初中生物教学中跨学科概念的构建

廖婷婷

跨学科概念反复出现在美国科学课程的重要文件中，如《科学素养的基准》指出：“从课程的角度，这些概念涉及许多不同的可能性，既可用于‘协调各个学科，也可用于包含两门或多门学科的综合课程，还可用于整合关于横跨许多学科的主题和问题的课程”。《K-12年级科学教育框架：实践、跨学科概念与核心概念》（简称《K-12科学教育框架》）强调：“跨学科概念遍及科学的所有领域。跨学科概念为学生提供一个组织框架，学生可将各学科内容整合起来，科学地看待这个世界。”此外，《义务教育生物学课程标准（2011年版）》提到“随着与物理学、化学、数学以及其他各学科之间不断交叉、渗透和融合，生物科学已经日益呈现出主导学科的地位”。

跨学科概念的构建有利于培养学生敏锐的洞察力、睿智的创造性和辩证的逻辑思维，并对学习科学知识，观察周围环境以及认识世界起着重要的作用。下面通过论证初中阶段逻辑思维发展特点，讨论初中生物教学中“系统”跨学科概念的构建。

1 跨学科概念的简介

跨学科概念也称通用概念，具有高度的抽象性和辩证性，是科学知识共通性的高度归纳。最新的美国科学课程文件《K-12科学教育框架》和《下一代科学教育标准》中一共提出七个跨学科概念，分别为：系统与系统模型;因果关系：机制与解释;尺度、比率和数量;稳定与变化;结构与功能;模式;物质与能量：流动、循环和守恒。

跨学科概念具有普适性，相对单一学科概念具有更高的抽象性，更具有哲学内涵和丰富的辩证性。例如，“系统”包含哲学中的“整体与部分”的辨证，“模型”体现了“抽象与具体”的辨证，“稳定与变化”对应哲学中的“运动与静止”的辨证关系等。基于跨学科概念的这些特征，理解抽象和辨证的概念，需要学生积累一定的感性经验和具备一定的抽象思维能力。

2初中生的思维发展特征

初中阶段的学生已经积累了一定的生活经验，并基于这些经验生成了很多前科学概念。而通常这类前科学概念的内涵中有时包含着非本质特性，而忽略了本质特性，进而构建了错误的前科学概念。如，对于鸟类，有些初中生会错误地认为会飞的就是鸟，不会飞的一定不是鸟。

初中阶段属于思维快速发展变化的阶段，具有良好的可塑性。按照皮亚杰关于个体智力发展年龄阶段的划分，初中阶段已处于“形式运算”阶段（11～15岁），抽象逻辑思维开始逐步占主导地位。这个阶段的主要思维特点是，在头脑中可以把事物的形式和内容分开，可以利用语言文字，在头脑中想象和思维，甚至可以根据概念、假设等为前提，进行假设演绎推理，得出结论。这样的思维特征，对于他们学习和构建跨学科概念提供了可能性。

3跨学科概念的构建——以“系统”为例

3.1“系统”——初中生应掌握的内容

“系统”是指由相互影响的任何事物集合而成的有机整体，系统有边界、部件、物质流和能量流（输入和输出）、反馈。通过“系统”可以有效地分析内部因素间，以及各因素与整体的相互关系。根据学生的年龄特点和认知能力，结合《科学素养的基准》和《科学素养的导航图》中初中生具体掌握的“系统”概念应包括以下内容：

（1）系统由相互联系的组分构成;

（2）系统的组分之间相互联系和相互影响;

（3）系统的组分可以自立成为一个系统;

（4） 一个系统既可以包含若干子系统，又可以作为一个较大系统的子系统;

（5）系统的反馈可用于控制系统整体的内部运行;

（6）任何系统与其他系统都会有内部和外部联系;

（7）-个系统可能既包括实物，也包括过程;

（8）系统有物质的输入和输出或相互转化，也有能量的输入和输出或转化;

（9）系统中的物质和能量具有守恒性。

3.2构建“系统”跨学科概念

3.2.1 “系统”与“子系统”

根据初中生应掌握的“系统”与“子系统”的关系可知，“系统”由相互联系的组分构成，而组分又可以自立为一个“系统”，且“系统”包含若干子系统的同时，又可以成为一个较大系统的“子系统”。例如，

“森林生态系统”由生物成分（植物、动物、微生物等）和非生物成分（空气、阳光、水等）构成。在森林生态系统中，生物成分和非生物成分相互联系，如生物成分的生存，离不开非生物成分，如植物的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用都离不开空气、阳光和水。而森林生态系统的成分可以自立为一个系统，如植物可以自立为一个系统，植物系统由植物细胞构成，植物细胞相互联系构成植物组织，五种植物组织构成六种器官，六种器官最终构成植物系统。另森林生态系统包含植物、动物等若干子系統，还是生物圈中较小的子系统。又如“血液系统”由血浆和血细胞构成。血浆和血细胞相互联系，如血浆负责运载血细胞和运输养料、废物等。血细胞可以自立为一个系统，包含红细胞、白细胞和血小板。血液系统包含血浆和血细胞等子系统的同时也属于血液循环系统里的子系统。

3.2.2“系统”与“反馈”

根据初中生应掌握的“系统”与“反馈”的关系可知，系统的反馈可控制系统整体的运行并且任何系统与其他系统都会有内部和外部联系。例如，某一“草原生态系统”因为气候恶化，沙尘暴频繁，草原退化、沙化，造成草原生态系统中草越来越少，导致这一草原生态系统中的羊群被迫大批迁出到远距离的另一块草原生态系统中，进而导致另一块草原生态系统草量迅速减少。又如，某一“池塘生态系统”，因为人类乱扔垃圾，附近的工厂乱排废渣，造成整个池塘生态系统的水质改变，恶臭变质，进而导致池塘生态系统中的鱼虾大部分死亡，并且池塘生态系统中的其他生物和非生物成分或多或少都遭到了影响，从而导致整个池塘生态系统难以维持，最终完全崩溃。

3.2.3 “系统的守恒”

根据初中生应掌握的“系统的守恒”可知，系统既包括实物，也包括过程;系统有物质的输入和输出或相互转化，也有能量的输入和输出或转化;系统中的物质和能量具有守恒性。例如，“生态系统”中植物通过光合作用，在光的作用下，利用水和二氧化碳，制造氧气和有机物。生态系统的光合作用，原料中的水和二氧化碳，产物中的氧气和有机物都各自可以作为一个子系统，并且光合作用的整个过程也可以作为一个子系统。“光合作用”这个系统的能量方面有光能的输入，并且光能转化成化学能，最终以化学能的形式输出;物质方面，有二氧化碳和水的输入，氧气和有机物的输出。光合作用这个系统的能量和物质的输入和输出，就构成了这个系统的守恒。又如，生态系统的呼吸作用，也可以作为一个子系统。“呼吸作用”这个系统的能量方面输入了有机物中的化学能，转化成热能和ATP中的化学能;物质方面，输入氧气和有机物，不仅供给植物自身呼吸消耗，还供给动物和微生物的呼吸消耗，以及微生物的分解消耗，最终输出二氧化碳和水。呼吸作用这个系统的能量和物质的输入和输出，就构成了这个系统的守恒。因此，生态系统中的光合作用和呼吸作用构成的碳氧平衡实现了生态系统里物质和能量的输入和输出。再则，植物通过光合作用将环境中的无机物转变成有机物，不仅供给植物本身需要，也是动物的食物来源。在动物摄食过程中，食物中的物质和能量流入动物体内。落叶和动物的尸体被大量细菌和真菌分解，其中的有机物被分解成无机物，可供植物重新利用。从而构建了生态系统里物质和能量的输入和输出，能量得以传递，物质得以循环利用，实现了生态系统中物质和能量的守恒。

4结语

初中生对“系统”等跨学科概念的理解程度，在一定程度上体现了他们的思维发展水平。具备一定的抽象逻辑思维，有利于他们理解事物的科学本质，建立科学的自然观。初中生构建正确、科学和完整的跨学科概念，拓展思维，懂得跨学科概念的科学本质和内涵，并融会贯通地运用到生活和相关领域中，学会活学活用，才能科学准确地看待整个世界。