[论文解读] A Vision of Interdisciplinary Education: Students' Reasoning about "High-Energy Bonds" and ATP

Benjamin W. Dreyfus, Vashti Sawtelle+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2014

Interdisciplinary Research and Collaboration参考文献 48被引用 13

一句话总结

本研究探讨了生物学与物理学教育如何通过学生对ATP和“高能键”的推理实现整合，揭示了学习者通过情境依赖的建模选择来调和学科间的明显矛盾。其主要贡献在于提出了一种跨学科推理（IDR）框架，使学生在保持学科完整性的同时，建立起跨领域的连贯理解。

ABSTRACT

As interdisciplinary courses are developed, instructors and researchers have to grapple with questions of how students should make connections across disciplines. We explore the issue of interdisciplinary reconciliation (IDR): how students reconcile seemingly contradictory ideas from different disciplines. While IDR has elements in common with other frameworks for the reconciliation of ideas across contexts, it differs in that each disciplinary idea is considered canonically correct within its own discipline. The setting for the research is an introductory physics course for biology majors that seeks to build greater interdisciplinary coherence and therefore includes biologically relevant topics such as ATP and chemical bond energy. In our case-study data, students grapple with the apparent contradiction between the energy released when the phosphate bond in ATP is broken and the idea that an energy input is required to break a bond. We see students justifying context-dependent modeling choices, showing nuance in articulating how system choices may be related to disciplinary problems of interest. This represents a desired endpoint of IDR, in which students can build coherent connections between concepts from different disciplines while understanding each concept in its own disciplinary context. Our case study also illustrates elements of the instructional environment that play roles in the process of IDR.

研究动机与目标

• 探讨学生如何调和不同学科中相互冲突的科学观念，特别是关于ATP和键能的问题。
• 研究学科背景如何影响学生对生化过程中能量变化的推理。
• 开发一种支持物理与生物学科间连贯学习的跨学科调和框架（IDR）。
• 识别支持学生做出细致、情境敏感建模决策的教学条件。
• 理解学生在ATP语境下如何应对ATP键断裂释放能量与断裂化学键需要能量之间的明显矛盾。

提出的方法

• 在一门为生物专业本科生设计的入门物理课程中开展案例研究，整合ATP等生物学相关主题。
• 通过访谈和课堂观察收集并分析学生关于ATP和键能的推理数据。
• 运用跨学科调和（IDR）框架，分析学生如何调和物理学观点（键断裂需要能量）与生物学观点（ATP水解释放能量）之间的矛盾。
• 追踪学生的系统边界选择和建模决策，评估其与学科目标的一致性。
• 采用定性分析方法，识别学生在不同情境下对其建模选择进行辩护的模式。
• 以“高能键”概念为重点，探索学科间的调和过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 当学生面对键断裂需要能量与ATP水解释放能量之间的明显矛盾时，他们如何推理ATP水解相关的能量变化？
• RQ2 学生在从物理与生物视角解释ATP能量变化时，如何做出情境依赖的建模选择？
• RQ3 学科规范与目标如何影响学生对化学键中能量及ATP反应中能量的理解？
• RQ4 哪些教学特征有助于或阻碍学生调和不同学科中看似矛盾的科学观念？
• RQ5 在ATP语境下，学生在构建物理与生物学科联系时，在多大程度上保持了学科完整性？

主要发现

• 学生通过关注系统边界和情境特定建模，成功调和了键断裂需能量与ATP水解释放能量之间的明显矛盾。
• 学习者通过区分热力学自发性（生物学语境）与键解离能（物理语境）展现出细致的推理能力。
• 学生基于学科相关性为其建模选择提供辩护，表明他们能够在保持各学科内部概念连贯性的同时，实现跨学科的观念连接。
• 教学环境，特别是将生物学相关内容融入物理课程的做法，在促进跨学科推理方面发挥了关键作用。
• 研究发现，学生的推理并非简单地混合不同学科的观点，而是有意识地、情境敏感地应用学科规范。
• 跨学科调和（IDR）框架被验证为一种可行模型，可有效支持学生在科学领域间建立连贯且具备学科意识的联系。