（课程与教学论专业论文）逻辑—数学智能与生物学学习的相关研究.pdf

现代科学发展的一个明显趋势，就是各门学科都在经历着数学化的过程，生 物学作为科学的重要分支学科，科学的严密性与定量化是其重要特征。利用数学 思想方法的迁移来定量研究生物学问题，是生物科学深入发展的标志之一。近年 来，计算生物学等在国际上受到高度重视，国外的许多大学，甚至是中学都开设 了相关的课程，这对我国的生物学教育无疑带来了冲击和挑战。伴随我国基础教 育改革的不断深入，以素质教育为核心理念的新课程在全国中小学推广实施，教 育部和上海市教委分别颁布了高中生物学课程标准和中学生命科学课程标 准。以课程标准为标志的生物学新课程，对生物学教师和学生提出了更多、更 高的要求，特别是数理能力方面，随着生物学日益数学化的背景，已成为影响中 学生物学课程改革成效的关键因素之一。因此，如何适应生物学新课程要求，紧 跟学科发展的大趋势，提高师生的逻辑一数学智能是当前生物学教育面l 临的一大 现实问题。 本研究以逻辑一数学智能与生物学学习为主题，采用文献法、调查法，从理 论和实践两个方面展开，分析探讨了当前生物学教育中教师和学生的逻辑一数学 智能现状。研究对生物学的发展史、生物学课程标准、多元智能理论、教师教育 和生物学中与数学有关的文献进行了整理分析，对以上海和广东为主的4 5 位生 物学教师以及上海市两所中学的1 3 8 位学生进行了问卷调查。 研究发现：我国生物学教师的数理逻辑水平相对较弱；学生的形象思维能力 发展相对较好，而类比迁移推理的能力相对较弱；高考模式对学生学习生物学的 态度有重大影响；生物师范生的培养存在不足，无论是观念还是能力上与新课程 均有较大差距。 研究提出：师范院校应转变师范教育观念，明确自己在教师教育中的责任， 着眼于新课程进行教育改革，立足教师专业发展对师范生进行综合培养，适应基 础教育的需求；在实际教学中，要加强科学方法与科学态度教育、生物科学史教 育的内容，注重学科间知识的整合，努力为学生创造一个有利于逻辑一数学智能 发展的环境；利用好高考指挥棒来进行生物学教学。 关键词：逻辑一数学智能生物学数学师范教育 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c eh a sa no b v i o u st e n d e n c yt h a tv a r i o u s d i s c i p l i n e sa r ee x p e r i e n c i n gm a t h e m a t i c a lp r o c e s s b i o l o g yi sa ni m p o r t a n tb r a n c h d i s c i p l i n eo fs c i e n c e t h es c i e n t i f i cs t r i c t n e s sa n dq u a m i t a t i o n 越e i t s i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c s u s i n gm a t h e m a t i ct h i n k i n gm e t h o dt oq u a n t i t a t i v e l yr e s e a r c hb i o l o g y q u e s t i o ni so n es y m b o lo fb i o l o g ys c i e n c e st h o r o u g hd e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s ， c o m p u t a t i o nb i o l o g ya n ds oo nr e c e i v e sm u c hc a r eo ni n t e m a t i o n a l ，m a n ya b o a r d u n i v e r s i t i e s ，e v e nm i d d l es c h o o l sh a v e 枷o p e n e dt h er e l a t e dc u r r i c u l u m ，t h i sh a s b r o u g h ti m p a c ta n dc h a l l e n g et oo u rc o u n t r y sb i o l o g ye d u c a t i o nw i t h o u td o u b t w i t h t h ep r o f o u n de d u c a t i o nr e f o r mi ne l e m e n t a r ya n dm i d d l es c h o o l si nc h i n a , t h e m i n i s t r yo fe d u c a t i o na n dt h es h a n g h a im u n i c i p a le d u c a t i o nc o m m i s s i o ne n a c t e d t h en a t i o n a lb i o l o g yc u r r i c u l u ms t a n d a r d sa n dt h el 谚s c i e n c ec u r r i c u l u m s t a n d a r d si nm i d d l es c h o o l s ，t a k i n gt h ee d u c a t i o nf o ra l l a r o u n dd e v e l o p m e n ta st h e c o r ec o n c e p t t h en e wb i o l o g yc u r r i c u l u mt a k e st h e s es t a n d a r d sa sas y m b o la n d b r i n g sf o r w a r dm o t ed e m a n d sf o rb i o l o g yt e a c h e r s , e s p e c i a l l yi nn u m b e rp r i n c i p l e a b i l i t ya s p e c t ，a l o n gw i t hb i o l o g yd a i l y - m a t h e m a t i c sb a c k g r o u n d ，h a sb e c o m eo n eo f t h ek e yf a c t o r sd e t e r m i n i n gt h ee f f e c t i v e n e s so fb i o l o g yc u r r i c u l u mr e f o r mi nm i d d l e s c h o o l s t h e r e f o r e ，h o wt oa d a p tt h en e wb i o l o g yc u r r i c u l u mt or e q u e s t ，f o l l o wc l o s l y o nt h e d i s c i p l i n ed e v e l o p m e n tw i t ht h em a j o rt e n d e n c y , e n h a n c et e a c h e r s a n d s t u d e n t s l o g i c a l m a t h e m a t i c si n t e l l i g e n c ei s am a j o rr e a l i s t i cp r o b l e mw h i c ht h e c u r r e n tb i o l o g ye d u c a t i o nf a c e s t h i sr e s e a r c ht a k e st h el o g i c a l m a t h e m a t i c si n t e l l i g e n c ea n dt h eb i o l o g ys t u d ya sn s u b j e c t , u s e st h el i t e r a t u r el a w , t h ei n v e s t i g a t i o nl a w , a n dp r a c t i c e st w oa s p e c t sf r o m t h e t h e o r y t ol a u n c h ，t h e a n a l y s i s h a sd i s c u s s e dt h et e a c h e r sa n ds t u d e n t s l o g i c a l m a t h e m a t i c si n t e l l i g e n c ei n t h ec u r r e n tb i o l o g ye d u c a t i o n t h er e s e a r c h d i s c u s s e st h eb i o l o g yh i s t o r y , t h eb i o l o g yc u r r i c u l u ms t a n d a r d ，m u l t i i n t e l l i g e n tt h e o r y , t h et e a c h e re d u c a t i o na n db i o l o g y m a t h e m a t i c sr e l a t e df i t e r a t u r e , a n dc a r r i e so nt h e q u e s t i o ns u r v e yb y4 5s h a n g h a ia n dg u a n g d o n gb i o l o g yt e a c h e r sa sw e l la st w o i n s t i t u t em i d d l es c h o o l s 1 3 8s t u d e n t si ns h a n g h a i t h e s t u d yc o n c l u d e dt h a t ：o u rb i o l o g yt e a c h e r s m a t h e m a t i c a ll o g i cl e v e li sw e a k ； s t u d e n t s t h i n k i n gi ni m a g e sa b i l i t yd e v e l o p m e n ti sr e l a t i v e l yb e t t e r , b u tt h ea n a l o g y t r a n s f e r e n t i a li n f e r e n c ea b i l i t yi sr e l a t i v e l yw e a k e r ；t h ec o l l e g ee n t r a n c ee x a m i n a t i o n p a t t e r nh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ns t u d e n t s m a n n c rt os t u d yb i o l o g y r c d a g o 酬 e d u c a t i o ne x i s t e n t si n s u f f i c i e n c i e s b o t ht h ei d e aa n dt h ea b i l i t yh a v eab i g g e r d i s p a r i t yw i t ht h en e w c u r r i c u l u m t h er e s e a r c hs u g g e s t e dt h a t ：n o r m a lu n i v e r s i t i e ss h o u l dr e n e wt h ec o n c e p t so f n o r m a le d u c a t i o n ，t a k eac l e a rr o l ei nt e a c h e re d u c a t i o ni nt h ec o n t e x to ft h en e w c u r r i c u l u mr e f o r m ，f o c u so nt h e p r o f e s s i o n a ld e v e l o p m e n to fn o r m a ls t u d e n t s s y n t h e t i c a l l y , a n da d a p te l e m e n t a r ye d u c a t i o n sd e m a n d i n g i nt h er e a lt e a c h i n g , w e m u s ts t r e n g t h e nt h es c i e n t i f i cm e t h o d , t h es c i e n t i f i ca t t i t u d ee d u c a t i o n , a n dt h e b i o l o g ys c i e n c eh i s t o r ye d u c a t i o nc o n t e n t ，w es h o u l dp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h e k n o w l e d g ec o n f o r m i t y , d i l i g e n t l y c r e a t e se n v i r o n m e n tf o rt h es t u d e n t st ob e a d v a n t a g e o u st ot h el o 画c a l m a t h e m a t i c si n t e l l i g e n c ed e v e l o p m e n t ；u s et h e o a t o n o f u n i v e r s i t ye n t r a n c ee x a mt oc a r r yo nb i o l o g yt e a c h i n g k e yw o r d s ：l o g i c a l m a t h e m a t i c si n t e l l i g e n c e ，b i o l o g y , m a t h e m a t i c s ， p e d a g o g i c a le d u c a t i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：聋军 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：确p 牟 日期：醐左地! 日 也v 一 布l ：一 心三| 名、娩4 师 耻 别 ，嗍 引言 在人的各种素质中，思维素质是最重要的素质。因为人是思维的动物，思维素 质具有最本质的意义。人人都在思维，但思维素质不同，思维有正确与错误之分， 有严密与粗疏之别，有开阔与狭隘之差，有敏捷与迟钝之异。而良好的思维素质离 不开逻辑。 生物学的发展有这样一个趋势，即从先前以定性为主的描述性科学逐渐发展成 为定量定性相结合的说明性科学。在这一过程中，我们可以明显的察觉生物学与其 他自然科学的日益紧密结合，尤其是与数学的结合，更是让生物学进入了一个新的 纪元，无论是孟德尔的遗传学定律还是沃森与克里克的d n a 双螺旋结构模型，都可 以发现数学的巨大身影。康德曾说：一门学科能否成为科学，首先要看与数学的关 系。由此可见数学的重要性。与生物学的发展趋势相对应，从学习的角度来讲，要 真正学好生物学，除了要有良好的记忆能力之外，良好的数学功底也是必须的。 逻辑一数学智能最先是由美国心理学家加德纳( h g a r d n e r ) 于1 9 8 3 年在其著作 心理结构中提出的，作为九种智力的一种，逻辑一数学智能主要用于逻辑推理和 解决数学问题。此后，关于此方面的研究不断涌现，多元智能理论成为教育领域的 一个热点。燕国材对智力因素与学习进行了研究，认为智力影响学习的深浅、学习 的速度和学习的方式，即质量、数量和方法三个层面。美国国家研究会在人人关 心数学教育的未来一文中指出：“数学的思维方式包括建立模型、抽象化、最优 化、逻辑分析、从数据进行推断以及运用符号等，它们是普遍适用并且强有力的思 考方式，应用这些数学思考的方法的经验构成了数学能力在当今这个技术时代 日益重要的一种智力，它使人们能批判地阅读，能识别谬误，能探察偏见，能提出 变通办法。数学能使它们更好的了解我们在其中的充满信息的世界。”我国的教育 一直比较重视数理逻辑能力的培养，数学课程标准指出：数学科学是自然科学、技 术科学等科学的基础，并在经济科学、社会科学、人文科学的发展中发挥越来越大 的作用。数学的应用越来越广泛，正在不断地渗透到社会生活的方方面面，它与计 算机技术的结合在许多方面直接为社会创造价值，推动着社会生产力的发展。数学 在形成人类理性思维和促进个人智力发展的过程中发挥着独特的、不可替代的作用。 数学是人类文化的重要组成部分，数学素质是公民所必须具备的一种基本素质。 汤普森在他的经典著作生长和形态一书中指出，物理科学在认识自然规律 的过程中成功地借助数学发挥了自己的作用，并主张对生物科学也采用类似的研究 方法。他的理论的核心在于有机世界也有很强的数学规律性，例如贝壳呈现很强的 螺线形态，植物显示出来的一些奇特的数字，动物身上有规律的条纹等。斯图尔特 在第二重奥秘生命王国的新数学的序言中预测：2 1 世纪的科学中最为激动 人心的发展领域之一便是生物数学。为了认识生命世界的规律，新的数学概念、新 的数学门类将会爆炸性地涌现。这些新思想将以全新的方式与生物学和物理学相互 作用，一旦成功，将为我们深入理解生命的奇特现象提供方便。基于这种理解，宇 宙之丰富多彩，数学之优雅美妙，将会不可避免地激发出种种潜能，使人赞叹不已。 邹承鲁院士也指出，数理科学广泛而又深刻地渗入生物学的结果，开辟了在分子水 平研究生命现象的新学科，分子生物学的飞速发展，从而全面改变了现代生物学的 面貌。 生物学的日益数学化特点，决定了生物学课程设置上必须加强有关内容的开发， 决定了人才培养上必须注重逻辑一数学智能的训练，亦决定了生物师范生必须具备更 高的数理基本技能。 迄今为止，在国内对于逻辑一数学智能与生物学学习的研究还很少，而从上面 的论述可以看出无论是学科发展的层次还是对于个体能力培养的层次，这方面的研 究却是重要而又必要的。 为此，本课题试图通过一系列的资料收集和调查分析来了解中学教师和学生的 逻辑一数学智能情况以及他们对生物学教学的看法和意见；对生物学师范生课程设 置情况进行了探讨；对在生物学教学中开发和促进学生的逻辑一数学智能提出了若 干对策；从生物学与数学结合的具体问题入手，为生物学学习提供有价值的基础资 料，培养学生运用数学这一基础工具来研究生物学问题；同时也希望研究的成果可 以对课程改革提供有益的建议。 2 堡丝= 塾芏置筐墨生塑芏堂蚕丝担羞鲤塞 第一章研究综述 1 1 研究背景 1 1 1 生物学的历史发展轨迹 生物学( b i o l o g y ) 是自然科学的一个重要分支。生物学既是古老的学科，也是 新兴学科。生物学历史是人类智慧进步的一个最引人入胜的例证，自古希腊生理学家 们的思想直到现代生物学的发现，其间历经的路程是何等曲折l “1 生物学的发展具有悠久的历史。旧石器时代的人类就开始了解了各种动物：驯 鹿、羚羊、犀牛、野马、野牛、狮、豹等，证据可以在一些洞穴文化中找到。新石 器时代，人们便成为耕作者和牧养者，对于周围动植物的认识使得人们可以通过狩 猎、捕鱼、种植和饲养这些生产活动来确保他们自身的物质需要。诚如莫里斯考 勒里( m a u r i c ec a u l l e y ) 所说：“所有这些活动，每项都给人类提供了一些生物范 畴的知识。这些知识的基础一开始建立在观察的基础上，不久，这些知识便建立在 经验的基础之上。”在古代中国，人们喂养丝蚕以用来获得精细的纺织品原料，驯 服哺乳动物以用来增加和储藏食物，小麦和水稻等作物也很早就开始种植。中国人 认为，血液在人的机体中以一种循环的方式流动，要比西方早四十个世纪，当然这 是建立在和天体运行的类比的基础上的。在古代印度，解剖学概念要比生物学概念 更加富有哲理，他们的外科学在当时十分先进。在古代中东，苏美尔人可以区别对 待不同品种的马，并让马和驴杂交，他们对动植物也有简单分类的记载。他们也开 始解剖一些动物，他们认为，心脏是聪明智慧的中心，肝脏是血液流动的中枢。他 们可以区分出明亮的动脉血和深暗的静脉血。在古代埃及，人们获取了人体和动物 解剖学方面的知识，他们凭借这些知识保存尸体和实施外科手术。在古代希腊，人 们开始触及不同的生物问题，如：性征的区别、胚胎的形成、动物的呼吸等，另外， 亚里士多德等人试图对5 0 0 多个动物物种进行分类，他还解剖了其中的5 0 来个物种， 他的种的概念沿用至今。盖伦( g a l i e n ) 撰写了大量的医学著作，他同时也是实验 生理学的奠基人，他曾解剖过活体，懂得大脑和神经的作用。 然而，直到1 6 世纪，由于宗教和技术的原因，总体来说生物学的发展十分缓慢。 脚文艺复兴时期，意大利著名画家达芬奇摆脱了神学偏见，提出人体运动是骨骼和 肌肉的作用，抛弃了盖伦关于血管起始于肝脏的见解，认为一切血管均起始于心脏。 同时，随着被描述生物的增多，开始探索生物分类方法，法国博物学家贝龙( p b e l o n ) 对鸟类的描述很接近现代的分类。这一时期，在欧洲开始建立了植物园和标本室。 比利时医生、解剖学家维萨里( a v e s a l i u s ) 从事人体解剖的研究，首创尸体解剖 3 教学，著有人体的构造7 册，开创了近代人体解剖学研究。 经典生物学时期，从1 7 世纪到1 9 世纪中期，随着欧洲工业革命的蓬勃发展，生 物学进入一个新的发展时期，生物学逐渐从博物学( n a t u r a lh i s t o r y ) 中独立出来。 经典生物学时期以分门别类、观察描述为主要特点，人们从多样性的生物大千世界 寻找统一性的理论概括，这是生物学发展过程中第一次从分析到综合的阶段。1 6 2 8 年，英国医生、实验生理学家w 哈维出版心血运动论一书，阐明血液在体内不 断循环的新概念，指出心脏是主动收缩、被动舒张的；血液从心脏经动脉流向全身， 是由于心脏收缩的机械力而不是缓慢的渗透过程，建立了血液循环学说。1 6 6 5 年， 英国物理学家r 胡克用自制的复合显微镜观察软木薄片，发现有许多蜂窝状小空 室，首创细胞( c e l l ) 一词，并出版了显微图谱一书。1 6 6 0 年，意大利解剖学家 m 马尔比基在研究蛙时，发现血液是通过毛细血管从动脉进入静脉。1 6 7 5 - - 1 6 8 3 年，荷兰显微镜学家列文虎克证实并完善了m 马尔皮基提出的关于毛细血管的发 现。极其严格地证明了毛细血管连接着动脉与静脉。这一时期生物学的另一重大进 展，是确立了以解剖结构为依据的新的分类原理。1 7 3 5 年，瑞典植物学家c v o n 林 奈在前人工作的基础上，建立了新的动物和植物分类系统，出版了自然系统一 书，确定双名命名法，首先实现了植物和动物分类范畴的统一，成为现代分类学的奠 基人，增强了生物科学的整体性。1 8 世纪后叶，德国人沃尔弗用显微镜研究细胞， 指出一个原来性质纯一的胚子怎样逐渐分化而形成各种器官，创立胚胎发育的后成 学说。1 7 9 8 年，英国医生詹纳公布了牛痘法，这是人类历史上第一次真正制服天花 的伟大发明。1 8 2 2 年，法国生理学家f 马让迪发现脊神经的感觉和运动机能是彼 此独立的。与英国c 贝尔提出的观点相同，证明脊髓神经的前根向外传导运动冲 动，而后根则从周缘传递感觉至中枢神经系统，这就是著名的贝尔一马让迪定律。1 8 2 7 年，冯贝尔发表了论哺乳动物和人卵的起源一文，第一次准确地报告了哺乳 动物的卵，从而推翻了每一卵子都包含具体而微的小动物的旧学说。冯贝尔指出 细胞的增殖与分裂是一切胚胎发展的共同过程，后来更认识到在整个动物界里，发 育都是按这个过程进行的，把发育过程总结成胚层理论。1 8 5 5 年，德国生物学家r 雷 马克对贝尔的胚层进行重新命名，即沿用至今的外胚层、中胚层和内胚层。冯贝尔 还发现脊椎动物在胚胎发育过程中曾出现过脊索，还提出了“生物发生律”或“相 应阶段律”。由于冯贝尔的出色工作，使他被公认为近代胚胎学的奠基人。1 8 3 8 年左右，德拉托尔和施旺发现发酵过程中的酵母是一些微小的植物细胞，而发酵液 体中的化学变化在某种程度上是这些细胞的生活造成的。施旺还发现腐败也是一个 类似的过程。1 8 5 9 年1 1 月2 4 日，达尔文的物种起源出版，生物进化成为整个 4 科学界讨论的中心话题和全社会共同关注的焦点，对生物学及其他有关学科的发展 产生了巨大影响，使宗教的基本信念发生了动摇。 从1 9 世纪中期到2 0 世纪中期大约1 0 0 年的时间里，随着数学、物理学、化学 等学科的发展及其与生物学的交叉渗透，经典生物学逐渐步入实验生物学时期，相 继取得一系列引人注目的成就。1 8 6 5 年，奥地利布隆修道院的神父孟德尔在经过连 续8 年的豌豆杂交试验之后，写出了一篇题为植物杂交试验的论文。他以精确 的实验数据和严密的数理分析，揭示了遗传学的基本规律：“遗传因子的分离和自 由组合定律”，为遗传学成为独立的生物分支学科奠定了基础。法国生理学家c 贝 尔纳发现了葡萄糖的异生作用，糖原、糖原的生成和分解作用等，这些研究导致了 “内分泌”概念的产生。他还进一步提出内环境的恒定是自由和独立的生命赖以维 持的条件，这是对生理学研究具有指导意义的原理。1 8 6 9 年，瑞士的j f 米舍尔用 胃蛋白酶水解脓细胞，得到一种不同于蛋白质的含磷物质，他称之为“核素”，以 后因核素呈酸性故又称为“核酸”。科赫( k o c h ) 1 8 7 6 年发现炭疽杆菌的孢子的抵 抗性比杆菌本身更强，1 8 8 2 年又发现了造成结核病的微生物。1 8 7 8 - - 1 8 7 9 年，巴斯 德发现经连续培养可减低鸡霍乱病菌毒性，使鸡得病而不死亡，由此试制鸡霍乱疫 苗获得成功。1 8 8 1 1 8 8 4 年采用病原菌毒素的接种法防治一些疾病，开创了医学免 疫学。1 8 8 8 年，俄国的梅契尼科夫发现吞噬细胞与吞噬过程，指出“血球具有保护 有机体防止感染性物质侵袭的作用”。他的工作引导人们对细胞因子和体液因子在 免疫中的作用有了新的认识。1 8 9 2 年，俄国微生物学家伊万诺夫斯基发现烟叶可被 能通过滤器过滤的花叶病汁所感染。1 8 9 7 年，德国细菌学家f a j 勒夫勒证明引起 牲畜口蹄疫的也是一种可通过滤器过滤的病毒。这是揭开非细胞微生物一病毒奥秘 的开端。1 8 9 6 年，法国的卡莱特发现甲状腺是含碘的组织，从而获得治甲状腺机能 失调的方法。1 8 9 4 年e h 菲舍尔证实酶的专一性，并用“锁钥原理”解释酶与底物 之间的关系。1 9 0 0 年，奥地利的兰斯坦纳发现人类的a 、b 、o 血型，建立了血液分 类学的基础。俄国的巴甫洛夫提出条件反射学说。1 9 0 1 年，荷兰的德弗里斯提出了 突变学说。1 9 0 2 年，德国的尤伯恩斯坦提出细胞膜电位理论，以说明生物电现象。 德国的艾贝尔首次获得结晶肾上腺素。德国的弗里本发现放射线能引起癌肿。1 9 0 3 年，丹麦的威约翰逊提出遗传学中的“纯系学说”。1 9 0 5 年，英国的斯塔林、贝 利斯发现一种无管腺体分泌物定名为荷尔蒙一激素。1 9 0 9 年丹麦学者提出了遗传因 子是“基因”的概念。1 9 1 0 年，美国的托摩尔根首先发现了果蝇的伴性遗传，随 后又提出了同源染色体间的基因连锁交换学说，进而总结出一套完整的“染色体遗 传理论”，指出基因在染色体上星直线排列，同一染色体上基因间的重组值就是基 5 因间的距离，以此画出的基因在染色体上的图谱称为遗传学图。为揭示生物遗传与 变异的奥秘开辟了一个划时代的研究领域。1 9 1 5 一1 9 1 7 年，加拿大的托特和法国的 铎埃雷发现了噬菌体。1 9 1 9 年，德国的赫尔兹费尔特发现人种不同，血型的分布也 不同。1 9 2 0 年，美国的加纳、阿拉德发现植物的光周期现象。1 9 2 2 年，加拿大的班 丁、白斯特动物组织提取出胰岛素。1 9 2 4 年，苏联的赫洛特内和荷兰的范恩脱首次 提取出植物激素。1 9 2 5 年，英国的凯林发现细胞色素，并指出其在活组织生物氧化 过程中起电子传递作用。1 9 2 6 年，日本的黑泽发现赤霉素。1 9 2 8 年，英国的亚弗 来明发现有杀菌作用的青霉素，作为最知名的抗生素一青霉素挽救了无数的生命。 1 9 3 5 年，美国的斯坦来和英国的鲍登首次提纯烟草花叶病毒，并获得病毒体的结晶 体，确认病毒能在细胞中再生。1 9 3 7 年，英籍德国人克勒勃斯发现三羧基循环即 k r e b s 循环。1 9 3 8 年，英国的希尔发现在铁盐液中叶绿体在照光时的放氧反应，从 此开始了细胞外离体的光合作用研究。1 9 4 0 年，奥地利的兰德斯坦勒等发现r h 血 型因子。1 9 4 1 年，德国的弗李普曼发现三磷酸腺苷( a t p ) 的高能键在生物体碳 水化合物代谢过程中所起的重要作用，认为a t p 是生命体的能源。1 9 4 4 年，加拿大 的爱威瑞用肺炎双球菌的转化实验，第一次证明了遗传的物质基础是脱氧核糖核酸 ( d n a ) 。1 9 4 5 年，美国的比得尔、塔特姆、莱德伯格提出“一个基因一个酶”的假 说，来解释基因在代谢中的作用，由此开创生化遗传学。1 9 4 5 年，美国的莱德伯格 发现细菌可以杂交。1 9 4 8 年，美国的加尔文用c 1 4 阐明植物中二氧化碳的同化作用， 到1 9 5 7 年进而提出光合作用的蓝图。1 9 5 2 年，美国的赫希、恰赛发现病毒的核酸 部分对感染寄主起主要作用。 1 9 5 3 年，j w a t s o n 和f c r i c k 在n a t u r e 杂志上发表了“核酸的分子结构”论 文，揭示了遗传物质d n a 是由四种核苷酸排列的双链螺旋结构，从此开创了分子生 物学的研究领域，使生物学的发展从此进入了一个崭新的、迅猛发展的分子生物学 阶段，一系列令人惊叹的新成就接踵而来。1 9 5 4 年，美籍俄国人伽莫夫首次提出三 个核苷酸编成一个遗传密码的“三联密码说”。1 9 5 5 - - - 1 9 5 6 年，美籍西班牙人奥巧 阿和美国的孔勃首次用酶促法人工合成核糖核酸( r n a ) 和脱氧核糖核酸( d n a ) 。1 9 5 6 年，英国的英格兰姆发现人类镰刀状红血球贫血症是血红蛋白中单个氨基酸的变异 造成的，由此开创了人类分子病和分子进化的研究。1 9 5 7 年关于遗传信息流“中心 法则”的提出，1 9 6 1 年探讨基因调控的“乳糖操纵子模型”的建立，1 9 6 6 年“遗传 密码”的破译等，都是人类在揭示生命之谜的征途中所取得的重大突破。1 9 7 3 年被 称为基因工程元年，由s c o h e n 领导的小组开创了体外重组d n a 并成功转化大肠杆 菌的先河。1 9 7 5 年k o h l e r m i l s t e i n 成功开创了淋巴细胞杂交瘤技术，在生物医 6 学领域树起了一座新的里程碑。此后以基因工程为核心的生物技术显现出强大的生 命力，成为当今世界最令人瞩目的高新技术之一，是许多国家产业结构调整的战略 重点。1 9 9 7 年，d o l l y 羊的克隆再一次震撼了人类社会。1 9 9 0 年启动的“人类基因 组计划”，于2 0 0 0 年宣告人类基因组工作框架已经测序完成，这部“生命天书”的 破译及其随后的各种“组学”研究，使人类首次在分子水平上全面认识自我，无疑 对生命科学的发展产生巨大的推动作用。按着人类的意愿有计划地改造生物已成为 可能，人们从而把世界上日益严重的人口、环境、粮食、资源、健康等与人类生存 和发展密切相关的诸多重大社会问题的解决，寄希望于生命科学与生物技术的进步。 以上我们循着生物学的发展轨迹，对其历史作了简单回顾。我们不难发现，生 物学有着从早期简单观察、粗略描述到现代复杂实验、精确分析的趋势。其实这与 生物学本身的特点也是密切相关的：生物有形，生物有数! 生物有形，人所共识。 地球上自然之美，多数来自生物本身和它们的营造。生物有数，则经历了漫长的认 识过程。恩格斯在自然辩证法中曾说：“数学的应用生物学中的数学- - - - 0 。”跚 但现实是，生物数据的产量却是惊人的，中国科学院基因组学研究所( “华大基因”) 每天的测序能力；5 0 0 0 万碱基对；一个人的基因组：3 2 x l 矿碱基对，籼稻基因组： 4 3 x 1 0 8 碱基对；全世界每年生物数据产出量：1 0 ”字节；英国s a n g e r 中心今后5 年每年新增硬盘数据容量：8 0 i o o t b ，即( 0 8 1 ) x l o “字节。此外，生物学有着众 多的研究层次( 见表i 、图i ) ，更使得研究的手段、方法和策略多种多样，数学可 以找到很多的应用结合点。例如，在寻找基因的过程中，生物知识体现为基因模型， 而其数学实现则需要运用马可夫、半马可夫和隐马可夫链，然后运用动态规划算法 和形式语言学模型来生成语法。 表卜1 生命现象的多种层次 宏观 系统生物学、生物复杂性、生态系统 生物多样性、种群动力学 动物行为科学 个体、器官、组织 细胞及其通信、信号传导 免疫网络、调控网络、代谢网络 复制、转录、剪接、翻译、运输 生物大分子：蛋白质与核酸( d n a 、r n a ) 小分子( 糖、脂肪、核苷酸、氨基酸) 、金属离子、水 7 m r t “ s t o p t r a n s c r i b i r n a p o l l l + o r 必a = 卜t 士二卜( 二 面： 删钟；，? 。s p n c m o m e m r n a 一5 - u t r ；3 u t 诗一 ， ： ： t r a n s l a t e 一 ， ；，7 i【b o 脚* a a s e q ( p r o t e i np r i m a r ys e q ) - f o l d p r o t e i n 如堪 ，i n i t + te l o n 昏f a c t o l 5 、t e r m 。 【c h a p e r o n l n e ； 图卜1 复制、转录、剪接、翻译、运输层次 回眸科技发展史可以看出，如果说2 0 世纪科学技术的发展以物理科学为主导， 那么近2 0 年来世界科学的格局已经发生了重大变化，生命科学已经异军突起，发展 迅猛。由于大量应用了现代物理学、化学的原理、方法和仪器，与数学也更好的结 合起来，更由于电予计算机的广泛使用，生物学的定量研究得到深入发展。摆脱了 描述性科学的背景，而成为定量的、成熟的说明性科学的现代生命科学，它取得的 巨大进展、一个个突破性成就，使其在自然科学发展中跃居带头学科的位置。嘲从 现在起到今后的1 0 1 5 年内，生物学在其本身发展和其他学科的影响下，正经历着 重大转变。一方面在微观层次上对生物大分子的结构和功能，特别是基因组的研究 取得重大突破后，正深入到后基因组学时代。通过功能基因组学和比较基因组学的 研究，对基因、细胞、发育和脑功能的探索正在形成一条主线，随之而来的蛋白质 组学和生物信息学方面的研究也将在生命科学中成为重要角色。另一方面，在宏观 层次上对生命的起源与进化、生物系统学、生态学以及生物复杂性等研究也在取得 重要进展。通过微观与宏观、分析与综合、单个基因结构与整体功能、个体与群体 8 等多方面的结合，生物科学的发展正面临一个新的高峰。可以预见今后生物学的重 点发展领域将是：基因组、转录组、蛋白质组和代谢组基础上产生的系统生物学研 究；生物大分子的结构与功能研究：生物信息学与计算生物学；生物防御系统等重 要生命活动的细胞和分子基础；生命的起源与进化；可持续生物圈的生态学基础。 建立在生物学基础研究基础上的生物技术正在成为发展最快、应用最广、潜力最大、 竞争最为激烈的领域之一，也是最有希望孕育关键性突破的学科之一。2 1 世纪一定 会成为生命科学取得更大突破的世纪。生命科学也将会对人类社会和经济的发展做 出更大的贡献。 1 1 2 新课程标准对学生发展的要求 课程标准是一个全新的生物学课程文件，它描述了我国在新世纪生物学课程发 展的方向和教学要求与以往的教学大纲有许多不同，其突出特点主要表现在： 课程的目的是全面提高学生的科学素养全面提高学生的科学素养是新课程所 追求的价值，也是生物学课程的根本目的。在我们以往的生物学教学中，十分注重 基础知识和基本( 操作) 技能( 双基) ，但是“双基”并不等于生物科学素养。它只 是构成一个人科学素养的一部分。标准强调了生物科学素养的形成，是要在原有 “双基”的基础上，还要注重对学生探究能力、获取知识能力及在现实生活中运用 知识能力的形成，注重对学生科学思维方式的培养，以及学生在态度、情感、价值 观方面的发展：注重学生学习兴趣、科学态度和科学精神的养成。生物学课程要为 每个学生( 生物) 科学素养的形成做出贡献。课程目的的改变是新的生物学课程中最 根本的改变。这一改变实际上给生物学教师、课堂教学、教学评价及教材编写都提 出了更高的要求。 课程理念的变化科学课程理念是人们关于科学教育的一些基本信念，其中包 含了对科学教育( 或科学课程) 价值的认识，以及对科学的性质和科学教育特点的 理解。课程理念也代表了课程设计者或教师对课程方向和重点的选择。科学课程的 理念也会随着时代的进步而发展。脚 今e t 世界，科学技术迅猛发展，国际竞争日趋激烈，国力的强弱越来越取决于 劳动者的素质。普通高中教育的任务是在九年义务教育的基础上，进一步提高国民 素质，并使学生在全面发展的基础上实现有个性的发展。发展学生的科学素养与人 文精神、创新精神与实践能力、国际视野与民族精神、社会责任感与人生规划能力， 对国家的兴盛、社会的进步、个人的终身发展都具有重要意义。 生物课程是高中阶段重要的科学课程。在当代科学技术领域中，生物科学和技 9 术的发展尤为迅速，成果显著，影响广泛而深远。如d n a 分子结构和功能的揭示、体 细胞克隆哺乳动物技术的突破、人类基因组计划的实施、干细胞研究的进展、脑科 学的深入发展、生物工程产业的兴起等，正在改变人类的生活。尤其是生物科学技 术和信息科学技术正在逐渐融合并显示出强大的经济力量，已成为科学发展和技术 革命的世纪标志。生物科学和技术不仅影响人类的生活、社会文明和经济活动，还 深刻影响着人们的思想观念和思维方式。高中生物课程应当与时俱进，以适应时代 的需要。m 课程的具体目标如下： 1 知识 获得生物学基本事实、概念、原理、规律和模型等方面的基础知识，知道生物 科学和技术的主要发展方向和成就，知道生物科学发展史上的重要事件。 了解生物科学知识在生活、生产、科学技术发展和环境保护等方面的应用。 积极参与生物科学知识的传播，促进生物科学知识进入个人和社会生活。 2 情感态度与价值观 初步形成生物体的结构与功能、局部与整体、多样性与共同性相统一的观点， 生物进化观点和生态学观点，树立辩证唯物主义自然观，逐步形成科学的世界观。 关心我国的生物资源状况，对我国生物科学和技术发展状况有一定的认识，更 加热爱家乡、热爱祖国，增强振兴中华民族的使命感与责任感。 认识生物科学的价值，乐于学习生物科学，养成质疑、求实、创新及勇于实践 的科学精神和科学态度。 认识生物科学和技术的性质，能正确理解科学、技术、社会之间的关系。能够 运用生物科学知识和观念参与社会事务的讨论。 热爱自然、珍爱生命，理解人与自然和谐发展的意义，树立可持续发展的观念。 确立积极的生活态度和健康的生活方式。 3 能力 能够正确使用一般的实验器具，掌握采集和处理实验材料、进行生物学实验的 操作、生物绘图等技能。 能够利用多种媒体搜集生物学的信息，学会鉴别、选择、运用和分享信息。 发展科学探究能力，初步学会： ( 1 ) 客观地观察和描述生物现象； ( 2 ) 通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题； 1 0 ( 3 ) 分析问题，阐明与研究该问题相关的知识： “) 确认变量： ( 5 ) 作出假设和预期； ( 6 ) 设计可行的实验方案； 实施实验方案，收集证据； ( 8 ) 利用数学方法处理、解释数据； ( 9 ) 根据证据作出合理判断； 用准确的术语、图表介绍研究方法和结果，阐明观点； o d 听取他人的意见，利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护及作必要的反思和 修改。 课程具体目标中的知识、情感态度与价值观、能力三个维度在课程实施过程中 是一个有机的整体。嘲 从生物学课程标准我们可以看出，在知识方面，更加强调“基本事实、基本原 理和规律”，而不是笼统的“生物学基础知识”；在情感态度方面，强调了科学的 世界观和s t s 教育；在能力方面，突出了收集、处理信息的能力和科学探究的方法。 以上三大方面的目标都对学生的逻辑数学智能在一定程度上提出了要