高中生物課程內(nèi)容建構及“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境” 模塊的分析.doc

1高中生物課程內(nèi)容建構及“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的分析作者：余自強摘要普通高中生物課程標準（實驗）在各個模塊構建了新的知識結構體系，“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的知識結構體系是根據(jù)系統(tǒng)生物學的思想構建的。這個體系以“系統(tǒng)”為核心概念，以“穩(wěn)態(tài)”、“環(huán)境”和“調(diào)節(jié)”三個科學通用概念把生物個體和系統(tǒng)水平的要素、行為、穩(wěn)定和發(fā)展等問題統(tǒng)一起來，以系統(tǒng)分析及模型和數(shù)學方法等作為主要方法，具有科學性和合理性。關鍵詞高中生物課程“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊知識結構科學方法普通高中生物課程標準（實驗）（以下簡稱為標準）在課程結構上發(fā)生了比較大的變化，其中包括設置了“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”這個必修模塊。對這種新穎的設計，有許多教師不理解，也有一些教師從科學性和合理性方面提出了質(zhì)疑。本文謹就此開展一些討論。一、生物課程內(nèi)容結構體系的建構1959年，布魯納（JeromeS.Bruner）在教育過程中提出了他的結構主義課程的思想。他主張：“不論我們選教什么學科，務必使學生理解該學科的基本結構，學習結構就是學習事物是怎樣相互關聯(lián)的”。自此以后，課程內(nèi)容要結構化，成為課程專家的普遍追求。（一）生物課程內(nèi)容結構體系改革的必要性傳統(tǒng)的高中生物課程以生命的基本特征來組織內(nèi)容，這也是傳統(tǒng)的普通生物學的學科結構。但是，我們現(xiàn)在必須考慮兩個問題。一是現(xiàn)代課程論認為課程體系要反映學科體系，但不等同于學科體系。它除了考慮學科體系外，還要考慮學生的認知發(fā)展和社會需求。生物學科的內(nèi)容包括由事實、概念、原理和規(guī)律組成的理論體系，及其隱含的學科思想和方法。因此，生物課程的內(nèi)容既可以根據(jù)知識理論體系建構，也可以根據(jù)學科思想和方法建構，二者各有其合理性。二是20世紀后半期發(fā)生的“生物學革命”，使生物學的“范式”發(fā)生了改變。庫恩（T.S.Kuhn）在科學革命的結構一書中說：“科學革命以后，教科書和它們提出的歷史傳統(tǒng)必須重寫”。例如，已故陳閱增先生主編的普通生物學，就打破了傳統(tǒng)的普通生物學學科體系，根據(jù)當代生命科學從微觀到宏觀的發(fā)展，“按生命的主要結構層次，從低層到高層安排。”1（二）構建生物課程內(nèi)容結構體系的思路課程內(nèi)容結構體系構建的依據(jù)，是課程內(nèi)容之間的邏輯關系和心理學方面的關系。邏輯關系指學科知識之間內(nèi)在的聯(lián)系，心理學方面的關系指按照編者所理解的學生認識發(fā)展，把課程內(nèi)容加以組織的關系。對科學課程而言，一般的傾向是在高年級采取邏輯結構的體系，在低年級以心理學結構的體系為主。我國的課程向來關注知識體系，因此構建高中生物課程的思路，按我國的國情只能取前者。按邏輯關系構建課程體系，又可以有不同的方法，例如：（1）可以按形式邏輯的方法，2確定若干科學事實或概念作為邏輯起點，通過演繹推理構建一個公理化的體系。這種方法在物理、化學中用得較多，對生物課程，標準首次將概念列入了課程目標，標準中“遺傳與進化”模塊的內(nèi)容，也主要以類似的方法構建。但由于生命系統(tǒng)的復雜性和生命現(xiàn)象的不確定性，以形式邏輯構建知識體系只能適用于生物科學的少數(shù)領域。（2）進化論無疑是生命科學中最大的一個統(tǒng)一理論，研究生物進化的機制不僅要追溯漫長的生命歷史，覆蓋各種生物進化現(xiàn)象，并與生命起源承接，還要能對現(xiàn)今全部的生命現(xiàn)象給出說明。我國在20世紀50年代，曾在普通高中開設“達爾文主義基礎”課程，希圖以進化論為框架構建生物課程體系。但由于進化論遠未成熟，結果使生物課程受哲學的支配而走上非科學的道路。（3）當代生物學的發(fā)展，形成了系統(tǒng)生物學（SystemsBiology）。對生命的本質(zhì)，生物學界長期存在活力論和還原論之爭。20世紀30年代后，科學界對生命的本質(zhì)提出了新的認識，就是機體系統(tǒng)論。1952年，美籍奧地利生物學家、系統(tǒng)論創(chuàng)始人貝塔朗菲（L.V.Bartalanffy）出版了英文版的生命問題現(xiàn)代生物學思想評價，提出了機體系統(tǒng)論的基本原理：整體原理（組織原理）、動態(tài)原理、自主原理。這些原理表明：生物有機體是一個獨特的組織系統(tǒng)，其個別部分和個別事件受整體條件的制約，遵循系統(tǒng)規(guī)律；生命有機體結構產(chǎn)生于連續(xù)流動的過程，具有調(diào)整和適應能力；生命有機體是一個具有自主活動能力的系統(tǒng)2。1968年，貝塔朗菲又在此書的基礎上，進一步寫成一般系統(tǒng)論基礎、發(fā)展、應用，創(chuàng)立了系統(tǒng)論，生物學也由此發(fā)展出“系統(tǒng)生物學”。系統(tǒng)生物學的一個重要方面，就是利用系統(tǒng)概念、系統(tǒng)思想和系統(tǒng)方法來理解生物學知識，重新整合原有的生物科學知識體系。這已成為“生物學革命”的內(nèi)容之一，國際上稱為“利用系統(tǒng)方法進行生物學革命”?！胺€(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的知識結構就是以系統(tǒng)生物學的思想構建的。二、“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的知識結構（一）關于穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)和環(huán)境穩(wěn)態(tài)的概念最初來自生理學。生理學把維持內(nèi)環(huán)境理化性質(zhì)相對恒定的狀態(tài)叫做穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)是一種復雜的、由體內(nèi)各種調(diào)節(jié)機制所維持的動態(tài)平衡：一方面是代謝過程使內(nèi)環(huán)境理化性質(zhì)的相對恒定遭到破壞，另一方面是通過調(diào)節(jié)使平衡恢復。整個機體的生命活動正是在穩(wěn)態(tài)不斷受到破壞而又同時得到恢復的過程中得以維持和進行。后來，穩(wěn)態(tài)的概念逐步擴展，它不僅被用來說明內(nèi)環(huán)境理化特性的動態(tài)平衡，而且人們發(fā)現(xiàn)細胞、群落和生態(tài)系統(tǒng)在沒有受到激烈的外界環(huán)境因素影響時，也都處于類似的狀態(tài)，都可以用穩(wěn)態(tài)這個概念來說明它們相對穩(wěn)定狀態(tài)的維持和調(diào)節(jié)。穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的概念原來也來自個體水平的生理學，例如哺乳動物體內(nèi)的溫度、滲透壓、pH以及各種電解質(zhì)和營養(yǎng)物的濃度都保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，這是在其自身神經(jīng)體液系統(tǒng)調(diào)節(jié)下，隨時進行反饋調(diào)節(jié)而實現(xiàn)的。生態(tài)系統(tǒng)雖然沒有與此類似的調(diào)節(jié)機制，但也具有一定的抵御環(huán)境壓力保持平衡狀態(tài)的能力。特別是成熟的生態(tài)系統(tǒng)，每年的能量收支大致相等，營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)近于“封閉式”，流失極少，系統(tǒng)能相當長久地保持一定的外觀和結構，這些都是穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的結果。（二）“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊概念體系的建立科學不同于常識的特點，首先在于任何一門科學，都是一個相對完整的理論體系，都是一個知識系統(tǒng)。從一般形式上看，都是由科學事實、基本概念、特定方法、相應理論以及應3用范例等所構成的。以生命的基本特征為框架來整理和概括生物科學事實，雖然具有容易被理解的優(yōu)點，而且從科學發(fā)展過程來看，分門別類地劃分和組織材料，確實是一切科學的一項必不可少的任務，但是科學事實本身和若干科學事實的簡單堆砌畢竟還不等于科學。事實只有在以系統(tǒng)的概括的形式表現(xiàn)出來，并且作為概念和規(guī)律的根據(jù)和驗證時，才能夠變成科學知識的組成部分。以這樣的觀點來看標準中“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的內(nèi)容，“3.1植物的激素調(diào)節(jié)”和“3.2動物生命活動的調(diào)節(jié)”兩個單元，提供的是經(jīng)過整理的科學事實，它們是建立科學理論的基礎和前提。在后續(xù)單元中，“說明穩(wěn)態(tài)的生理意義”和“闡明生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”等知識點，提出了“穩(wěn)態(tài)”的概念；“舉例說明神經(jīng)、體液調(diào)節(jié)在維持穩(wěn)態(tài)中的作用”、“概述人體免疫系統(tǒng)在維持穩(wěn)態(tài)中的作用”、“舉例說出生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞”等知識點，提出了“調(diào)節(jié)”和“環(huán)境”的概念。科學概念是由大量科學事實和經(jīng)驗材料經(jīng)過理性加工和提煉而形成的，科學概念一旦獲得，就會使人們的認識發(fā)生飛躍，使已有的知識系統(tǒng)化、理論化。然而，概念雖然重要，但僅有概念還不能形成科學理論，概念只是理論的邏輯起點。在穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)和環(huán)境概念的后面，還有一個更核心的概念，就是“系統(tǒng)”。因為穩(wěn)態(tài)是系統(tǒng)的狀態(tài)，調(diào)節(jié)是系統(tǒng)的行為，環(huán)境是系統(tǒng)的存在。這樣，“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊就以“系統(tǒng)”這個本體論概念作為核心概念，以“穩(wěn)態(tài)”、“環(huán)境”和“調(diào)節(jié)”三個科學通用概念把生物個體水平和生態(tài)系統(tǒng)水平的要素、行為、穩(wěn)定和發(fā)展等問題統(tǒng)一起來，并以“描述體溫調(diào)節(jié)、水鹽調(diào)節(jié)、血糖調(diào)節(jié)”、“描述群落的結構特征”、“闡明群落的演替”、“討論某一生態(tài)系統(tǒng)的結構”等作為這個理論體系的應用范例。需要明確的是，這個概念體系是隱性而不是顯性的，是運用系統(tǒng)生物學的思想建立的。教材如何編寫，教學如何進行，則需按具體情況而定。三、“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的科學方法一個科學的理論體系，除了科學事實、基本概念、相應理論和應用范例外，還有一個重要方面是特定方法?！胺€(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的科學方法，主要是系統(tǒng)分析方法以及以模型和數(shù)學方法為主的邏輯方法。（一）系統(tǒng)分析的思想和方法標準在“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的前言中指出：“本模塊選取有關生命活動的調(diào)節(jié)與穩(wěn)態(tài)的知識、生物與環(huán)境的知識，有助于學生理解生命運動的本質(zhì)，了解系統(tǒng)分析的思想和方法，提高對生命系統(tǒng)與環(huán)境關系的認識”3，這就明確提出了對“系統(tǒng)分析的思想和方法”的要求。現(xiàn)代生物學的分析性研究已深入到分子、量子水平，但為了揭示生命運動的奧秘，還必須從生命系統(tǒng)的各個組成部分的聯(lián)系和相互作用中，從它們和外界環(huán)境的相互聯(lián)系和相互作用中來了解整體，這就需要進行系統(tǒng)分析。系統(tǒng)分析能力是一種非常重要的綜合實踐能力。例如，植樹造林是中央的號召，但西北一些地區(qū)年降水量很小，蒸發(fā)量很大，其地下水主要來自地表下的滲透作用（如熔化的雪水）。在這些地區(qū)植樹，地下水會因樹木的蒸騰作用而過量散失，導致水位下降甚至枯竭。于是近年來中央指示那些地區(qū)要種草。然而，在我國的中、東部地區(qū)，卻出現(xiàn)了砍樹種草的熱潮。殊不知在高溫多雨地區(qū)，樹的生態(tài)效益要遠遠超過草。結果，一些城市政府部門又不得不規(guī)定綠化至少要有多少比例的喬木和灌木。導致這些失誤的原因就在于缺乏系統(tǒng)分析的思想。現(xiàn)代系統(tǒng)分析包括定性分析和定量分析，定量分析是基于數(shù)學工具進行的，高中生物學教育一般只能做定性分析，如同美國國家科學教育標準所要求的“學會從系統(tǒng)的角度思考和分析問題”。具體說，就是運用系統(tǒng)的概念和系統(tǒng)分析的思想，一方面對生命系統(tǒng)的要4素、結構、邊界、環(huán)境、性能等系統(tǒng)的基本特征作分析，另一方面對系統(tǒng)的狀態(tài)及其調(diào)控作分析。以生態(tài)系統(tǒng)為例，其要素指組成成分，即生產(chǎn)者、消費者、分解者等生物成分和非生物的物質(zhì)和能量；結構包括時空結構和營養(yǎng)結構（食物鏈和食物網(wǎng)）；邊界指系統(tǒng)的范圍，生態(tài)系統(tǒng)是模糊集合，其邊界是一個模糊概念，根據(jù)研究的需要劃定；環(huán)境指一個生態(tài)系統(tǒng)的外部環(huán)境條件，系統(tǒng)與環(huán)境之間具有物質(zhì)、能量和信息的交流，二者相互聯(lián)系、相互影響，并共同組成一個更大的系統(tǒng)；性能指系統(tǒng)整體的特性和功能，系統(tǒng)的整體特性表現(xiàn)為該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的區(qū)別，系統(tǒng)的功能則反映了系統(tǒng)與外部環(huán)境相互作用的程度，或系統(tǒng)獲取輸入、予以變換而產(chǎn)生輸出的能力。以上這些方面構成了一個生態(tài)系統(tǒng)的基本特征。至于系統(tǒng)的狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)都是開放系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)就是生態(tài)平衡狀態(tài)。每個生態(tài)系統(tǒng)都具有一定的自動調(diào)節(jié)能力，在不斷變化的環(huán)境條件下，依靠自我調(diào)節(jié)機制維持其穩(wěn)態(tài)，實現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的相對穩(wěn)定。生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的另一個重要指標是它的生產(chǎn)量，包括輸入、輸出、凈生產(chǎn)量和效率。類似的分析在個體水平和群體水平均可進行?！胺€(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊中的“描述群落的結構特征”、“討論某一生態(tài)系統(tǒng)的結構”、“闡明群落的演替”、“分析生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動的基本規(guī)律及其應用”、“闡明生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”、“探討人口增長對生態(tài)環(huán)境的影響”、“關注全球性環(huán)境問題”等知識點，以及“利用計算機輔助教學軟件模擬人體某方面穩(wěn)態(tài)的維持”、“調(diào)查當?shù)刈匀蝗郝渲腥舾煞N生物的生態(tài)位”、“調(diào)查或探討一個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動”、“調(diào)查當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境中的主要問題，提出保護建議或行動計劃”等活動建議，都需要滲透和利用系統(tǒng)分析的思想和方法進行教學。（二）數(shù)學和模型方法的運用20世紀30年代，貝塔朗菲在提出機體系統(tǒng)論概念的同時，主張用數(shù)學和模型方法研究生命現(xiàn)象。1、模型方法標準依據(jù)國際科學教育的發(fā)展，將模型和模型方法列入了課程目標。所謂“模型”，是指模擬原型（所要研究的系統(tǒng)的結構形態(tài)或運動形態(tài)）的形式。它不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本質(zhì)特征4。模型方法是以研究模型來揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，是邏輯方法的一種特有形式。模型一般可分為物理模型和數(shù)學模型兩大類，通常說的模型即指物理模型。物理模型可以模擬客觀事物的某些功能和性質(zhì)，它包括物質(zhì)模型和思想模型兩類。在高中生物課程中經(jīng)常使用的物質(zhì)模型有實物模型如生物體結構的模式標本，模擬模型如細胞結構模型、各種組織器官的立體結構模型等。思想模型是物質(zhì)模型在思維中的引伸，根據(jù)構建模型的思想方法的不同，又可以分為兩類：一類是以形象化方法（或稱為意象思維方法）構建的具象模型，它是人們在思維中通過對生物原型的簡化和純化而構思出來的。具象模型具有一定的形態(tài)結構特征，如DNA分子雙螺旋結構模型、生物膜液態(tài)鑲嵌模型等。它能使研究對象直觀化，既可以促進研究，又可以簡略描述研究成果，使之便于理解和傳播。另一類是以理想化方法（或稱抽象思維方法）構建的模型，是人們抽象出生物原型某些方面的本質(zhì)屬性而構思出來的，例如呼吸作用過程圖解、光合作用過程圖解等過程理想模型，食物鏈和食物網(wǎng)等系統(tǒng)理想模型。這類模型使研究對象簡化，在科學研究中用于計算推導，引伸觀察和實驗的結論等方面。在現(xiàn)代生物科學研究中，模型方法被廣泛運用，DNA雙螺旋結構模型的成功就是一個范例。在生物科學學習中，模型提供觀念和印象。認知心理學認為，人的知識經(jīng)驗既包括概念系統(tǒng)，又包括表象。前者有概念、原理、規(guī)律、理論，后者的成分包含觀念和印象。當代不少學者都主張把表象看作是一種符號要素，與語言等其他符號要素一樣具有抽象、概括、組合和再組合的功能，因而能構成思維的操作。所以模型提供的觀念和印象，不僅是學生進一步獲取系統(tǒng)知識的條件，而且是學生認知結構的重要組成部分。正因為如此，美國國家5科學教育標準把模型和科學事實、概念、原理、理論并列為科學主題的重點，并將構建、修改、分析、評價模型作為高中學生的基本科學探究能力?！胺€(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊中有兩個活動建議：“探究水族箱（或魚缸）中群落的演替”和“設計并制作生態(tài)瓶”，都是運用模型的探究。例如，“設計并制作生態(tài)瓶”制作的是一個活體實物模型，運用這個模型進行的是對生態(tài)系統(tǒng)運行的模擬實驗。在科學研究中，有時受客觀條件的限制，不能對某些自然現(xiàn)象進行直接實驗，這時就要人為地創(chuàng)造一定的條件和因素，在模擬的條件下進行實驗。利用活體實物模型進行的模擬實驗，在生命科學研究中被廣泛應用，但具有一定的復雜性。因為變量較多，而且變量之間的關系，除因果決定性因素外，還存在許多非因果決定性的因素，所以需要作系統(tǒng)分析。就本案例來說，一方面需要對生態(tài)瓶的組成成分、結構、環(huán)境、性能等作分析，另一方面需要對系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)流動狀態(tài)及其調(diào)控作分析。這對學生深入理解生態(tài)系統(tǒng)的結構、生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動的基本規(guī)律及其應用、生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等等，無疑具有重要的教育價值。但也正因為生命系統(tǒng)的復雜，所以活體生物模型與實際事物相比，存在較大差異。這是需要向?qū)W生講清楚的。2、數(shù)學方法數(shù)學方法指運用數(shù)學語言表述事物的狀態(tài)、關系和過程，并加以推導、演算和分析，以形成對問題的解釋、判斷和預測的方法。目前，數(shù)學在生物學、醫(yī)學等領域正起著越來越重要的作用，甚至醫(yī)生做手術之前都可以先進行數(shù)學模擬以預知各種方案可能出現(xiàn)的后果，再依據(jù)個人的經(jīng)驗來選擇手術方案。數(shù)學方法在科學教育中的價值更是不言而喻，標準對數(shù)學方法的使用，包括以下4個方面。（1）定義概念。概念有具體概念和抽象概念之分，具體概念指能通過直接觀察獲得的概念，即實物概念，例如細胞、組織等結構概念，呼吸、遺傳等生理活動概念；抽象概念不能通過觀察習得，只能通過下定義才能習得，例如呼吸作用、新陳代謝等概念。在抽象概念中，有一類是用數(shù)學式來定義的。這類定量的概念以數(shù)學方法揭示事物的本質(zhì)及其發(fā)展變化規(guī)律，為研究工作提供一種簡明精確的形式語言，具有重要的科學認識論價值和方法論價值。“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊沒有明確要求用數(shù)學式定義概念，但“列舉種群的特征”這個知識點，如果涉及種群密度，年齡結構和性別結構，出生率和死亡率等，那就是用數(shù)學式定義的概念。（2）對生命現(xiàn)象的空間關系和數(shù)量關系進行描述、分析和計算。例如以條形圖、曲線圖、統(tǒng)計地圖等來表現(xiàn)某一生命現(xiàn)象的統(tǒng)計數(shù)字大小及其變化，這在生物課程中已廣泛應用。（3）統(tǒng)計方法的運用。統(tǒng)計是研究隨機現(xiàn)象的統(tǒng)計規(guī)律性的方法。統(tǒng)計性規(guī)律在生物界廣泛存在，主要包括兩類。一類是大數(shù)過程的規(guī)律性，即大量隨機事件所組成的系統(tǒng)的規(guī)律性，如遺傳性狀傳遞過程中的規(guī)律。這類問題可用描述統(tǒng)計方法解決。另一類是某些生命系統(tǒng)行為的規(guī)律性，例如生態(tài)系統(tǒng)中某種群數(shù)量的變化及其生滅過程、生物個體生態(tài)壽命的預期分析等，它們是不同條件下生命系統(tǒng)某種行為潛在可能性的數(shù)量估計，