科學(xué)核心素養(yǎng)與科學(xué)教學(xué)：基于對(duì)生命觀念的理解

阮慶元

(浙江省溫嶺市教育廳教研室 317500)

王耀村

(浙江省教育廳教研室 杭州 310012)

生命觀念是科學(xué)觀念的重要組成部分，其主要包括結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、物質(zhì)與能量觀等。浙江省在20世紀(jì)90年代初開始，在初中階段實(shí)施了科學(xué)綜合課程，主要內(nèi)容包括生命科學(xué)領(lǐng)域、物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域與空間科學(xué)領(lǐng)域等三方面[1]。浙教版科學(xué)綜合教材(以下簡(jiǎn)稱教材)共6冊(cè)24章，其中13章涉及生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)容，該內(nèi)容是學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)中生命觀念樹立的主要載體。

生命觀念是對(duì)生命的認(rèn)識(shí)及持有的態(tài)度。科學(xué)教學(xué)不但是在嘗試解釋和抽象的過程中實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的掌握，更應(yīng)該是生命觀念的夯實(shí)與建構(gòu)，讓核心素養(yǎng)成為學(xué)生終身受益的成果。

1 結(jié)構(gòu)與功能觀

所謂結(jié)構(gòu)，是事物內(nèi)部相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)成；所謂功能，是事物作用于他物的能力[2]。由此可知，結(jié)構(gòu)與功能反應(yīng)的是內(nèi)外兩個(gè)層面的性質(zhì)，即結(jié)構(gòu)是事物的內(nèi)在構(gòu)成屬性，而功能則是與外部環(huán)境相互作用的動(dòng)態(tài)過程。

1.1 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與之適應(yīng)的功能 生命從細(xì)胞層次到組織器官、系統(tǒng)，再到種群、群落等，無不具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)的功能。教學(xué)中，避免結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一這一基本的科學(xué)觀點(diǎn)成為簡(jiǎn)單的說教，就應(yīng)從一定的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與之適應(yīng)的功能、功能需要一定的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)正逆兩個(gè)角度建構(gòu)教學(xué)。

例如，在九年級(jí)上冊(cè)第4章第2節(jié)“食物的消化與吸收”一節(jié)的教學(xué)中，教師首先展示胃模型，請(qǐng)學(xué)生觀察。隨后提出問題思考：①胃具有怎樣的外形特點(diǎn)？你能預(yù)測(cè)它的生理學(xué)功能嗎？②胃壁具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？你能預(yù)測(cè)它的生理學(xué)功能嗎？

接著，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課堂分析：胃是消化道中最膨大的部分，好像一個(gè)口袋，且胃壁具有發(fā)達(dá)的平滑肌。在要素既定的條件下，有什么樣的結(jié)構(gòu)就有什么樣的功能。那么就可以根據(jù)胃的外形特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)來推測(cè)和預(yù)見它的功能，即通過胃外形特征像一個(gè)口袋推理其貯存功能，胃壁發(fā)達(dá)肌肉推理其物理性消化功能，從結(jié)構(gòu)到功能正向推理培養(yǎng)學(xué)生思維能力。

最后，師生共同得出結(jié)論：胃對(duì)食物具有貯存功能，其蠕動(dòng)可以在促進(jìn)食物物理性消化的同時(shí)又使食物與胃液充分混合促進(jìn)化學(xué)性消化，同時(shí)還能將食物往消化道下段推送。

1.2 功能需要一定的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn) 完整的思維包括正向推理和逆向推理，在胃的認(rèn)識(shí)中，我們嘗試著從結(jié)構(gòu)觀察推理功能存在，發(fā)現(xiàn)胃不是消化吸收的主要場(chǎng)所，那能實(shí)現(xiàn)消化與吸收功能的器官會(huì)具有怎樣的結(jié)構(gòu)呢？隨后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課堂分析：①為了使食物充分消化及吸收，食物在該器官應(yīng)該停留比較長的時(shí)間；②為了使食物充分消化，該器官中應(yīng)該有豐富的消化液；③為了充分吸收，該器官應(yīng)該具有較大的內(nèi)表面，以增大與食物的接觸面積；④該器官的內(nèi)表面應(yīng)該有豐富的毛細(xì)血管，以實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)的吸收。接著，以實(shí)物模型和圖片的形式呈現(xiàn)小腸、大腸、肛門等器官。并引導(dǎo)學(xué)生分析猜想：通過對(duì)消化吸收功能與對(duì)應(yīng)器官結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的對(duì)比分析，小腸可能是消化吸收的主要器官。隨后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：剪取2cm2左右的新鮮豬小腸置于燒杯中，加入適量的水，使其展開懸浮于水中。先用肉眼仔細(xì)觀察其內(nèi)表面、再用放大鏡觀察內(nèi)表面。

最終得出結(jié)論：小腸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非常有利于對(duì)食物消化吸收功能的實(shí)現(xiàn)。

通過這種從功能到結(jié)構(gòu)的逆向推理，對(duì)具有該結(jié)構(gòu)特征器官進(jìn)行科學(xué)猜想[2]，讓學(xué)生明白小腸是消化吸收的主要器官是由其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定的。最后通過對(duì)小腸內(nèi)壁的觀察，驗(yàn)證科學(xué)猜想。因?yàn)榭茖W(xué)假說是對(duì)客觀世界認(rèn)識(shí)或研究時(shí)遇到問題而提出的一種推測(cè)性解釋，這也就決定了科學(xué)假說不等同于真理的原因在于其有著假設(shè)性和或然性，還科學(xué)教學(xué)一個(gè)真實(shí)面目遠(yuǎn)強(qiáng)于知識(shí)的識(shí)記。

2 進(jìn)化與適應(yīng)觀

進(jìn)化與適應(yīng)是自然界存在的普遍現(xiàn)象。所謂進(jìn)化，在科學(xué)中是指種群里的遺傳性狀在世代之間的變化。而所謂適應(yīng)，是指生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理機(jī)能與其賴以生存的一定環(huán)境條件相適合的現(xiàn)象。教學(xué)中，進(jìn)化與適應(yīng)觀應(yīng)貫穿在整個(gè)科學(xué)教學(xué)中，為避免進(jìn)化與適應(yīng)觀成為枯燥的科普式介紹，應(yīng)從環(huán)境迫使個(gè)體調(diào)整到最適狀態(tài)是為適應(yīng)，而適應(yīng)在時(shí)間和空間里積累實(shí)現(xiàn)量變到質(zhì)變是為進(jìn)化這兩個(gè)角度辯證的去預(yù)設(shè)教學(xué)。

例如，在九年級(jí)下冊(cè)第1章第4節(jié)“生物的進(jìn)化”一節(jié)教學(xué)中，首先展示模型(圖1)，隨后呈現(xiàn)問題：生物的進(jìn)化路線是簡(jiǎn)單到復(fù)雜、低等到高等、水生到陸生，為什么被子植物是植物界最高等的植物呢？接著引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課堂分析：在個(gè)體生理結(jié)構(gòu)上被子植物具有比裸子植物和蕨類植物更為發(fā)達(dá)的輸導(dǎo)組織，在個(gè)體生理功能上被子植物具有比裸子植物和蕨類植物對(duì)光能利用的更強(qiáng)的適應(yīng)性。在生殖上配子體大大簡(jiǎn)化，花使花粉的傳播方式更加多樣化、果皮除了保護(hù)種子外還以各種形態(tài)結(jié)構(gòu)促進(jìn)了種子的傳播；在生態(tài)上被子植物適應(yīng)于廣泛的各式各樣的生存條件，是植物界種類最多，分布最廣的。

圖1 植物進(jìn)化模型

花的色澤、擬態(tài)或蜜汁等引誘動(dòng)物實(shí)現(xiàn)其花粉的傳播，以果皮或營養(yǎng)豐富吸引動(dòng)物食用或如蒼耳結(jié)構(gòu)特殊實(shí)現(xiàn)種子的廣泛傳播等，都是從思維的正向角度，以花與果皮所實(shí)現(xiàn)的功能例析被子植物對(duì)環(huán)境的強(qiáng)大適應(yīng)。而生態(tài)分布的角度例析被子植物眾多的種類，則是以思維逆向的過程剖析其廣泛的適應(yīng)性是源于它結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、完善化。

每種生物都是和環(huán)境相適應(yīng)，是不斷地發(fā)展和進(jìn)化著，是一個(gè)統(tǒng)一的有機(jī)體。進(jìn)化則給了生物適應(yīng)的能力,因適應(yīng)而生存的生物則有了繼續(xù)進(jìn)化的機(jī)會(huì)。仍以“生物的進(jìn)化為例，教師可以呈現(xiàn)問題：古代的蕨類植物一路進(jìn)化到裸子植物、被子植物，而苔蘚植物在幾億年的漫長歷史長河中，卻沒有多大的變化，這說明了什么？隨后引導(dǎo)學(xué)生共同進(jìn)行課堂討論：①苔蘚植物在進(jìn)化樹上是一個(gè)盲枝，說明藻類植物到苔蘚植物的進(jìn)化是失敗的，進(jìn)入了進(jìn)化的“死胡同”；②苔蘚植物在進(jìn)化樹上是一個(gè)盲枝，說明藻類植物到苔蘚植物的進(jìn)化是成功的，因?yàn)槠湟圆蛔儜?yīng)萬變，沒有發(fā)生變化卻能適應(yīng)幾億年環(huán)境的瞬息萬變。

矛盾是普遍存在的,是事物內(nèi)部及事物之間既對(duì)立又統(tǒng)一的兩個(gè)方面，關(guān)于藻類植物到苔蘚植物的進(jìn)化是成功還是失敗，看似對(duì)立，實(shí)則是統(tǒng)一的。因?yàn)閺囊陨蟽蓚€(gè)方面可以看到任何一類植物，形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能同生活環(huán)境是相適應(yīng)的、統(tǒng)一的，這也是生物進(jìn)化發(fā)展的基本規(guī)律，生物體得以生存的基本條件。

3 穩(wěn)態(tài)與平衡觀

所謂穩(wěn)態(tài)，是指正常機(jī)體在神經(jīng)系統(tǒng)和體液以及免疫系統(tǒng)的調(diào)控下，使得各個(gè)器官、系統(tǒng)的協(xié)調(diào)活動(dòng)，共同維持內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。而所謂平衡，是指兩種或幾種相反的力或過程之間不產(chǎn)生任何加速度或凈變化的平衡狀態(tài)，傾向于保持穩(wěn)定的情況。

例如，在八年級(jí)下冊(cè)第3章第7節(jié)“自然界中的氧循環(huán)和碳循環(huán)”教學(xué)中，呈現(xiàn)問題：呼吸作用的存在必將不斷消耗氧氣，在教室這個(gè)有限空間里，氧氣含量會(huì)不會(huì)明顯降低？甚至導(dǎo)致我們?nèi)毖酰侩S后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課堂分析：不會(huì)。因?yàn)榻淌彝饷娴难鯕鈺?huì)進(jìn)入教室。由于分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)會(huì)使空氣各組分處于最大的混亂度，從而使教室內(nèi)空氣各組分的含量保持穩(wěn)定。

從簡(jiǎn)單的物理變化著手，在物質(zhì)轉(zhuǎn)移中使學(xué)生初步體驗(yàn)平衡是動(dòng)態(tài)的平衡，在一個(gè)相對(duì)封閉的空間內(nèi)體會(huì)平衡包含著生長與消耗兩個(gè)不斷變化、且能循環(huán)往復(fù)的相互依存的過程。

接著，教師呈現(xiàn)問題：相對(duì)于教室，大氣層是一個(gè)開放的大空間，氧氣又是怎樣保持平衡的呢？進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課堂分析：生物的呼吸作用與燃燒等氧化反應(yīng)會(huì)不斷消耗氧氣，植物的光合作用會(huì)將二氧化碳轉(zhuǎn)化成氧氣。地球總是保持晝夜各半球，所以整個(gè)大氣層的氧氣總量基本保持不變；晝夜兩半球的大氣通過分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)、風(fēng)、大氣環(huán)流等方式，使其轉(zhuǎn)移，保持不同空間氧氣含量相對(duì)的穩(wěn)定，循環(huán)往復(fù)而建立平衡。最后師生共同得出結(jié)論：所謂的大氣組分及含量的穩(wěn)定，是一種相對(duì)的穩(wěn)定。

由物理轉(zhuǎn)移走向化學(xué)轉(zhuǎn)化，由教室這個(gè)相對(duì)封閉的空間走向開放的自然空間，是對(duì)事物認(rèn)知由簡(jiǎn)單走向復(fù)雜的過程。讓學(xué)生明白所謂的大氣層氧氣體積分?jǐn)?shù)約為1/5只是相對(duì)的總量穩(wěn)定，在地球同一時(shí)間的不同區(qū)域，不同時(shí)間的同一區(qū)域，氧氣乃至大氣其他組分都處在動(dòng)態(tài)的變化中。

隨后呈現(xiàn)問題串：①氧元素還有另一游離態(tài)單質(zhì)存在，臭氧。它呈藍(lán)色，有魚腥味，這是物理性質(zhì)。它的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，很不穩(wěn)定，那大氣中臭氧是否會(huì)越來越少？②近年來我們發(fā)現(xiàn)臭氧層變薄、甚至出現(xiàn)空洞。你覺得是什么因素致使氧氣與臭氧之間的平衡遭受到破壞？

從氧氣與臭氧循環(huán)進(jìn)一步讓學(xué)生體驗(yàn)平衡是動(dòng)態(tài)的循環(huán)，其包含著生成與消耗兩個(gè)過程。再從氧元素游離態(tài)在地表不同區(qū)域不同單質(zhì)存在，讓學(xué)生樹立物質(zhì)存在所謂的穩(wěn)定性、活潑性都是相對(duì)的。如果說前兩個(gè)循環(huán)是從生成與消耗正向推導(dǎo)平衡的存在與特性，那么氧氣與臭氧則是從平衡的被打破逆向推演生成與消耗兩個(gè)過程的變化，培養(yǎng)學(xué)生正、逆向線性思維，為復(fù)雜的發(fā)散和整合思維的建立夯實(shí)基礎(chǔ)。

4 物質(zhì)與能量觀

所謂物質(zhì)，是質(zhì)量的空間分布。而所謂能量，是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的量度，簡(jiǎn)稱“能”。世界萬物是不斷運(yùn)動(dòng)的，在物質(zhì)的一切屬性中，運(yùn)動(dòng)是最基本的屬性，其他屬性都是運(yùn)動(dòng)的具體表現(xiàn)。能量是表征物理系統(tǒng)做功的本領(lǐng)的量度。

教學(xué)中，要引導(dǎo)學(xué)生明確物質(zhì)與能量觀不僅僅是物理學(xué)研究的領(lǐng)域，也是生物學(xué)的基本思想。

例如，在八年級(jí)下冊(cè)第4章第2節(jié)“植物的根與物質(zhì)吸收”一節(jié)教學(xué)中，呈現(xiàn)問題串：①土壤對(duì)于植物而言，僅僅只是提供生命所需的各類物質(zhì)嗎？②離離原上草，一歲一枯榮。一歲一枯榮指的是地上部分在蕭瑟的秋天枯萎了，來年春暖時(shí)重新萌發(fā)，地上再度繁茂。為什么地上枯萎，來年還會(huì)再度萌發(fā)？③野火燒不盡，春風(fēng)吹又生。野火燒了地上部分，但是地下部分依然存活，來年環(huán)境適宜，再度萌發(fā)。土壤對(duì)于植物而言，僅僅只是提供生命所需的物質(zhì)與能量嗎？

土壤系統(tǒng)具有一定的調(diào)節(jié)能力，對(duì)外界的刺激具有緩沖作用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)相對(duì)的穩(wěn)定，該能力實(shí)現(xiàn)了植物地下部分的生存。可見，土壤對(duì)于植物的意義不僅僅只是提供了化學(xué)物質(zhì)，其構(gòu)成的物理性狀也是植物生存所必須的。

教學(xué)是教師與學(xué)生雙主體間的互動(dòng)作用。教學(xué)中，教師應(yīng)從關(guān)注知識(shí)到關(guān)注素養(yǎng)，真正內(nèi)化核心素養(yǎng)理念并指導(dǎo)教學(xué)，在夯實(shí)科學(xué)概念性知識(shí)的基礎(chǔ)上形成生命觀念，并能夠用生命觀念認(rèn)識(shí)生命世界、解釋生命現(xiàn)象，乃至生命與環(huán)境辯證的存在，全面發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。