生物与化学教学中跨学科前概念的应用*——以高中生物必修1与高中化学必修2为例

□章 青

（江苏省苏州实验中学，江苏苏州 215011）

跨学科教学是新课程标准对学科教学提出的要求，尤其是生物与化学的一些知识存在重叠或交叉，但在教材中出现有时间上的错位，这样一个学科的知识就形成了另一个学科的前概念。笔者通过比较人民教育出版社2019年版的高中生物必修1与高中化学必修2教材中的内容，发现这两本教材重叠的知识最多，下面就以这两本教材为例来说明跨学科前概念在教学中的应用。

一、跨学科教学是新课程标准的要求

高中生物课程标准指出，自然界是一个统一的整体，自然科学中的物理学、化学、生物学等多门学科，其基本的思维方式、原理、研究内容有密切的联系，有利于学生理解科学的本质与思想方法，以及跨学科的科学概念[1]。高中化学课程标准指出，在化学教学中，教师应重视跨学科内容主题的选择和组织[2]，加强化学与相关学科的联系，适当融合跨学科知识，发展学生解决综合问题的能力，提升学生的科学素养。基于课程标准的要求，同时由于生物学与化学知识的联系非常密切，因此，关注生物学与化学两门学科知识的内在联系尤为重要。

二、什么是前概念与跨学科前概念

前概念也称为学科前概念，是指学生在接受正式的科学概念学习之前对日常生活中感知的现象，对已有知识有了初步的自我辨别式的学习，形成的对事物非本质的认识[3]。由于前概念多是停留在表象的认知上，因此，有些前概念与正确概念相悖，那些与科学概念不符的观点对科学概念的学习设置了障碍，因此，教学中必须了解学生已经形成的前概念，这样在教学中才能做到有的放矢。前概念的形成原因，有的是对生活经验的简单归纳，如生活中通常吃的糖是甜的，从而得出“糖都是甜的”错误概念。有的前概念是在初中或其他学科先前学习的知识概念，在本学科目前的知识学习中也属于前概念，如初中学习的知识是高中学习的前概念。

跨学科前概念是指某学科的知识为今后另一个学科接受新知识起到一定作用，或者有一定影响的某学科知识，成为另一个学科知识学习的前概念。跨学科前概念形成的原因通常有两种，第一种是工具学科为应用学科提供基础知识，如物理、化学、生物等学科需要应用数学知识，生物课中需要应用物理与化学知识，如局部电流产生与物理知识有关，物质的扩散、物质的合成或分解与化学知识有关，这样物理学、化学知识就成为生物学知识学习的跨学科前概念。第二种是不同学科的教学内容存在交叉重叠现象，但在学科教材中出现的先后时间不同，这样先前学科出现的知识是稍后出现学科知识的前概念，稍后出现的学科知识，在知识体系构建时，需要一些相关学科的前概念作知识铺垫。如初中化学课学习的CO2与澄清的石灰水［Ca（OH）2］反应生成CaCO3沉淀，在高中生物必修1 中作为鉴定细胞呼吸是否产生CO2的前概念。但有的化学知识在教材进度中出现的时间晚，而在生物教材中出现得较早，如蛋白质、糖类、脂肪等知识在生物必修1 教材中出现，这些知识在化学必修2教材中出现，生物教材中的这些知识就是化学必修2相关知识学习的前概念。

三、跨学科前概念在教学中的应用

高中生物必修1与高中化学必修2教材中有一些知识有交叉重叠，这些知识在这两本教材上的表述有些相同，如单糖、二糖与多糖的概念与特点，也有一些在表述上是有区别的，如表1所示。如何处理这些学科间的前概念，笔者以这两本教材中的相关内容为例来说明。

表1 化学必修2 与生物必修1 教材中有关内容的不同表述

（一）应用跨学科前概念，强化学科内容的学习

生物学与化学教材由于建构知识体系的需要，有少量内容有交叉重叠，如果表述相同，那么在本学科的学习时就可以利用跨学科前概念，设置问题让学生思考，这些知识就当作强化内容来处理。如生物必修1 中对糖类的表述与化学必修2 相同，糖类可分为单糖、二糖与多糖三种类型，以及它们的特点、代表物、代表物的分子式、代表物在自然界的分布等相关表述，都是基本相同的。只是生物教材在多糖中除了介绍淀粉与纤维素外，还介绍了糖原。除此之外，还有脂肪的分子结构，包括3分子脂肪酸与1分子甘油组成，脂肪酸可以分为饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸，氨基酸的结构特点，这些内容生物教材中都有介绍，由于生物课先学习这些内容，在化学教学中可先巩固这些内容，通过提问或者课前预习的方式进行学习，从而提高学习效率。

如果化学与生物学科的重叠知识的表述层次与深度不同，则可以互补与相互借鉴，在本学科教学中要根据跨学科前概念的掌握情况，进行必要的衔接与完善。由于生物教材在必修1中出现还原糖鉴定实验，使用了斐林试剂，而此时化学中的相关知识还没有学习，因此，这里有关试剂作用的原理一般不宜展开。化学教材在必修2 才有葡萄糖检测实验，显然，在化学教学中，教师要利用学生在第一学期学习的生物学知识，引入葡萄糖检测实验，如提出问题：“上学期生物课中大家学习了还原糖的鉴定方法，是如何操作的呢？”然后，结合进行化学教材上知识的学习，在试管中加入2mL10%NaOH 溶液，滴加5 滴5%CuSO4溶液，得到新制的Cu(OH)2。再加入2mL10%葡萄糖溶液，加热，观察现象。让学生认识到两种方法本质上是相同的，都是要得到刚形成的Cu(OH)2，然后与葡萄糖反应生成砖红色Cu2O沉淀。在这里化学教师可以补充葡萄糖与Cu(OH)2反应生成Cu2O 的反应式，从而使得知识体系化。这样深化了生物学中没有介绍的甲液与乙液鉴定的具体化学反应，从而使得学生学会跨学科知识的整合与应用。

化学必修2第79页，乙醇可以与酸性重铬酸钾溶液反应，氧化成乙酸。而在生物必修1第90页有“检验酒精的产生：橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下与乙醇发生反应，变成灰绿色”。这里没有说明是如何反应的，这在化学必修2 中可以补充，说明反应的发生过程，可以补充反应方程式：3CH3CH2OH+2K2Cr2O7+8H2SO4=3CH3COOH+2Cr（2SO）4（3灰绿色）+2K2SO4+11H2O，这样使学生从化学的角度完善检测酒精的原理。

由于化学教材注重反应过程，而生物教材中有关物质鉴定更关注结果，化学过程往往省略。化学教师在教学中应先提问生物教材中已经学习的实验方法，随后学习化学中的鉴定方法，这样使得跨学科知识更加系统与深化。

（二）借助跨学科前概念，搭建跨学科知识桥梁

跨学科前概念有时比较简单，有时与本学科内容处理的角度不同，这样可以借助跨学科前概念，通过搭建知识桥梁，进行本学科知识的学习，从而起到事半功倍的作用。如影响化学反应速率的因素实验两本教材处理的方法有差别，可以相互借鉴。

化学必修2第43页“探究”栏目的“影响化学反应速率的因素”实验中，在两支大小相同的试管中均加入2mL5%过氧化氢溶液，同时加入2 滴1mol/L FeCl3溶液。待试管中均有适量气泡出现时，将其中的一支试管放入盛有热水的烧杯中，另一个试管放入盛有等量冷水的烧杯中，一段时间后观察两支试管出现的现象并进行对比，从而确定温度会影响化学反应速率。而在生物必修1第77页“探究·实践”栏目中的内容是“比较过氧化氢在不同条件下的分解”（方法步骤略）。这里有多组对照实验，1号与2 号对照说明加热能够促进过氧化氢的分解，1号与3号对照说明FeCl3能够加速过氧化氢的分解，3 号与4 号对照说明过氧化氢酶催化效率比无机催化剂FeCl3高。这里涉及对照实验，涉及加热对化学反应的影响，这些都可以作为化学必修2 实验教学的前概念，另外，还提供了不加催化剂的对照实验，如果能够利用好这些已有的知识，将会加快对化学中相关新知识的理解。

生物必修1的“探究·实践”栏目中，在“影响酶活性的条件”的内容中建议：用过氧化氢酶来探究pH 对酶活性的影响，用淀粉酶来探究温度对酶活性的影响。在化学教学中，学习“蔗糖、淀粉和纤维素等在稀酸的催化下能发生水解反应，最终生成单糖”内容时，化学教师可以提问：在生物课的学习中教材建议用哪种物质来探究pH对酶活性的影响？用哪种酶来探究温度对酶活性的影响？原因是什么？接着让学生用化学知识来解释这样做的原因，这样在生物知识与化学知识之间搭建了桥梁，不仅巩固了生物学知识，还能提高化学知识的学习效率。

（三）注意跨学科概念差异，保留或完善各自表述

化学必修2与生物必修1教材中有些相同内容的表述有所不同，这是不同学科知识的特点决定的，化学教材侧重于反应过程并且偏向物质的化学性质，如蛋白质的检测是利用蛋白质的化学性质来进行的，而生物教材侧重于结果并且偏向生物体结构的组成物质，如脂质中介绍了脂肪、磷脂和固醇，这为学习膜结构作铺垫。两本教材中表述有差异的内容如表1所示，在学科教学中要注意下面几点。

1.注意保留化学与生物教材各自的表述

从表1可以看出两本教材中表述的差异，其中有的是表述上的习惯使用延续下来的，如氨基酸的结合方式名称，在化学中称为“聚合反应”，而生物教材中称为“脱水缩合反应”，这种各自的表述要保留，不要混淆。有的是学科性质决定的，如检测葡萄糖的实验，在试剂的使用上两者的表述方式不同：生物教材中是甲液（质量浓度为0.1g/mL的NaOH溶液）与乙液（质量浓度为0.05g/mL 的CuSO4溶液）现配现用，而化学中是得到新制的Cu(OH)2，并且加热条件表述也不同。另外，蛋白质检测、脂质的分类等表述也有差异，这些各自的表述要保留。

2.注意对跨学科前概念进行科学校正

日常生活中或跨学科中的概念有时不够专业，这样在本学科的教学中要加以纠正与说明。如化学必修2第85页有这样表述：食草动物的体内有纤维素水解酶，可将纤维素水解生成葡萄糖。生物必修1 第25 页是这样表述的：纤维素是多糖，不溶于水，在人和动物体内很难被消化，即使草食动物有发达的消化器官，也需借助某些微生物的作用才能分解这类多糖。

两个学科的教材在此处的表述是有差异的，从生物学知识可知，食草动物体内本身是不含纤维素酶的，但其肠道内的微生物能产生纤维素酶，将纤维素水解成葡萄糖，然后被动物吸收。但人体的肠道中没有分解纤维素的微生物，人体也不能产生纤维素酶，纤维素不能被人体消化吸收，但纤维素可以刺激肠道蠕动，有助于食物与消化液混合，有利于食物的消化，肠道蠕动还有利于食物残渣的排出，因此人们应摄入一定量的蔬菜、水果和粗粮等含纤维素较多的食物。人体肠道排出食物残渣就是我们俗称的“排大便”，这在生物学上称为“排遗”，而不是化学教材中所说的“排泄”，排泄是指生物体内的代谢终产物（如CO2、水、尿素、无机盐等）排出体外的过程，如“排小便”属于排泄。这样化学教材中将“排遗”与“排泄”混淆，并且“食草动物的体内有纤维素水解酶，可将纤维素水解生成葡萄糖”的表述是不准确的，这也是日常生活中最常见的错误概念。因此，化学教师在这里应该根据生物学知识加以纠正，以免学生形成错误的概念，当然，最好是化学教材的编者能结合生物学知识将相关内容科学表述，避免学生形成不科学的概念。

总之，学科教师要了解学生跨学科的前概念，尤其是高中生物必修1 的内容，有一些必需的化学基础知识在化学课中还没有出现，这样在对相关知识的处理时不要拓展，同时对这些知识的学习速度要慢一点。而在化学必修2 的教学中要根据生物必修1 中出现的与化学相关的内容，进行补充、完善，从而形成知识体系。