容。

3.2將因果關系外顯化，養成科學思維

“細胞中的糖類和脂質”的課后練習與應用中有一道題：“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？”這個問題涉及脂肪和多糖的分子結構，是本節課的難點。與上述水的例子類似，結構是因，功能是果。如果不從糖類和脂肪的分子結構視角進行闡述，學生會知其然而不知其所以然，造成死記硬背的結果。教師在教學過程中應該要應用“因果關系”這個跨學科概念，結合化學知識進行教學。

從分子結構特點進行分析，脂肪是具有疏水性的非極性化合物，以無水的形式儲存在體內。糖原的分子結構具有高度分支的特點，具有極性，能夠與水分子相互作用形成氫鍵，因而同質量的糖原在機體內儲存時所占體積較大。故脂肪是一種很“經濟”的儲備能源。從脂肪的分子結構特點很好解釋了脂肪作為儲能物質的原因，但未涉及“脂肪不是生物體利用的主要能源物質”這個問題?！爸静皇巧矬w利用的主要能源物質”的原因涉及脂肪分子中元素含量的多少。脂質分子中氧的含量遠遠低于糖類，而氫的含量更高。在進行氧化分解時，脂肪分子氧化速率慢，需要更多的氧氣，糖類耗氧少，且在有氧或無氧的條件下都能進行，因此糖類才是生物體利用的主要能源物質。從分子結構及其元素含量這個原因指向作為“儲能物質”或“主要能源物質”這個結果，中間需要一定的邏輯推理過程，如何將這個邏輯推理過程進行外顯化教學，楊得俊提出：可通過構建數學模型進行闡述。模型構建作為一種認識手段和思維方式，是學生根據研究的問題和情境，在對客觀事物抽象和概括的基礎上構建易于研究的、能反映事物本質特征和共同屬性的理想模型、理想過程、理想實驗和科學概念的過程。根據有機物（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，該有機物完全氧化分解釋放的能量就越多。脂質分子中氧的含量遠遠低于糖類，而氫含量更高。這也就能解釋為什么相同質量的脂肪所含的能量比糖類要多。但同時，當1mol有機物完全分解時耗氧量是（y+4x-2z）/4 mol，這也就意味著等質量的脂肪完全氧化消耗的氧氣相比于等質量的糖類來說是較多的。從生物進化的角度來說，糖類適合為早期地球環境中的原始細胞氧化供能。此外，糖類氧化也可以在無氧條件下進行，細胞呼吸所產生的有害物質也比較少。因此對于生命活動而言，糖類和脂肪都可以作為儲備能源，但是糖類是生物體生命活動利用的主要能源物質。

“組成細胞的分子”章節的內容根據學科知識邏輯和學生認知規律，引導學生了解多糖、蛋白質和核酸的元素組成和分子結構。學生通過歸納和概括得出“生物大分子以碳鏈為骨架”的事實，鍛煉了學生的科學思維?！吧锎蠓肿右蕴兼湠楣羌堋币矚w因于碳原子特殊的成鍵性質。通過跨學科概念整合化學學科的知識，學生能夠理解碳原子的化學性質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探究因果關系，發展科學探究

在科學探究活動中，面對的是一個關于因果關系的科學問題。根據因果關系具有確定性的特點，教材在第2章第1節安排了“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質”實驗，該實驗要求學生運用化學顯色劑來檢測生物組織中的化學成分，并能依據檢測結果得出正確結論。選擇的生物組織及化學顯色劑是原因，溶液的顏色變化是結果，因果關系的成立說明最初做出的假設成立。在本實驗中，生物組織與化學顯色劑的相互作用涉及化學學科知識，例如斐林試劑是含有Cu²⁺的堿性溶液，能夠將還原糖（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顯色劑才有可能得到正確的顏色變化。由于存在實驗操作過程中的誤差，正確的原因也會導致錯誤的結果，因此在該實驗中，學生應在掌握原理和方法的基礎上再進行操作，可提高實驗的準確性。教師通過本實驗的進行，一方面可以培養學生的科學探究能力，為后續章節開展探究性實驗奠定基礎；另一方面，有利于學生認識到生命的物質性，認識到理化技術在生物學研究中的運用。

3.4應用因果關系，增強社會責任

在現實生活中，人們通常通過對因果關系的探究和解釋來理解客觀世界中的各種現象，又通過對該因果關系的應用來進行發明與創新?，F實生活中的問題很難用一個學科得以解釋和解決，需要綜合多個學科的力量?？鐚W科概念則打破了學科的界線，將不同科目融合在一起，使學生能夠從綜合的視角看待問題、理解問題，從而具備開拓與創新能力，并不斷地解決新問題。在教學中，教師通過進行學科核心思想、科學與工程實踐和跨學科概念的三維教學，讓學生通過教學參與到許多跨學科實踐當中，有助于落實社會責任的培養?！凹毎械脑睾突衔铩边@一章中的內容與現實生活是高度聯系的。例如，在“蛋白質是生命活動的主要承擔者”一節中，在學生學習完氨基酸構成蛋白質的過程后，讓學生選擇生活中常見的材料制作模型，模擬蛋白質食物在人體內的消化吸收過程，并結合模型解釋市面上常見的蛋白質保健品，如蛋白粉、酵素、膠原蛋白口服液等在人體內是如何起作用的，從而使學生學會從科學的角度辨別蛋白質保健品的真假，能夠用科學證據向公眾介紹蛋白質保健品的成效并提供選擇建議。學生在這一過程中通過學科融合的方式，基于對生物學概念和原理的認識，對有關生物學的社會熱點議題進行理性判斷，明辨是非，從而在潛移默化中增強社會責任感，提高其生物學學科核心素養和跨學科素養。

4小結與展望

在高中生物學教學中，加強跨學科概念教學意味著要基于學生的生活與經驗，充分了解學生的認知水平，以《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》規定的生物學內容為標準，在不加重學生學習負擔的情況下，培養學生理解并應用各個跨學科概念，融會貫通各學科知識，從而進行跨學科實踐?？鐚W科實踐是必須落實的內容，學生在解決問題的過程中融合多學科知識，可促進學科核心素養的形成，提高跨學科實踐的能力?？鐚W科實踐也是培養科技創新人才的重要途徑，對提升我國的綜合實力和國際競爭力具有重大意義。