跨学科概念“稳定与变化”的内涵与教学建议.pdf

8生通报学物2023年第7 期总第58 卷跨学科概念“稳定与变化”的内涵与教学建议*靳冬雪1刘恩山2*（1东北师范大学生命科学学院吉林长春1300242北京师范大学生命科学学院北京100875)摘要稳定与变化是帮助学生开展跨学科实践、理解学科间联系的重要跨学科概念，它揭示了人们在探究、阐释、控制和改造自然界时关注的重点。稳定与变化是系统的2 种发展状态，二者与尺度概念密切相关，同一现象的稳定状态与发生的变化在不同尺度间可能存在着关联。在观察的尺度上，稳定与变化的发生受到外界环境条件与内部运行机制的影响。研究保持稳定的条件与引起变化的因素对理解生命个体与群体的生存与发展、指导人们开展生产生活实践具有重要的意义。教师在落实稳定与变化概念的教学时，需搭配不同的生物学概念与探究实践，并注意概念的外显化，从而提高学生对该概念的熟悉程度，加深他们的理解，促进生物学学科核心素养的达成。关键词同跨学科概念公稳定变化教学建议中国图书分类号：G633.91G40文献标识码：A在新一轮的基础教育课程改革中，生物学课程标准强调要注意学科之间的横向关联，其中义务教育阶段开设的跨学科实践主题作为修订重点之一，在课程中约占10%的课时1-2。学生在跨学科实践中理解并应用跨学科概念，解决科学问题或创造工程学产品，促进生物学学科核心素养的达成。跨学科概念是学科间共通的核心知识，稳定与变化作为重要的跨学科概念之一，揭示了人们在理解自然界的运转和发展，以及设计和创造人工世界时关注的重点。由这2 个方面展开，结合生物学的具体学科背景，人们对各尺度上的生命现象加以研究、发现，并进一步地控制和利用。为了在生物学课堂中落实好这一概念，教师首先应理解其内涵，并给予学生明确的、外显的教学指导，帮助其理解稳定与变化的抽象含义。1稳定与变化是对事物具有发展意义的2 种状态稳定与变化分别反映了一个系统的形态、结构或者性质等随时间推移表现出的2 种状态。首先，稳定意味着系统的某些方面是保持不变的，至少在观察的尺度上保持不变3。如安静状态下的生命个体有规律收缩和舒张的心脏、处于稳态的内环境等。稳定并不意味什么都不发生，相反，它是多种因素相互作用下产生的平衡。稳定包括静态平衡与动态平衡3。静态平衡是最简单的稳定形式，但即使是处于静止的物体，如平放在桌面上的一本书，也是在重力和支持力的作用下才保持稳定。相比之下，一个有稳定输人和输出的系统就处于动态平衡3。如出生率和死亡率相等时，种群数量能够保持稳定；安静状态下的个体，不断地吸人空气中的氧气并呼出二氧化碳，维持生命活动的稳定。其次，变化是指在观察尺度上，系统的某些方面随着时间的变化出现了新的状态。有些变化是可逆的，如糖和盐溶于水；有些变化是不可逆的，如生命个体的成长发育与衰老。对变化的观察不只是定性地界定“变化”或者“不变化”，测量并计算变化率对于理解和预测系统的发展也十分关键。系统处于稳定还是变化状态并不是绝对的，*基金项目：2 0 2 2 年度吉林省社会科学基金项目（博士和青年扶持项目）“新课改背景下理科师范生跨学科教学素养培养的实践研究（2 0 2 2 C90）*通信作者9通报学生物2023年第7 期总第58 卷这与观察的尺度密切相关。在小的时间尺度上保持稳定的系统，在一个更大的时间尺度上可能就是变化的。例如，以年为单位观察猿类不同世代个体的骨骼形态，是基本稳定的；如果以10 万年为单位，则可以观察到从古猿到现代人类的进化历程中，灵长类的骨骼发生了明显的形态变化，更加适应直立行走。而在小的空间尺度上发生的变化，也可能会促使较大空间尺度上的系统保持稳定。例如，人体内不断地进行着各种生化反应，持续地合成与分解物质、吸收与释放能量，才能保证生命在个体水平上的稳定。需要注意的是，对于同一现象，稳定与变化状态可能同时存在，而研究变化中的不变量也一直都是科学中的热门话题4。如豌豆杂交实验中，7 对相对性状在亲代到子代的遗传中都发生了变化，但孟德尔发现F,代中性状分离比基本稳定在3：1,对这个比例深人分析与研究，最终发现了对遗传学蓬勃发展具有奠基意义的分离定律。保持稳定与发生变化对生命现象的存续和发展均具有极为重要的意义。对于稳定运转的系统，正常行使功能将保障生命活动的顺利进行，维持个体与群体的生存、繁衍，如内环境的稳态提供了细胞代谢需要的各种物质和条件，是机体进行正常生命活动的必要条件。稳定的系统具备一定抵抗外界干扰的能力，如人体的免疫系统能够抵御病原体的侵袭，以及生态系统具备一定限度的自我调节能力。而一些变化的发生也能够促进系统得到更好的发展，如细胞的编程性死亡有利于生物个体的正常生长和发育；基因突变可能导致个体获得更加适应环境的性状，进而可能促使种群逐步扩大乃至成为当地的优势物种由此可见，维持稳定与发生变化都是不同层次生命现象存活和发展的必要条件。2维持稳定的条件与引起变化的因素是研究关注的重点系统的稳定或变化受到外部环境与内部结构的影响。其中，稳定是各种因素影响下的一个平衡，不论自然系统还是人工系统，都有其稳定运转所需要的条件3。从外部环境来看，系统的稳定性依赖一定条件的支持。例如，细胞能够在一定的温度、渗透压、血糖、血脂范围内存活，一旦超出这个范围，机体就可能会处于不健康的状态甚至死亡。从内部结构来看，系统的稳定性还依赖它的运行机制。当系统内的组分之间通过相互作用形成代偿机制时，能够促进系统的稳定；如果代偿机制缺失，即使是微小的条件变化或系统元件的缺失都可能使系统失控3，如错综复杂的食物网中某个物种的数量减少或者消失，可以由其他生物取代它的位置，使生态系统仍然保持稳定；但是当食物网的结构过于简单时，某个物种的减少或消失就无法由其他生物代偿，那么生态系统将可能走向崩溃。此外，引起系统发生变化的因素也可能来自外部环境，如流感病毒引起机体免疫细胞大量增殖；也可能来自系统内部，如细胞的增殖和分化使得个体得以成长发育。内、外因素的共同作用，促使各项生命活动顺利完成，生命个体或群体得以生存与发展为了把握复杂系统的稳定与变化，理解系统的反馈调节机制十分重要。负反馈调节是指系统中的前一个事件引起后一个事件，而后一个事件的发生反而对前一个事件起到了抑制作用，最终使系统保持稳定。例如，人体的体温调节过程中，无论体温高于还是低于正常体温，下丘脑体温调节中枢都会刺激相应的生命活动，抑制体温继续升高或降低，直至回落或回升到正常范围。而正反馈调节则是后一个事件会强化或继续促进前一个事件的发生，使系统趋于不稳定，甚至崩溃。例如，人体的排尿反射中，一定量的尿液将刺激膀胱壁感受器兴奋，传递至大脑后，大脑发出信号刺激膀胱壁肌肉收缩，使得尿意进一步加强，系统愈加不稳定，直至尿液排出。由此可见，正、负反馈调节的结果虽然不同，但对于生命活动的正常进行均具有重要意义。此外，对反馈调节机制的理解需要紧密结合尺度概念。例如，从大的时间尺度上看，繁茂森林中过多的植被制约了林下树苗的生长，而枯枝落叶积累所引起的自然火灾，是对过多植被这种状态的抑制，植被减少后，光照更加充足，森林生长逐渐恢复到正常状态 5,这是负反馈调节过程。而从小的时间尺度去看，森林火灾的蔓延和扩大过程属于正反馈调节，因为一部分可燃物的燃烧会引起更多可10生通报学物2023年第7 期总第58 卷燃物的燃烧，使得火势逐渐增大。保持稳定的条件与引起变化的因素对人类研究、理解生命活动并指导生产生活具有重要的意义。科学家通过控制变量等方法探究特定因素引起生命现象的变化，可以揭示生命现象的规律和生命活动发生的机制，如敲除或插人某一基因，通过观察其对生命活动的影响推测该基因具备何种生物学功能。在理解和解释生命活动机制的基础上，人们还期望能够介人并控制这些现象，实现资源的开发和利用，促进人类的生存与发展。一方面，创造合适的环境条件、维护系统内部机制的运行，可以促使生命活动稳定进行，并使人类从中获得收益，如畜牧业的发展；另一方面，对变化及变化率的研究，还可以实现对生命活动的干预和控制，增加人们的收益，如使用药物作用于机体的特定组织，实现对疾病的预防和治疗，而对血药浓度变化率的测量，能够指导治疗方案及治疗剂量的选择3稳定与变化概念的生物学教学建议跨学科概念是对学科知识共通性的进一步概括，因而稳定与变化概念具有高度的抽象性，给学生的理解带来了挑战。为了帮助学生学习和应用稳定与变化的概念，本研究建议生物学教师在教学准备与课堂实施的过程中，紧密结合生物学概念及探究实践，在活动中引导学生明确地讨论稳定与变化的含义，并在不同的情境下重复强调该概念，从而加深学生对稳定与变化的理解。1)稳定与变化的教学和评价应与生物学概念、科学与工程实践紧密结合。跨学科概念统领各学科的概念，在陈述时去掉了学科背景，只描述一般意义下的科学现象和进程。为了帮助学生在生物学课堂中理解稳定与变化概念的抽象含义，需要将其置于具体的情境中，通过结合特定的生物学概念，以及探究实践中直观、感性的材料，支持学生构建对稳定与变化的理解。例如，教师可以采用构建并使用系统模型的实践活动，引导学生理解人体体温调节的主要过程，并进一步强调这一动态平衡背后的负反馈机制。对稳定与变化概念的评价也不能脱离生物学概念和探究实践。学生对概念性知识的学习应达到理解的水平，表现为能够将概念成功迁移到新的情境中解释现象或解决问题，而不是对概念含义的机械复述。因此，在评价学生对稳定与变化的理解时，应采取基于情境的开放式评价，考查学生在探究和解释具体的生物学现象时，对稳定与变化概念的应用2)教师在概念教学中注意外显稳定与变化的含义。学生对稳定与变化概念的学习可以在跨学科实践中实现，也可以在其他生物学内容主题的课堂上加以落实。无论是生物学还是跨学科的学习情境中，学生都不会在参与学习活动之后就自然而然地建立起对概念的准确理解，而是需要教师提供机会引导他们结合探究经历明确地讨论稳定与变化的含义。对于概念教学而言，学生基于科学探究自主构建对概念的初步理解后，应进人解释环节表达自已对所学概念的理解，并且教师要结合他们的表述，简洁、准确地呈现概念。将稳定与变化概念的含义外显化给学生，对加深他们的理解具有关键作用，是不可以省略的教学活动。3）教师应在多个情境中重复教学稳定与变化的概念，以加深学生对它们的理解。一方面，稳定与变化这一跨学科概念包含多个子概念，在有限的课堂时间等因素限制下，无法一次性全部传递给学生；另一方面，稳定与变化概念因其高度抽象性，对学生而言具有一定的难度，需要通过不同情境下的重复学习，提高他们对概念的熟悉程度。因此，教师在教授稳定与变化的概念时，可以搭配不同的生物学概念与探究实践，促使学生将概念迁移到多个情境当中，逐步建立起全面、深入的理解。此外，对稳定与变化概念的教学也需要实现纵向的重复和深化。在低年级时，学生学习的稳定与变化概念相对简单。随着年级升高，学生认知水平得到发展，稳定与变化概念也应逐渐复杂化。4结语稳定与变化是学生从整体认知世界必须理解的跨学科概念之一。在生物学学科中，掌握稳定与变化概念能够促使学生从更上位的角度理解生命现象发生和发展的特点与条件，以及人们探11通报学生物2023年第7 期总第58 卷例析递进式论证在概念构建中的应用田小丽（广东省惠州市知行学校广东惠州516001)摘要以构建“ATP是驱动生命活动的直接能源物质”这一重要概念为例，通过初步论证、追加论证、完善论证3个递进式的论证，引导学生在论证过程中利用证据提出主张、进行质疑和反驳，体会构建概念的过程关键词同论证证据概念构建ATP中国图书分类号：G633.91文献标识码：A普通高中生物学课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0年修订）（以下简称课程标准）中提出生物学教学以培养核心素养为宗旨，尊重事实和证据，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题。论证式教学实际上是将科学领域论证工作的方式引人课堂，使学生经历类似科学家的科学论证过程，以促进学生理解科学概念和科学的本质，并发展学生思维的教学模式 2 。该教学模式强调在教学中学生发现科学问题和现象时，能够搜集有效的科学观点和资料作为证据并提出主张，甚究和控制生命现象发生与发展时的关注点，进而通过同化性迁移更好地理解生物学概念和探究实践，促进生物学学科核心素养的达成。稳定与变化是经过高度归纳和概括后得到的抽象概念，因而教师在生物学课堂中落实这一概念的教学时，需要注意结合不同的生物学概念和实践，使学生在具体的情境中与其多次接触，并设置解释环节将概念外显出来，不断加深学生的理解。主要参考文献1中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订）S.北京：人民教育出版社，2020.2中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准（2 0 2 2 年版)S.北京：北京师范大学出版社，2 0 2 2.3National Research Council(NRC).A framework for K-12至可以反驳他人的质疑来支持自已的结论。在概念构建中利用递进式论证引导学生尊重事实和证据，培养学生的证据意识，能加深其对生物学概念的理解，发展科学思维，是落实生物学学科核心素养的重要举措。1论证模型1958年，图尔敏提出了由主张、资料、正当理由、支援、限定词和反驳6 个要素组成的论证模型。实际教学中，资料、正当理由、限定词这3个science education:Practices,crosscutting concepts,andcore ideasEB/OL.2012.2022-8-11.https:/www.nap.edu/read/13165/chapter/1.4American Association for the Advancement of Science(AAAS).Benchmarks for science literacy:ProjectEB/OL.2061.New York:Oxford University Press,1993.2022-8-11j.http:/www.project2061.org/publications/bsl/online/index.php.5人民教育出版社，课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心.生物学：选择性必修2：生物与环境 M北京：人民教育出版社，2 0 2 0：7 4.6张薄明，王志中.系统模型与辨识 M.上海：上海交通大学出版社，2 0 15：1.7张颖之，刘恩山.核心概念在理科教学中的地位和作用：从记忆事实向理解概念的转变 J.教育学报，2010,6(1):57.(E-mail:)*基金项目：广东省中小学“百千万人才培养工程 专项科研项目课题“论证式学习在中小学教育教学的行动研究（BQW2021XZC002)；广东省惠州市“十四五”教育科研课题“论证式教学在中小学课堂的行动研究”（hzsswkykt22114）