1高中生物課程內容建構及“穩態與環境”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，“穩態與環境”模塊的知識結構體系是根據系統生物學的思想構建的。這個體系以“系統”為核心概念，以“穩態”、“環境”和“調節”三個科學通用概念把生物個體和系統水平的要素、行為、穩定和發展等問題統一起來，以系統分析及模型和數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“穩態與環境”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）在課程結構上發生了比較大的變化，其中包括設置了“穩態與環境”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疑。本文謹就此開展一些討論。一、生物課程內容結構體系的建構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的”。自此以后，課程內容要結構化，成為課程專家的普遍追求。（一）生物課程內容結構體系改革的必要性傳統的高中生物課程以生命的基本特征來組織內容，這也是傳統的普通生物學的學科結構。但是，我們現在必須考慮兩個問題。一是現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展和社會需求。生物學科的內容包括由事實、概念、原理和規律組成的理論體系，及其隱含的學科思想和方法。因此，生物課程的內容既可以根據知識理論體系建構，也可以根據學科思想和方法建構，二者各有其合理性。二是20世紀后半期發生的“生物學革命”，使生物學的“范式”發生了改變。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，就打破了傳統的普通生物學學科體系，根據當代生命科學從微觀到宏觀的發展，“按生命的主要結構層次，從低層到高層安排。”1（二）構建生物課程內容結構體系的思路課程內容結構體系構建的依據，是課程內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在的聯系，心理學方面的關系指按照編者所理解的學生認識發展，把課程內容加以組織的關系。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”模塊的內容，也主要以類似的方法構建。但由于生命系統的復雜性和生命現象的不確定性，以形式邏輯構建知識體系只能適用于生物科學的少數領域。（2）進化論無疑是生命科學中最大的一個統一理論，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象，并與生命起源承接，還要能對現今全部的生命現象給出說明。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）當代生物學的發展，形成了系統生物學（SystemsBiology）。對生命的本質，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提出了新的認識，就是機體系統論。1952年，美籍奧地利生物學家、系統論創始人貝塔朗菲（L.V.Bartalanffy）出版了英文版的生命問題現代生物學思想評價，提出了機體系統論的基本原理：整體原理（組織原理）、動態原理、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，其個別部分和個別事件受整體條件的制約，遵循系統規律；生命有機體結構產生于連續流動的過程，具有調整和適應能力；生命有機體是一個具有自主活動能力的系統2。1968年，貝塔朗菲又在此書的基礎上，進一步寫成一般系統論基礎、發展、應用，創立了系統論，生物學也由此發展出“系統生物學”。系統生物學的一個重要方面，就是利用系統概念、系統思想和系統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”的內容之一，國際上稱為“利用系統方法進行生物學革命”。“穩態與環境”模塊的知識結構就是以系統生物學的思想構建的。二、“穩態與環境”模塊的知識結構（一）關于穩態、調節和環境穩態的概念最初來自生理學。生理學把維持內環境理化性質相對恒定的狀態叫做穩態。穩態是一種復雜的、由體內各種調節機制所維持的動態平衡：一方面是代謝過程使內環境理化性質的相對恒定遭到破壞，另一方面是通過調節使平衡恢復。整個機體的生命活動正是在穩態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，穩態的概念逐步擴展，它不僅被用來說明內環境理化特性的動態平衡，而且人們發現細胞、群落和生態系統在沒有受到激烈的外界環境因素影響時，也都處于類似的狀態，都可以用穩態這個概念來說明它們相對穩定狀態的維持和調節。穩態調節的概念原來也來自個體水平的生理學，例如哺乳動物體內的溫度、滲透壓、pH以及各種電解質和營養物的濃度都保持在一個穩定的范圍內，這是在其自身神經體液系統調節下，隨時進行反饋調節而實現的。生態系統雖然沒有與此類似的調節機制，但也具有一定的抵御環境壓力保持平衡狀態的能力。特別是成熟的生態系統，每年的能量收支大致相等，營養物質循環近于“封閉式”，流失極少，系統能相當長久地保持一定的外觀和結構，這些都是穩態調節的結果。（二）“穩態與環境”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。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點，而且從科學發展過程來看，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。事實只有在以系統的概括的形式表現出來，并且作為概念和規律的根據和驗證時，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“穩態與環境”模塊的內容，“3.1植物的激素調節”和“3.2動物生命活動的調節”兩個單元，提供的是經過整理的科學事實，它們是建立科學理論的基礎和前提。在后續單元中，“說明穩態的生理意義”和“闡明生態系統的穩定性”等知識點，提出了“穩態”的概念；“舉例說明神經、體液調節在維持穩態中的作用”、“概述人體免疫系統在維持穩態中的作用”、“舉例說出生態系統中的信息傳遞”等知識點，提出了“調節”和“環境”的概念。科學概念是由大量科學事實和經驗材料經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生飛躍，使已有的知識系統化、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。在穩態、調節和環境概念的后面，還有一個更核心的概念，就是“系統”。因為穩態是系統的狀態，調節是系統的行為，環境是系統的存在。這樣，“穩態與環境”模塊就以“系統”這個本體論概念作為核心概念，以“穩態”、“環境”和“調節”三個科學通用概念把生物個體水平和生態系統水平的要素、行為、穩定和發展等問題統一起來，并以“描述體溫調節、水鹽調節、血糖調節”、“描述群落的結構特征”、“闡明群落的演替”、“討論某一生態系統的結構”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、“穩態與環境”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。“穩態與環境”模塊的科學方法，主要是系統分析方法以及以模型和數學方法為主的邏輯方法。（一）系統分析的思想和方法標準在“穩態與環境”模塊的前言中指出：“本模塊選取有關生命活動的調節與穩態的知識、生物與環境的知識，有助于學生理解生命運動的本質，了解系統分析的思想和方法，提高對生命系統與環境關系的認識”3，這就明確提出了對“系統分析的思想和方法”的要求。現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，還必須從生命系統的各個組成部分的聯系和相互作用中，從它們和外界環境的相互聯系和相互作用中來了解整體，這就需要進行系統分析。系統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，但西北一些地區年降水量很小，蒸發量很大，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要種草。然而，在我國的中、東部地區，卻出現了砍樹種草的熱潮。殊不知在高溫多雨地區，樹的生態效益要遠遠超過草。結果，一些城市政府部門又不得不規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分析的思想。現代系統分析包括定性分析和定量分析，定量分析是基于數學工具進行的，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“學會從系統的角度思考和分析問題”。具體說，就是運用系統的概念和系統分析的思想，一方面對生命系統的要4素、結構、邊界、環境、性能等系統的基本特征作分析，另一方面對系統的狀態及其調控作分析。以生態系統為例，其要素指組成成分，即生產者、消費者、分解者等生物成分和非生物的物質和能量；結構包括時空結構和營養結構（食物鏈和食物網）；邊界指系統的范圍，生態系統是模糊集合，其邊界是一個模糊概念，根據研究的需要劃定；環境指一個生態系統的外部環境條件，系統與環境之間具有物質、能量和信息的交流，二者相互聯系、相互影響，并共同組成一個更大的系統；性能指系統整體的特性和功能，系統的整體特性表現為該系統與其他系統的區別，系統的功能則反映了系統與外部環境相互作用的程度，或系統獲取輸入、予以變換而產生輸出的能力。以上這些方面構成了一個生態系統的基本特征。至于系統的狀態，生態系統都是開放系統，系統的穩態就是生態平衡狀態。每個生態系統都具有一定的自動調節能力，在不斷變化的環境條件下，依靠自我調節機制維持其穩態，實現物質循環和能量流動的相對穩定。生態系統狀態的另一個重要指標是它的生產量，包括輸入、輸出、凈生產量和效率。類似的分析在個體水平和群體水平均可進行。“穩態與環境”模塊中的“描述群落的結構特征”、“討論某一生態系統的結構”、“闡明群落的演替”、“分析生態系統中的物質循環和能量流動的基本規律及其應用”、“闡明生態系統的穩定性”、“探討人口增長對生態環境的影響”、“關注全球性環境問題”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態的維持”、“調查當地自然群落中若干種生物的生態位”、“調查或探討一個農業生態系統中的能量流動”、“調查當地生態環境中的主要問題，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分析的思想和方法進行教學。（二）數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論概念的同時，主張用數學和模型方法研究生命現象。1、模型方法標準依據國際科學教育的發展，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（所要研究的系統的結構形態或運動形態）的形式。它不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本質特征4。模型方法是以研究模型來揭示原型的形態、特征和本質的方法，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，它包括物質模型和思想模型兩類。在高中生物課程中經常使用的物質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。思想模型是物質模型在思維中的引伸，根據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結構特征，如DNA分子雙螺旋結構模型、生物膜液態鑲嵌模型等。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，食物鏈和食物網等系統理想模型。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，人的知識經驗既包括概念系統，又包括表象。前者有概念、原理、規律、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。“穩態與環境”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“設計并制作生態瓶”，都是運用模型的探究。例如，“設計并制作生態瓶”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系統運行的模擬實驗。在科學研究中，有時受客觀條件的限制，不能對某些自然現象進行直接實驗，這時就要人為地創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，所以需要作系統分析。就本案例來說，一方面需要對生態瓶的組成成分、結構、環境、性能等作分析，另一方面需要對系統的能量轉換和物質流動狀態及其調控作分析。這對學生深入理解生態系統的結構、生態系統中的物質循環和能量流動的基本規律及其應用、生態系統中的信息傳遞、生態系統的穩定性等等，無疑具有重要的教育價值。但也正因為生命系統的復雜，所以活體生物模型與實際事物相比，存在較大差異。這是需要向學生講清楚的。2、數學方法數學方法指運用數學語言表述事物的狀態、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，數學在生物學、醫學等領域正起著越來越重要的作用，甚至醫生做手術之前都可以先進行數學模擬以預知各種方案可能出現的后果，再依據個人的經驗來選擇手術方案。數學方法在科學教育中的價值更是不言而喻，標準對數學方法的使用，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，有一類是用數學式來定義的。這類定量的概念以數學方法揭示事物的本質及其發展變化規律，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。“穩態與環境”模塊沒有明確要求用數學式定義概念，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，那就是用數學式定義的概念。（2）對生命現象的空間關系和數量關系進行描述、分析和計算。例如以條形圖、曲線圖、統計地圖等來表現某一生命現象的統計數字大小及其變化，這在生物課程中已廣泛應用。（3）統計方法的運用。統計是研究隨機現象的統計規律性的方法。統計性規律在生物界廣泛存在，主要包括兩類。一類是大數過程的規律性，即大量隨機事件所組成的系統的規律性，如遺傳性狀傳遞過程中的規律。這類問題可用描述統計方法解決。另一類是某些生命系統行為的規律性，例如生態系統中某種群數量的變化及其生滅過程、生物個體生態壽命的預期分析等，它們是不同條件下生命系統某種行為潛在可能性的數量估計，