基于跨学科概念“因果关系”内涵探讨及其在高中生物学教学的应用

陈婷　张梦真　张丹凤

关键词：跨学科概念；因果关系；高中生物学；核心素养

文章编号：1003-7586（2024）01-0075-03 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

1跨学科概念在科学教育中的重要性

为改善科学教育，美国以《K-12科学教育框架》为基础，于2013年发布《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards，简称NGSS）。NGSS的核心教学原则是三维学习，这一原则认为，通过学科核心思想（Disciplinary Core Ideas，简称DCIs）、科学与工程实践（Science and EngineeringPractices，简称SEPs）和跨学科概念（CrosscuttingConcepts，简称CCCs）的有意义的整合，学生将获得对科学知识和科学探究过程的理解。关于跨学科概念，《K-12科学教育框架》确定了7个跨学科概念，分别是“模式”“因果关系：机制与解释”“规模、比例和数量”“系统和系统模型”“物质和能量：流动、循环和守恒”“结构和功能”“稳定和变化”。NGSS指出：跨学科概念为学生提供了在不同领域学科内容之间建立联系的智力工具。跨学科概念能被应用于所有科学领域之中，在教学过程中，跨学科概念不应该作为附加内容，而应该被整合贯穿在科学领域课堂教学之中。

2跨学科概念因果关系的内涵

因果关系揭示了事物之间的影响机制，可用来理解和预测事物及其变化。科学研究的主要活动是调查和解释因果关系及其调节机制，因果关系是科学研究的核心。通常来说，科学研究的目标就是要找到现象背后的原因，确定其因果关系，再根据因果关系来解释和预测复杂的自然和系统中的行为。但《K-12科学教育框架》中指出“在复杂系统中，因果关系很难梳理出来”，即使是简单的系统也可能具有多方面的因果关系，系统中的一些因果关系只能用概率来描述。因此，如何在课堂教学中促进学生对因果关系的理解，是教师需要积极思考并实践的问题。靳冬雪、刘恩山提出：在教学实践中落实因果关系概念的外显化教学。明确地与学生探讨因果关系，可以让学生加深对因果关系的理解，进而加深对科学本质的理解。生物学学科作为科学教育主要内容之一，将因果关系应用于生物学教学中，有助于促进学生对生物学概念的理解以及科学探究活动的顺利开展，从而促进学生生物学学科核心素养的形成。

3跨学科概念因果关系在高中生物学中的教学建议

“组成细胞的分子”是新人教版高中生物学必修1第2章的内容，本章共5节。在大概念“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”下，阐明“细胞由多种多样的分子组成，包括水、无机盐、糖类、脂质、蛋白质和核酸等，其中蛋白质和核酸是两类最重要的生物大分子”这一重要概念以及7个次位概念。“组成细胞的分子”这一章内容存在多处“因果关系”的应用，结合《普通高中生物学课程标准（2017年版2022年修订）》对本章内容进行解读，引导学生从跨学科概念“因果关系”的视角进行探讨，为教师进行跨学科概念教学提供参考。

3.1剖析因果关系，树立生命观念

结构和功能可以被认为是因果关系的特例。无论讨论的结构是活组织还是大气中的分子，了解它们的结构对于进行因果推断都是必不可少的。工程师们在研究自然界的结构时做出因果关系的推论，以此来作为满足人们需求的设计灵感。在生物学学习中，学生通过对细胞中各种分子的结构及其功能进行因果关系的推断，逐步形成结构与功能观。例如，融合化学知识来解释氢键与水分子结构和功能的因果关系可促进学生的理解。教材介绍了水分子的空间结构和氢键，让学生从水的分子结构的视角理解它所承担的重要功能，思考“水作为生命之源”的具体含义。水是带氢键的极性分子，通过引导学生从水的化学结构的角度去认识水的特性，可帮助学生深入理解水的功能和分类。例如，水分子的空间结构和电子的不对称分布使水分子成为极性分子。由于水分子是极性分子，带电荷的分子或离子容易与水分子结合，因此水是良好的溶剂。再如，结合水分子之间存在氢键，使其具有较高的比热容，水温不易改变，可帮助学生理解为什么多细胞生物的绝大多数细胞浸润在以水为基础的液体环境中。这部分内容涉及多组因果关系，体现了因果关系的相对性、确定性和复杂性的特点。水分子的结构是原因，水的功能是结果，原因指向结果，结构决定功能。教材中还通过“氨基酸怎样构成蛋白质”“核酸是由核苷酸连接成的长链”等内容呈现出蛋白质、核酸等物质的结构与功能之间的关系，其中也涉及了一些化学知识，例如“氨基酸脱水缩合形成肽键”“磷酸二酯键”等。以因果关系作为媒介，整合化学与生物学知识，从而明确细胞中分子的结构及其功能的关系。通过对学生进行该思维方式的强化，即因果关系的外显化教学，能帮助学生初步建立结构与功能相适应的观念，认同“蛋白质是生命活动的主要承担者”以及“核酸是遗传信息的携带者”等内容。

3.2将因果关系外显化，养成科学思维

“细胞中的糖类和脂质”的课后练习与应用中有一道题：“为什么等量的脂肪比糖类含能量多，但在一般情况下脂肪却不是生物体利用的主要能源物质？”这个问题涉及脂肪和多糖的分子结构，是本节课的难点。与上述水的例子类似，结构是因，功能是果。如果不从糖类和脂肪的分子结构视角进行阐述，学生会知其然而不知其所以然，造成死记硬背的结果。教师在教学过程中应该要应用“因果关系”这个跨学科概念，结合化学知识进行教学。

从分子结构特点进行分析，脂肪是具有疏水性的非极性化合物，以无水的形式储存在体内。糖原的分子结构具有高度分支的特点，具有极性，能够与水分子相互作用形成氢键，因而同质量的糖原在機体内储存时所占体积较大。故脂肪是一种很“经济”的储备能源。从脂肪的分子结构特点很好解释了脂肪作为储能物质的原因，但未涉及“脂肪不是生物体利用的主要能源物质”这个问题。“脂肪不是生物体利用的主要能源物质”的原因涉及脂肪分子中元素含量的多少。脂质分子中氧的含量远远低于糖类，而氢的含量更高。在进行氧化分解时，脂肪分子氧化速率慢，需要更多的氧气，糖类耗氧少，且在有氧或无氧的条件下都能进行，因此糖类才是生物体利用的主要能源物质。从分子结构及其元素含量这个原因指向作为“储能物质”或“主要能源物质”这个结果，中间需要一定的逻辑推理过程，如何将这个逻辑推理过程进行外显化教学，杨得俊提出：可通过构建数学模型进行阐述。模型构建作为一种认识手段和思维方式，是学生根据研究的问题和情境，在对客观事物抽象和概括的基础上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和科学概念的过程。根据有机物（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，有机物中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，该有机物完全氧化分解释放的能量就越多。脂质分子中氧的含量远远低于糖类，而氢含量更高。这也就能解释为什么相同质量的脂肪所含的能量比糖类要多。但同时，当1mol有机物完全分解时耗氧量是（y+4x-2z）/4 mol，这也就意味着等质量的脂肪完全氧化消耗的氧气相比于等质量的糖类来说是较多的。从生物进化的角度来说，糖类适合为早期地球环境中的原始细胞氧化供能。此外，糖类氧化也可以在无氧条件下进行，细胞呼吸所产生的有害物质也比较少。因此对于生命活动而言，糖类和脂肪都可以作为储备能源，但是糖类是生物体生命活动利用的主要能源物质。

“组成细胞的分子”章节的内容根据学科知识逻辑和学生认知规律，引导学生了解多糖、蛋白质和核酸的元素组成和分子结构。学生通过归纳和概括得出“生物大分子以碳链为骨架”的事实，锻炼了学生的科学思维。“生物大分子以碳链为骨架”也归因于碳原子特殊的成键性质。通过跨学科概念整合化学学科的知识，学生能够理解碳原子的化学性质决定了所有生物大分子都含有碳原子，并且以碳链为骨架。

3.3探究因果关系，发展科学探究

在科学探究活动中，面对的是一个关于因果关系的科学问题。根据因果关系具有确定性的特点，教材在第2章第1节安排了“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”实验，该实验要求学生运用化学显色剂来检测生物组织中的化学成分，并能依据检测结果得出正确结论。选择的生物组织及化学显色剂是原因，溶液的颜色变化是结果，因果关系的成立说明最初做出的假设成立。在本实验中，生物组织与化学显色剂的相互作用涉及化学学科知识，例如斐林试剂是含有Cu²⁺的碱性溶液，能够将还原糖（含有—CHO，即醛基）氧化，并生成砖红色沉淀Cu₂O。选择正确的生物组织和化学显色剂才有可能得到正确的颜色变化。由于存在实验操作过程中的误差，正确的原因也会导致错误的结果，因此在该实验中，学生应在掌握原理和方法的基础上再进行操作，可提高实验的准确性。教师通过本实验的进行，一方面可以培养学生的科学探究能力，为后续章节开展探究性实验奠定基础；另一方面，有利于学生认识到生命的物质性，认识到理化技术在生物学研究中的运用。

3.4应用因果关系，增强社会责任

在现实生活中，人们通常通过对因果关系的探究和解释来理解客观世界中的各种现象，又通过对该因果关系的应用来进行发明与创新。现实生活中的问题很难用一个学科得以解释和解决，需要综合多个学科的力量。跨学科概念则打破了学科的界线，将不同科目融合在一起，使学生能够从综合的视角看待问题、理解问题，从而具备开拓与创新能力，并不断地解决新问题。在教学中，教师通过进行学科核心思想、科学与工程实践和跨学科概念的三维教学，让学生通过教学参与到许多跨学科实践当中，有助于落实社会责任的培养。“细胞中的元素和化合物”这一章中的内容与现实生活是高度联系的。例如，在“蛋白质是生命活动的主要承担者”一节中，在学生学习完氨基酸构成蛋白质的过程后，让学生选择生活中常见的材料制作模型，模拟蛋白质食物在人体内的消化吸收过程，并结合模型解释市面上常见的蛋白质保健品，如蛋白粉、酵素、胶原蛋白口服液等在人体内是如何起作用的，从而使学生学会从科学的角度辨别蛋白质保健品的真假，能够用科学证据向公众介绍蛋白质保健品的成效并提供选择建议。学生在这一过程中通过学科融合的方式，基于对生物学概念和原理的认识，对有关生物学的社会热点议题进行理性判断，明辨是非，从而在潜移默化中增强社会责任感，提高其生物学学科核心素养和跨学科素养。

4小结与展望

在高中生物学教学中，加强跨学科概念教学意味着要基于学生的生活与经验，充分了解学生的认知水平，以《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》规定的生物学内容為标准，在不加重学生学习负担的情况下，培养学生理解并应用各个跨学科概念，融会贯通各学科知识，从而进行跨学科实践。跨学科实践是必须落实的内容，学生在解决问题的过程中融合多学科知识，可促进学科核心素养的形成，提高跨学科实践的能力。跨学科实践也是培养科技创新人才的重要途径，对提升我国的综合实力和国际竞争力具有重大意义。