小學科學課程中生命科學知識性質分析

生命科學經歷了以形態學與分類學為代表的現象論階段、以達爾文進化論與孟德爾遺傳規律為代表的本體論階段和以基因為標志的本質論階段。小學科學生命科學領域的學習，主要在生命科學的現象論階段，也就是以觀察描述為主，體驗生命體各組成部分的結構、功能和相互聯系。下面以“植物”和“動物”為例，分別說明生命體各個組成部分互為存在條件的功能聯系性和生物進化線索。

“植物”學習內容的結構功能聯系和教學分析

小學科學生命科學中的植物部分，選擇植物的根、莖、葉、花、果實與種子作為學習內容。顯然，這種選擇是針對植物“界”最高等植物“被子植物”的。我們考查構成這類植物體的六個器官的相互關系，進行結構和功能的目的性解釋；同時，對小學生的學習特點加以討論。

1.根為什么深深扎入土壤

根的這種行為目的何在？因為植物生長需要水分（含溶于水的無機物質），根可以固定植物，發達的根系廣泛接觸水源可以獲得充足的水分。從小樹苗的根到大樹的根，根也在生長。一方面是為了整株植物獲得水的需要，另一方面也需要莖為其提供生長所需的營養。這是根“深深扎入土壤”的目的所在。根的外部形態結構：從根系角度，分為直根系和須根系，它們在土壤中深入很深或分散很廣，具有穩定和充分獲得水分的功能。根的內部結構：根冠、皮層、維管柱等，實現了水分和營養物質的輸送，也實現著自身的生長。這樣的結構與功能實現了根存在的目的。

在小學科學教學中，根的外部形態特征和根的生長是小學生可以清晰感知的，但是水分的吸收和營養物質的輸送卻是很難感知的。從目的論的角度講，植物生長需要水分，由此可以作出功能推斷：根要吸收水分提供給莖（植株）。根自身生長，由此推斷：根需要莖提供營養物質。學生在根與植株互為存在條件的關系中，理解根的功能和目的性存在。同時，結合對根的觀察，將根的外部形態特征納入對根的功能與目的的理解中去。

需要額外說一說的是，對植物通過葉的光合作用自身制造營養物質的學習，是在小學高年段。那么低、中年段的學生很可能就認為，根的自身生長是由于它在土壤中不但吸收了水，還吸收了營養物質而導致的。這個錯誤觀念的糾正是可以用科技史上的J.B.van黑爾蒙特關于柳樹生長的實驗來達到的——柳樹長得那么大，如果是用根吸收了土壤中的營養物質來提供生長，那么土壤會減少大量的質量——實際上，經過5年的柳樹生長后的土壤，質量只減少了0.1千克！

2.莖為什么努力生長

莖的這種行為目的何在？莖上有節，節上要生枝（或直接生葉），枝上生葉，莖努力生長，這種行為的目的就是把葉子撐開去承受陽光。根吸水，莖要把根吸收的水分輸送給葉。莖自身在生長，也需要營養。這就是莖的目的。不管是直立莖、匍匐莖、纏繞莖還是攀爬莖，它們把葉子舉高或展開，這種結構實現了讓葉子充分接受陽光的功能。莖內有細孔，稱為導管和篩管，導管將根吸收的水分輸送給葉，篩管將葉產生的營養輸送到根。葉實現著根向植株輸送水分的目的，又是根得到營養物質的條件，更是植物實現光合作用功能的條件。

在教學中，小學生對莖的外部形態結構可以清晰感知。直立莖會長高，若生枝杈，則會生長更多的葉；若直接在節上生葉，則葉一般扁平寬大。匍匐莖、纏繞莖、攀爬莖，也是在生長過程中產生更多的葉，并把葉分散開。這就會引導學生產生目的論問題：為什么會這樣？答案：為葉的光合作用提供條件。對莖的內部結構可以進行解剖觀察，可觀察到莖內有細的孔徑，橫切的話，會發現有水滲出。從目的論角度可以進行功能推斷：這些孔徑會向葉輸送水分，也會向根輸送營養。盡管小學生還不能區分兩種孔徑，但從生命體組成部分互為存在條件的角度，可以理解應該存在兩種輸送通道，實現輸送兩種物質的功能。

3.葉為什么像手掌一樣張開

葉的這種行為目的何在？葉是張開的，在莖上是相互避讓的，無枝莖上的葉扁平寬大。葉有趨光性，盡最大可能接受陽光。光是一種能量，葉利用這種能量制造出營養。實現這個目的的是葉中特有的一種組織結構——葉綠體。葉綠體在光的作用下，利用植物體內的水和空氣中的二氧化碳，合成葡萄糖并放出氧氣。莖輸送給葉的水分，提供了葉進行光合作用的必要原料。而光合作用合成的糖具有重大的生物學意義，此時由無機物（水和二氧化碳）合成了有機物。葉制造的糖，被輸送到植物體的各個組成部分，在這些組織或器官中，首先被細胞分解，再被合成淀粉、脂肪和蛋白質。這些營養物質首先用于細胞生長，然后也可能被儲存起來。從生態系統看，植物作為食物鏈中的生產者，成為動物生存的基礎條件。我們作出目的論解釋：葉為植物自身生長發育制造營養；植物成為食植動物的營養來源。

對于小學生而言，葉綠體的結構和在其中進行的光合作用，遠遠超過這個年齡段可以理解的水平。我們需要利用科學史上的證明，說明葉的光合作用制造了營養。這個營養是植物生長發育最關鍵的物質，是整個植物存在的條件，也是整個生物世界存在的重要條件。我們可以通過列舉食草動物的生長，說明其營養的來源是植物，體驗和理解葉制造了營養。我們還需要從根、莖、葉的關系理解：根、莖是植物營養原料的輸送者，葉是營養的制造者，它們都是營養器官。

4.花為什么色彩鮮艷

花生于枝杈頂端，色彩鮮艷，形態嫵媚，香味幽幽，引蜜蜂、蝴蝶迷戀其間。花的這種表現目的何在？解剖花，看其結構發現萼片、花瓣成為花被，保護著雄蕊和雌蕊（兩性花）。雄蕊有花藥和花絲；雌蕊有柱頭、花柱和子房。花藥的花粉傳到柱頭，經過花柱到達子房與卵細胞結合，則可“開花結果”。花生于枝杈頂端，便于蜜蜂、蝴蝶等昆蟲采集花精甜汁，此時就會把花粉傳到柱頭，幫助雌蕊受精。這就是花開燦爛的目的。受精后，子房和其中的胚珠將發育成果實和種子。這又是花存在的目的。在“花”處，完成植物有性繁殖的關鍵環節——傳粉受精，花也就成為植物繁殖的關鍵器官，稱為生殖器官。

在生活中，花常常成為人們的觀賞對象，并被賦予了很多美好的寓意。在教學中，更應該從可明顯感知的美麗花朵的外在形態特征引發目的論問題。上面描述的傳粉受精過程，是無法感知的，也是小學生難以理解的。結合花的解剖觀察，根據花的內部結構，進行目的性的功能推斷，理解花是關鍵的生殖器官。

5.果實為什么能成為美味

很多果實可以食用，而且酸甜可口。雌蕊中的子房和胚珠將來發育成果實和種子。花托與葉柄相連，子房生長在花托上，有維管束相通。植物的營養由莖通過葉柄、花托輸送到子房。子房由子房壁、子房室和胚珠構成。子房壁中有薄壁組織和維管束分支，子房內可形成一個或數個子房室，子房室內有一個或幾個胚珠，子房壁或中軸上的胚珠著生之處，稱為胎座。營養物質通過子房壁中薄壁組織和維管束送到子房內，再通過胎座提供給胚珠，供胚珠生長發育。在子房與胚珠共同發育的過程中，子房為胚珠提供營養，同時形成一個保護胚珠發育的微環境，相當于哺乳動物的子宮和胚胎的關系。胚珠成熟發育成種子后，不再需要營養，由子房發育而成的果實（果皮）則儲存了大量的營養物質（真果）。果實中存在的糖和維生素是在為種子提供營養后剩余的營養。果實也實現了為種子生長發育提供一個好條件的功能。這也是由裸子植物到被子植物進化的一大特征。

在教學中，我們可以讓學生觀察各種各樣的果實。依據不同的標準，可以是真果、假果；可以是單果、聚合果、聚花果；也可以是水果、干果。但作為生命體“植物”的一個器官，我們要引導學生從目的論出發進行功能解釋。從花的結構到果實、種子的成熟，解剖學的功能推斷和解釋，是小學生還無法達到的。從生命體各個部分互為存在條件角度來看，小學生可以從果實包含種子，種子中有營養，理解果實為種子提供營養的目的性存在；從幼果到成果的過程，可以看到種子在果實中的發育過程，如嫩南瓜和老南瓜。再通過與哺乳動物子宮與胚胎的類比，理解果實在種子發育過程中的保護作用。這也就可以理解果實被稱為生殖器官的理由了。

6.種子為什么孕育著生命

一粒種子，在適宜的條件下，可以長成一棵小苗。一棵植株經歷生長發育到成熟，其存在時間有長有短，但最終會死亡。種子的這種繁殖功能，實現了一種植物物種延續的目的。種子是最終完成繁殖功能的生殖器官。解剖種子，種子由種皮、胚和胚乳組成。胚又由胚根、胚芽、胚軸和子葉組成。若種子內無胚乳，則其子葉相對肥厚。胚根、胚芽、胚軸，預示著未來植物體的結構。胚乳和子葉將提供種子萌發最初始的營養。這種結構蘊含著新生命的可能。

教學中，一般選擇典型的種子，將其浸泡一定時間，解剖觀察其內部結構。尤其是后續的發育階段，可以看到胚根與植物根的對應、胚芽與植物葉的對應，理解胚的結構與植物結構的關系。學生進行植物種植，可以體驗到一粒種子變成了一個鮮活的新生命。對于胚乳和子葉中含有營養，可以通過其為動物和人提供食物的外在目的上獲得理解。例如人，大量食用植物的種子，包括淀粉類的水稻、小麥，脂肪類的油菜、芝麻，蛋白質類的大豆、花生，從而理解胚乳中含有淀粉、脂肪、蛋白質這三種基本的營養物質。

根、莖和葉作為營養器官，花、果實和種子作為生殖器官，互為存在條件，實現各自的功能，為了一個共同的目的：物種繁衍。

“動物”學習內容的進化線索和教學分析

進化論，以“自然選擇”為功能，實現著與環境適應的目的，可以作目的論解釋。另一方面，一個組織或器官或生命個體，其結構和功能為何如現在這樣，進化過程又是其長遠的原因解釋，即因果解釋。因此，進化論具有自己獨特的解釋力。物種在進化過程中，因地理隔離會產生分支，因生殖隔離會產生新的物種。有些物種在新的環境中會進一步進化，有些物種會適宜新的環境而停頓在那個階段，也有的物種不適應新環境而滅絕（如圖1）。生物世界為我們呈現出進化到不同階段的生物物種多層次的復雜存在。因此，一個縱向的生物進化過程，可以在現階段，即同一時間作空間性的橫向考察。小學科學中的“動物”學習內容，體現了這樣的特點。

（橫向看，上面一排，表示滅絕的物種，它們只能通過化石的方式反映出來。中間一排，表示一個物種隨時間進程的進化過程，其最新的物種就是現在存在的，而每個物種的前身可能是滅絕的物種，也可能是老物種。最后一排，是適應環境，在不同歷史進程中保存下來，具有各個階段進化特征的老物種。）

小學科學選取“動物”學習內容，首先要考慮體現生物的進化特點，然后要考慮與小學生的生活經驗靠近。這樣選取的典型動物，才可以讓小學生在可以感知理解的基礎上，感悟進化論思想。因此，小學科學應選擇典型的動物為代表：環節動物蚯蚓，節肢甲殼動物蝦、蟹，節肢鰲肢動物蝎子、蜘蛛，節肢多足動物蜈蚣，節肢六足動物昆蟲，軟體動物貝、蚌、蛤、螺，脊椎動物魚、鳥和兩棲動物、爬行動物、哺乳動物。對這些典型動物選取的深入理解會體現在下面對進化特征的闡釋中。

動物分為高等動物和低等動物，當然這種高等和低等是相對而言的。從動物是否存在脊椎（脊索），將動物作高等和低等的區分：無脊椎動物為低等動物，有脊椎動物為高等動物。因此，選取的典型動物中，魚、鳥、青蛙、烏龜、馬、虎等為高等動物，其他動物如蚯蚓、蝸牛、蜘蛛、蜈蚣、蝦、蟹、昆蟲等為低等動物。動物的進化歷史，是其對地球環境的變化的適應過程。從與環境適應角度看，不管是高等動物還是低等動物，都有一個從水生到陸生，再到適應各種自然環境的過程。從整體上看，動物進化包括骨骼、器官、神經系統的進化。由脊椎的存在與否區分高等動物和低等動物，實際上是脊椎適應神經的發育，相對于動物的本能有更多的智力性行為。因此，中樞神經系統的發達程度成為進化發展的重要標志，人屬于哺乳動物，但其高度發達的大腦和神經系統已經使其完全超越其他動物，需要特殊對待。

對于小學生，其科學認識的可感知特點，需要選擇外在進化特征明顯的內容。動物的骨骼，從無骨骼到外骨骼，再到內骨骼，既具有階段特征，也具有發展性；動物的生殖方式，從卵生到胎生，對于提高繁殖效率，具有進步性；動物在不同環境下與環境相適應所表現出的不同特點，具有進化特征。因此，從動物骨骼、動物生殖方式、動物與環境的適應三個方面可以比較明顯地體現進化過程。以這三個方面作為重點，幫助小學生理解生命系統的發展過程、生命的特征和內涵。

1.從骨骼看動物的進化

蚯蚓是無骨骼動物的典型。以貝類為代表的軟體動物，雖有貝殼起保護作用，但對運動無幫助，也應視為無骨骼動物。蝦、蟹、蜘蛛為代表的節肢動物和需要特別強調的種群存在量最大的昆蟲，具有外骨骼，且分化為體節和附肢，運動能力大為增強。但外骨骼最大的缺陷是束縛動物的生長。身體每長大一次，需要掙脫外骨骼一次，而剛擺脫外骨骼的動物軀體是孱弱的，特別容易受到其他種群的攻擊。而內骨骼的出現，是進化史上的革命性變化。內骨骼不再束縛動物體的生長，而且與動物體一起生長發育，動物可以充分成長。這時出現了巨型的魚，如泥盆紀的鯊魚；巨型的爬行動物，如在三疊紀出現、在侏羅紀繁盛、現已經滅絕的恐龍。特別是內骨骼由于與動物個體一起生長發育，更成為能夠與環境適應和協調的器官，呈現出多種多樣的運動形式。如水中游的魚，空中飛的鳥，草原上奔跑的馬，還有樹上攀援的猴，掘地的鼠等。對脊椎動物，選擇魚類、兩棲類、爬行類、鳥類、哺乳動物類，可以看到動物骨骼的變化的進化線索。

在教學中，是以某一種或某一類動物為教學單元的，如“蚯蚓”“蝸牛”“昆蟲”“魚”“鳥”等。對每一種動物要學習其食性、習性、繁殖特點、身體結構功能與環境的關系等。在各動物單元學完后，應專門總結，重點強調動物從無骨骼、外骨骼到內骨骼的生存優勢比較，體會動物骨骼變化的進化論特征。也可以引導學生，以骨骼的變化為脈絡，考察動物與生存環境的適應性。

2.從生殖方式看動物的進化

無性繁殖主要存在于原生生物等低等生物中。在有性繁殖中，子代的遺傳物質來源于兩個親體，后代比較容易獲得多樣化的遺傳基因，這樣后代中能夠適應新環境的個體就會多一些，這對提高適應環境的能力和種族的進化是非常有利的，可以說，自從有性繁殖出現后，動物的進化速度就大大提升了。

對于有性繁殖，特別是雌雄異體，配子結合為合子，一種配子稱為卵子，另一種為精子，這個過程稱為受精。受精的方式分為體外受精和體內受精。體外受精，如軟體動物、魚、兩棲動物，兩性在某個水域集中排放精卵，卵在水中遇精子受精，發育成個體。體內受精，如鳥類、爬行動物、哺乳動物是雌雄異體，通過交配，體內受精。體內受精與體外授精相比，精子與卵子的結合率更高，即卵子受精的比率更高。受精方式的變化，體現出一種進化性的進步。對于生殖方式，區分為卵生和胎生。對于卵生，像魚卵，僅有一層薄膜包裹，而像鳥卵，有了一層相對堅硬的外殼，這樣會使得受精卵在胚胎發育過程中保護性增強。哺乳動物是胎生，即存在一個保護受精卵發育的微環境，使受精卵發育為幼體的成活率更高。胎生也就成為最高級的繁殖方式。從受精效率到保護受精卵成功發育的過程變化，可以看到一個由低到高的次序。

在教學中，對于有性繁殖和無性繁殖方式，只能是初步了解，對于受精方式，還無法感知理解。但對于胎生、卵生，可以通過實物或標本直接觀察感知，也可以通過視頻或照片間接觀察。如魚卵、雞蛋可直接觀察，分析其區別；用圖片可呈現青蛙卵、蛇蛋、烏龜蛋，再進行分析。對于胎生，可展示懷孕的貓、狗等圖片，結合學生在日常生活中所看到的動物懷孕的例子（人的這種情況可能更常見），與卵生對比，理解胎生的意義。對于小學生而言，可以通過動物繁殖方式的卵生和胎生的角度，理解動物進化的一種特征。

3.從動物與環境的關系看動物的進化

生物發展的歷史與地球的地質變化緊密聯系。而地球表面7/10是海洋，3/10是陸地，可以看到動物發展的總體環境適應是從水生到陸生，再到陸地上的各種更復雜的環境。我們分別從低等動物和高等動物兩個范圍考察。軟體動物，主要生活在水中。像蝦、蟹這樣的節肢動物，也主要生活在水中，但運動能力遠遠超過軟體動物。而蜘蛛、蜈蚣等節肢動物，則脫離了對水的依賴，成為陸地生物，完成了從水生到陸生的轉化。對于六足節肢動物昆蟲，不但完全適應陸地生活，而且不但身體有節和附肢，還有翅，適應陸地各種復雜的環境。從低等動物的發展可以看出從水生到適應陸地生活的進化過程。對于高等動物，從魚類、兩棲動物到爬行動物，可以看出水生、水生到陸生的過渡和陸生。爬行動物的發展，以侏羅紀繁盛的恐龍為代表，種類多，很多體形碩大。鳥被認為由恐龍進化而來，因為鳥的骨骼構成與恐龍很相似。鳥有翼，能飛是鳥最明顯的特征。由于恐龍的強大，統治著當時的動物世界，哺乳動物是在恐龍滅絕后才發展起來的。哺乳動物適應地球上各種各樣的環境。特別是“智人”的出現，從對環境的適應開始能動地應用自然、改造自然；到現代人，創造了豐富的人工環境，且人的活動遠遠超出了地球環境。

在教學過程中，我們會學習動物的結構和功能所體現出的對環境的適應性特征。實際上，動物的進化，就是對環境的適應。當我們把動物對環境的適應串聯起來，就可以發現動物從水生到陸生和適應陸地的各種環境變化的進化線索。根據上面的分析，建議從低等動物和高等動物兩個層次，分別考察各自的與環境適應的進化過程。這樣的認識思路更清晰，更便于小學生理解。

首都師范大學初等教育學院（100048）