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高中生物课程内容建构及“稳态与环境” 模块的分析.doc

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高中生物课程内容建构及“稳态与环境” 模块的分析.doc

1高中生物课程内容建构及稳态与环境模块的分析作者余自强摘要普通高中生物课程标准(实验)在各个模块构建了新的知识结构体系,稳态与环境模块的知识结构体系是根据系统生物学的思想构建的。这个体系以系统为核心概念,以稳态、环境和调节三个科学通用概念把生物个体和系统水平的要素、行为、稳定和发展等问题统一起来,以系统分析及模型和数学方法等作为主要方法,具有科学性和合理性。关键词高中生物课程稳态与环境模块知识结构科学方法普通高中生物课程标准(实验)(以下简称为标准)在课程结构上发生了比较大的变化,其中包括设置了稳态与环境这个必修模块。对这种新颖的设计,有许多教师不理解,也有一些教师从科学性和合理性方面提出了质疑。本文谨就此开展一些讨论。一、生物课程内容结构体系的建构1959年,布鲁纳(JeromeS.Bruner)在教育过程中提出了他的结构主义课程的思想。他主张不论我们选教什么学科,务必使学生理解该学科的基本结构,学习结构就是学习事物是怎样相互关联的。自此以后,课程内容要结构化,成为课程专家的普遍追求。(一)生物课程内容结构体系改革的必要性传统的高中生物课程以生命的基本特征来组织内容,这也是传统的普通生物学的学科结构。但是,我们现在必须考虑两个问题。一是现代课程论认为课程体系要反映学科体系,但不等同于学科体系。它除了考虑学科体系外,还要考虑学生的认知发展和社会需求。生物学科的内容包括由事实、概念、原理和规律组成的理论体系,及其隐含的学科思想和方法。因此,生物课程的内容既可以根据知识理论体系建构,也可以根据学科思想和方法建构,二者各有其合理性。二是20世纪后半期发生的生物学革命,使生物学的范式发生了改变。库恩(T.S.Kuhn)在科学革命的结构一书中说科学革命以后,教科书和它们提出的历史传统必须重写。例如,已故陈阅增先生主编的普通生物学,就打破了传统的普通生物学学科体系,根据当代生命科学从微观到宏观的发展,按生命的主要结构层次,从低层到高层安排。1(二)构建生物课程内容结构体系的思路课程内容结构体系构建的依据,是课程内容之间的逻辑关系和心理学方面的关系。逻辑关系指学科知识之间内在的联系,心理学方面的关系指按照编者所理解的学生认识发展,把课程内容加以组织的关系。对科学课程而言,一般的倾向是在高年级采取逻辑结构的体系,在低年级以心理学结构的体系为主。我国的课程向来关注知识体系,因此构建高中生物课程的思路,按我国的国情只能取前者。按逻辑关系构建课程体系,又可以有不同的方法,例如(1)可以按形式逻辑的方法,2确定若干科学事实或概念作为逻辑起点,通过演绎推理构建一个公理化的体系。这种方法在物理、化学中用得较多,对生物课程,标准首次将概念列入了课程目标,标准中遗传与进化模块的内容,也主要以类似的方法构建。但由于生命系统的复杂性和生命现象的不确定性,以形式逻辑构建知识体系只能适用于生物科学的少数领域。(2)进化论无疑是生命科学中最大的一个统一理论,研究生物进化的机制不仅要追溯漫长的生命历史,覆盖各种生物进化现象,并与生命起源承接,还要能对现今全部的生命现象给出说明。我国在20世纪50年代,曾在普通高中开设达尔文主义基础课程,希图以进化论为框架构建生物课程体系。但由于进化论远未成熟,结果使生物课程受哲学的支配而走上非科学的道路。(3)当代生物学的发展,形成了系统生物学(SystemsBiology)。对生命的本质,生物学界长期存在活力论和还原论之争。20世纪30年代后,科学界对生命的本质提出了新的认识,就是机体系统论。1952年,美籍奥地利生物学家、系统论创始人贝塔朗菲(L.V.Bartalanffy)出版了英文版的生命问题现代生物学思想评价,提出了机体系统论的基本原理整体原理(组织原理)、动态原理、自主原理。这些原理表明生物有机体是一个独特的组织系统,其个别部分和个别事件受整体条件的制约,遵循系统规律生命有机体结构产生于连续流动的过程,具有调整和适应能力生命有机体是一个具有自主活动能力的系统2。1968年,贝塔朗菲又在此书的基础上,进一步写成一般系统论基础、发展、应用,创立了系统论,生物学也由此发展出系统生物学。系统生物学的一个重要方面,就是利用系统概念、系统思想和系统方法来理解生物学知识,重新整合原有的生物科学知识体系。这已成为生物学革命的内容之一,国际上称为利用系统方法进行生物学革命。稳态与环境模块的知识结构就是以系统生物学的思想构建的。二、稳态与环境模块的知识结构(一)关于稳态、调节和环境稳态的概念最初来自生理学。生理学把维持内环境理化性质相对恒定的状态叫做稳态。稳态是一种复杂的、由体内各种调节机制所维持的动态平衡一方面是代谢过程使内环境理化性质的相对恒定遭到破坏,另一方面是通过调节使平衡恢复。整个机体的生命活动正是在稳态不断受到破坏而又同时得到恢复的过程中得以维持和进行。后来,稳态的概念逐步扩展,它不仅被用来说明内环境理化特性的动态平衡,而且人们发现细胞、群落和生态系统在没有受到激烈的外界环境因素影响时,也都处于类似的状态,都可以用稳态这个概念来说明它们相对稳定状态的维持和调节。稳态调节的概念原来也来自个体水平的生理学,例如哺乳动物体内的温度、渗透压、pH以及各种电解质和营养物的浓度都保持在一个稳定的范围内,这是在其自身神经体液系统调节下,随时进行反馈调节而实现的。生态系统虽然没有与此类似的调节机制,但也具有一定的抵御环境压力保持平衡状态的能力。特别是成熟的生态系统,每年的能量收支大致相等,营养物质循环近于封闭式,流失极少,系统能相当长久地保持一定的外观和结构,这些都是稳态调节的结果。(二)稳态与环境模块概念体系的建立科学不同于常识的特点,首先在于任何一门科学,都是一个相对完整的理论体系,都是一个知识系统。从一般形式上看,都是由科学事实、基本概念、特定方法、相应理论以及应3用范例等所构成的。以生命的基本特征为框架来整理和概括生物科学事实,虽然具有容易被理解的优点,而且从科学发展过程来看,分门别类地划分和组织材料,确实是一切科学的一项必不可少的任务,但是科学事实本身和若干科学事实的简单堆砌毕竟还不等于科学。事实只有在以系统的概括的形式表现出来,并且作为概念和规律的根据和验证时,才能够变成科学知识的组成部分。以这样的观点来看标准中稳态与环境模块的内容,3.1植物的激素调节和3.2动物生命活动的调节两个单元,提供的是经过整理的科学事实,它们是建立科学理论的基础和前提。在后续单元中,说明稳态的生理意义和阐明生态系统的稳定性等知识点,提出了稳态的概念举例说明神经、体液调节在维持稳态中的作用、概述人体免疫系统在维持稳态中的作用、举例说出生态系统中的信息传递等知识点,提出了调节和环境的概念。科学概念是由大量科学事实和经验材料经过理性加工和提炼而形成的,科学概念一旦获得,就会使人们的认识发生飞跃,使已有的知识系统化、理论化。然而,概念虽然重要,但仅有概念还不能形成科学理论,概念只是理论的逻辑起点。在稳态、调节和环境概念的后面,还有一个更核心的概念,就是系统。因为稳态是系统的状态,调节是系统的行为,环境是系统的存在。这样,稳态与环境模块就以系统这个本体论概念作为核心概念,以稳态、环境和调节三个科学通用概念把生物个体水平和生态系统水平的要素、行为、稳定和发展等问题统一起来,并以描述体温调节、水盐调节、血糖调节、描述群落的结构特征、阐明群落的演替、讨论某一生态系统的结构等作为这个理论体系的应用范例。需要明确的是,这个概念体系是隐性而不是显性的,是运用系统生物学的思想建立的。教材如何编写,教学如何进行,则需按具体情况而定。三、稳态与环境模块的科学方法一个科学的理论体系,除了科学事实、基本概念、相应理论和应用范例外,还有一个重要方面是特定方法。稳态与环境模块的科学方法,主要是系统分析方法以及以模型和数学方法为主的逻辑方法。(一)系统分析的思想和方法标准在稳态与环境模块的前言中指出本模块选取有关生命活动的调节与稳态的知识、生物与环境的知识,有助于学生理解生命运动的本质,了解系统分析的思想和方法,提高对生命系统与环境关系的认识3,这就明确提出了对系统分析的思想和方法的要求。现代生物学的分析性研究已深入到分子、量子水平,但为了揭示生命运动的奥秘,还必须从生命系统的各个组成部分的联系和相互作用中,从它们和外界环境的相互联系和相互作用中来了解整体,这就需要进行系统分析。系统分析能力是一种非常重要的综合实践能力。例如,植树造林是中央的号召,但西北一些地区年降水量很小,蒸发量很大,其地下水主要来自地表下的渗透作用(如熔化的雪水)。在这些地区植树,地下水会因树木的蒸腾作用而过量散失,导致水位下降甚至枯竭。于是近年来中央指示那些地区要种草。然而,在我国的中、东部地区,却出现了砍树种草的热潮。殊不知在高温多雨地区,树的生态效益要远远超过草。结果,一些城市政府部门又不得不规定绿化至少要有多少比例的乔木和灌木。导致这些失误的原因就在于缺乏系统分析的思想。现代系统分析包括定性分析和定量分析,定量分析是基于数学工具进行的,高中生物学教育一般只能做定性分析,如同美国国家科学教育标准所要求的学会从系统的角度思考和分析问题。具体说,就是运用系统的概念和系统分析的思想,一方面对生命系统的要4素、结构、边界、环境、性能等系统的基本特征作分析,另一方面对系统的状态及其调控作分析。以生态系统为例,其要素指组成成分,即生产者、消费者、分解者等生物成分和非生物的物质和能量结构包括时空结构和营养结构(食物链和食物网)边界指系统的范围,生态系统是模糊集合,其边界是一个模糊概念,根据研究的需要划定环境指一个生态系统的外部环境条件,系统与环境之间具有物质、能量和信息的交流,二者相互联系、相互影响,并共同组成一个更大的系统性能指系统整体的特性和功能,系统的整体特性表现为该系统与其他系统的区别,系统的功能则反映了系统与外部环境相互作用的程度,或系统获取输入、予以变换而产生输出的能力。以上这些方面构成了一个生态系统的基本特征。至于系统的状态,生态系统都是开放系统,系统的稳态就是生态平衡状态。每个生态系统都具有一定的自动调节能力,在不断变化的环境条件下,依靠自我调节机制维持其稳态,实现物质循环和能量流动的相对稳定。生态系统状态的另一个重要指标是它的生产量,包括输入、输出、净生产量和效率。类似的分析在个体水平和群体水平均可进行。稳态与环境模块中的描述群落的结构特征、讨论某一生态系统的结构、阐明群落的演替、分析生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及其应用、阐明生态系统的稳定性、探讨人口增长对生态环境的影响、关注全球性环境问题等知识点,以及利用计算机辅助教学软件模拟人体某方面稳态的维持、调查当地自然群落中若干种生物的生态位、调查或探讨一个农业生态系统中的能量流动、调查当地生态环境中的主要问题,提出保护建议或行动计划等活动建议,都需要渗透和利用系统分析的思想和方法进行教学。(二)数学和模型方法的运用20世纪30年代,贝塔朗菲在提出机体系统论概念的同时,主张用数学和模型方法研究生命现象。1、模型方法标准依据国际科学教育的发展,将模型和模型方法列入了课程目标。所谓模型,是指模拟原型(所要研究的系统的结构形态或运动形态)的形式。它不再包括原型的全部特征,但能描述原型的本质特征4。模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法,是逻辑方法的一种特有形式。模型一般可分为物理模型和数学模型两大类,通常说的模型即指物理模型。物理模型可以模拟客观事物的某些功能和性质,它包括物质模型和思想模型两类。在高中生物课程中经常使用的物质模型有实物模型如生物体结构的模式标本,模拟模型如细胞结构模型、各种组织器官的立体结构模型等。思想模型是物质模型在思维中的引伸,根据构建模型的思想方法的不同,又可以分为两类一类是以形象化方法(或称为意象思维方法)构建的具象模型,它是人们在思维中通过对生物原型的简化和纯化而构思出来的。具象模型具有一定的形态结构特征,如DNA分子双螺旋结构模型、生物膜液态镶嵌模型等。它能使研究对象直观化,既可以促进研究,又可以简略描述研究成果,使之便于理解和传播。另一类是以理想化方法(或称抽象思维方法)构建的模型,是人们抽象出生物原型某些方面的本质属性而构思出来的,例如呼吸作用过程图解、光合作用过程图解等过程理想模型,食物链和食物网等系统理想模型。这类模型使研究对象简化,在科学研究中用于计算推导,引伸观察和实验的结论等方面。在现代生物科学研究中,模型方法被广泛运用,DNA双螺旋结构模型的成功就是一个范例。在生物科学学习中,模型提供观念和印象。认知心理学认为,人的知识经验既包括概念系统,又包括表象。前者有概念、原理、规律、理论,后者的成分包含观念和印象。当代不少学者都主张把表象看作是一种符号要素,与语言等其他符号要素一样具有抽象、概括、组合和再组合的功能,因而能构成思维的操作。所以模型提供的观念和印象,不仅是学生进一步获取系统知识的条件,而且是学生认知结构的重要组成部分。正因为如此,美国国家5科学教育标准把模型和科学事实、概念、原理、理论并列为科学主题的重点,并将构建、修改、分析、评价模型作为高中学生的基本科学探究能力。稳态与环境模块中有两个活动建议探究水族箱(或鱼缸)中群落的演替和设计并制作生态瓶,都是运用模型的探究。例如,设计并制作生态瓶制作的是一个活体实物模型,运用这个模型进行的是对生态系统运行的模拟实验。在科学研究中,有时受客观条件的限制,不能对某些自然现象进行直接实验,这时就要人为地创造一定的条件和因素,在模拟的条件下进行实验。利用活体实物模型进行的模拟实验,在生命科学研究中被广泛应用,但具有一定的复杂性。因为变量较多,而且变量之间的关系,除因果决定性因素外,还存在许多非因果决定性的因素,所以需要作系统分析。就本案例来说,一方面需要对生态瓶的组成成分、结构、环境、性能等作分析,另一方面需要对系统的能量转换和物质流动状态及其调控作分析。这对学生深入理解生态系统的结构、生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及其应用、生态系统中的信息传递、生态系统的稳定性等等,无疑具有重要的教育价值。但也正因为生命系统的复杂,所以活体生物模型与实际事物相比,存在较大差异。这是需要向学生讲清楚的。2、数学方法数学方法指运用数学语言表述事物的状态、关系和过程,并加以推导、演算和分析,以形成对问题的解释、判断和预测的方法。目前,数学在生物学、医学等领域正起着越来越重要的作用,甚至医生做手术之前都可以先进行数学模拟以预知各种方案可能出现的后果,再依据个人的经验来选择手术方案。数学方法在科学教育中的价值更是不言而喻,标准对数学方法的使用,包括以下4个方面。(1)定义概念。概念有具体概念和抽象概念之分,具体概念指能通过直接观察获得的概念,即实物概念,例如细胞、组织等结构概念,呼吸、遗传等生理活动概念抽象概念不能通过观察习得,只能通过下定义才能习得,例如呼吸作用、新陈代谢等概念。在抽象概念中,有一类是用数学式来定义的。这类定量的概念以数学方法揭示事物的本质及其发展变化规律,为研究工作提供一种简明精确的形式语言,具有重要的科学认识论价值和方法论价值。稳态与环境模块没有明确要求用数学式定义概念,但列举种群的特征这个知识点,如果涉及种群密度,年龄结构和性别结构,出生率和死亡率等,那就是用数学式定义的概念。(2)对生命现象的空间关系和数量关系进行描述、分析和计算。例如以条形图、曲线图、统计地图等来表现某一生命现象的统计数字大小及其变化,这在生物课程中已广泛应用。(3)统计方法的运用。统计是研究随机现象的统计规律性的方法。统计性规律在生物界广泛存在,主要包括两类。一类是大数过程的规律性,即大量随机事件所组成的系统的规律性,如遗传性状传递过程中的规律。这类问题可用描述统计方法解决。另一类是某些生命系统行为的规律性,例如生态系统中某种群数量的变化及其生灭过程、生物个体生态寿命的预期分析等,它们是不同条件下生命系统某种行为潜在可能性的数量估计,而不是实际存在的状况。这类问题可用选取统计方法解决。描述统计方法和选取统计方法,标准都已引入。描述统计方法主要是对观察、实验的原始材料进行整理、分类、分析等统计加工,得到统计事实。孟德尔正是使用描述统计方法对豌豆杂交实验结果进行定量观察和数据分析,才发现了遗传性状的分离现象和自由组合现象。选取统计方法又称统计推理,是从样本到总体的推理。例如对种群数量、密度的研究,要完全获得某自然种群总体的状态、特性和变化规律的信息是困难的,甚至是不可能的,实际上也无必要,所以往往根据由样本(样方)所获得的统计事实来推断总体。稳态与环境模块中有两个活动建议探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化和土壤中动物类群丰富度的研究,前者是用描述统计方法表达大数过程的规律性,后者是用选取统计方法进行从样本到总体的推理。(4)用数学模型来表现生物学现象、特征和状况。生物数学模型有两类,一类为确定6性模型,它用数学方法描述和研究必然性现象,例如某生物个体的生长曲线、细胞分裂过程中DNA数量变化曲线等另一类为随机模型,它用概率论和统计方法描述和研究随机现象。例如,种群基因频率的变化没有确定性,有多种可能的结果,究竟出现什么结果是偶然的、随机的,但当种群由大量个体组成,并能随机交配繁殖传代时,基因频率和基因型频率的变化又表现出统计规律性。1908年哈迪和温伯格用遗传平衡定律(HardyWeinberg定律)对此进行了描述,这个随机性的数学模型为种群遗传学研究奠定了基础。对数学模型,稳态与环境模块中安排了一个要求尝试建立数学模型解释种群的数量变动。根据以上对稳态与环境模块知识结构和科学方法的分析,其科学性和合理性应该是没有问题的。当然,随之而来的教材编写和教学实施的问题,需要我们认真研究。

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