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从系统的视角认识细胞人民教育出版社课程教材研究所李红 普通高中生物课程标准（实验）要求必修模块“所选内容能够帮助学生从微观和宏观两个方面认识生命系统的物质和结构基础、发展和变化规律以及生命系统中各组分间的相互作用。”1按照课程标准的要求，学生将在必修课程中深入地学习细胞、个体、种群、群落、生态系统等微观和宏观的生命系统。分子与细胞是高中生物课程必修内容的第一个模块，处于为后续必修模块和选修模块的学习打基础的重要地位。如果学生通过这个模块的学习，能够建立生命系统的概念，了解生命系统的特征和发展变化规律，将对后续内容的学习具有认识论和方法论上的重要意义。一、系统和系统论科学技术的发展，使人们认识事物的观点、方法发生了变化，其中之一，是由以往的侧重于将客观事物分解后加以详细研究，转向宏观研究与微观研究并重，同时注重对事物整体运行规律的研究，从“实物中心论”向“系统中心论”发展。“系统”，是有相互联系、相互作用、相互依赖和相互制约的若干部分按一定规则组成的、具有特殊功能和特殊运动规律以及综合行为的有机整体2。在生物界中，系统随处可见，如生物圈、种群、个体、细胞等，都可视为一个个系统。系统思想源远流长，但作为一门科学的系统论，人们公认是美籍奥地利人、理论生物学家贝塔朗菲（L. von Bertalanffy）创立的。现代系统观念与系统论的创立，是从生物学争论如何解释生命现象开始的。在生物学史上，存在着机械论和活力论之间的争论。机械论者认为“动物是机器”“人是机器”，用机械运动解释复杂的生命现象；活力论者提出生命来自“活力”和上帝的观点。他们都没能科学地解释生命现象。贝塔朗菲在20世纪30年代开始研究生物学领域的系统问题，“把生命看成是一个既具有高度的自主性，又与外界交换物质和能量的开放系统，强调生命的整体性、动态过程性、能动性和组织等级性”3。1948年，贝塔朗菲出版了生命问题现代生物学思想评价一书，阐述了机体系统论的思想，该书成为现代具有广泛影响的学术名著。后来，贝塔朗菲把机体系统论的原则推广到其他科学领域，并于1968年发表重要著作一般系统论基础、发展、应用，确立适用于系统的一般原则，简称系统论。系统论的创立，使人类的思维方式发生了深刻的变化。经典科学的研究方法是以分析式思维方式为主的，一般是把事物分解成若干部分，抽象出最简单的因素来，然后再以部分的性质去说明复杂事物。这种方法的着眼点在局部或要素，这是几百年来在特定范围内行之有效、人们最熟悉的思维方法，但是它不能如实地说明事物的整体性，不能反映事物之间的联系和相互作用，它只适应认识较为简单的事物，而不胜任于对复杂问题的研究。在现代科学的整体化和高度综合化发展的趋势下，在人类面临许多规模巨大、关系复杂、参数众多的复杂问题面前，这种研究方法就显得无能为力了。系统论反映了现代科学发展的趋势，反映了现代社会化大生产的特点，反映了现代社会生活的复杂性，所以它的理论和方法能够得到广泛地应用，系统论的思想观念正渗透到科学研究和社会生活的各个领域。二、从系统的视角建构分子与细胞模块教材的知识体系当把一个对象当作一个系统来研究时，一般要先确定系统的边界，分析系统的组成要素及各个要素之间的关系，然后研究系统的结构和功能，以及系统、组成要素、环境三者的相互关系和变动的规律性，从中进行考察和辩证分析。分子与细胞模块可以按照系统分析方法的思路来组织教材内容。此外，细胞是生命系统，具有生命系统的层次性、整体性、开放性、动态性等特征。以生命系统的特征为逻辑线索设计教材的展开顺序，也是可行的。美国著名的认知派教育心理学家奥苏伯尔在其著作教育心理学认知观点中提出，教材的组织不能只考虑学术逻辑，也要考虑学生的学习心理特点和认知发展规律4。系统论的思想对于高中学生是抽象、难理解的，高中生物课程不要求学生全面掌握系统论，而是希望学生通过对生命系统的特征及运行规律的学习，在潜移默化中逐步培养以系统的观点看待世界、分析事物的思想方法。此外，学生对于活细胞所表现的生命的基本特征是有认知基础的，需要通过学习提升一个层次，从生命系统的视角认识细胞。因此，以细胞是最基本的生命系统作为逻辑起点，沿生命系统的层次性整体性开放性动态性的逻辑顺序展开，比较符合学生的心理特点和认知规律。人教版高中生物课标教材分子与细胞模块知识体系的建构，就是把细胞作为一个系统，引导学生认识这个系统的组成、结构、功能和发展变化规律，进而理解生命系统的层次性、整体性、开放性、动态性等特征。1生命系统是有层次的分子与细胞模块，首先要解决的问题，是帮助学生认识什么是系统，什么是生命系统，生命系统有哪些结构层次，在这些结构层次中，本模块将研究哪一个系统。使学生初步学会从系统的视角看问题。生命系统由宏观到微观，大体可以分为以下不同层次：生物圈、生态系统、群落、种群、个体、系统、器官、组织、细胞。这些层次由宏大到微小，是有明确的等级秩序的，其中，细胞是基本的生命系统。比细胞更细微的结构层次如各种细胞器、分子、原子等，虽然它们也可以看做系统，但却不是生命系统，因为它们不能作为独立单位完成生命活动。因此，本模块研究的是最基本的生命系统细胞。在帮助学生初步建立细胞是最基本的生命系统这一观念之后，按照课程标准的要求，还应该让学生认识细胞的多样性和统一性，并通过分析细胞学说建立的过程，进一步了解细胞学说的内容及其重要性，使学生充分认识学习和研究细胞对于研究其他生命系统的重要意义。人教版分子与细胞模块的第1章走进细胞，涵盖了以上内容。这一章的重要地位和作用在于不仅为本模块后续各章的学习打基础，而且为后续两个必修模块的学习打基础。2生命系统具有整体性特征任何系统都是一个有机的整体，它不是各个部分的机械组合或简单相加，系统的整体功能是各要素在孤立状态下所没有的新质，即“整体大于部分之和”5。生命系统也不例外。因此，第2章组成细胞的分子，研究细胞这个基本生命系统的组成成分及其功能；第3章细胞的基本结构，剖析细胞的结构及其功能，揭示系统的整体性以及结构的有序性。从系统的视角出发，第2章首先研究最重要的组成物质：生命活动的主要承担者蛋白质，遗传信息的携带者核酸。然后是糖类、脂质、水和无机盐。实际上也就是研究细胞这个生命系统的物质基础。学生将通过第2章的学习，了解细胞是由多种元素和化合物共同构成的，以碳链为骨架的蛋白质、核酸、糖类、脂质等有机化合物，构成细胞生命大厦的基本框架；糖类和脂肪提供了生命活动的主要能源；水和无机盐与其他物质一道，共同承担起构建细胞、参与细胞生命活动等重要功能。世界是物质的运动和运动着的物质，这是唯物主义的基本观点。存在于自然世界中的系统也不例外。让学生从组成细胞的分子认识生命的物质性和生命物质的特殊性，对于他们树立辩证唯物主义自然观极为重要。蛋白质、核酸、糖类、脂质等分子固然重要，但是仅有这些组成成分，细胞还不能表现出生命活动。只有当这些分子有机地组合在一起，形成细胞的各种结构，由这些结构构成整体，细胞才成为基本的生命系统。“系统不是其组分的简单堆砌，而是通过组分间结构和功能的密切联系，形成的统一整体” 6。在第3章，学生将进一步学习细胞膜、细胞质和细胞器、细胞核等基本结构，了解这些结构如何密切配合，共同完成生命活动。与其他系统一样，细胞有边界细胞膜；细胞质中有各种细胞器，细胞器之间既有分工，又有合作；细胞的各部分在系统的控制中心细胞核的统一调控下，协调有序地完成生命活动。“细胞作为基本的生命系统，其结构复杂而精巧；各组分之间分工合作成为一个整体，使生命活动能够在变化的环境中自我调控、高度有序地进行”73生命系统是能动的，开放的，不断地与外界环境进行物质、能量和信息的交流贝塔朗菲在生命问题一书中谈到，活机体相对于周围环境而言，是一个开放系统，这个开放系统不停地将物质排出到外界，又从外界吸收物质，它在这种连续的交换中以稳态方式维持自身5。第4章细胞的物质输入和输出，让学生了解，细胞对于物质的吸收和排出是有选择性的，这是生命活动的体现。选择性一旦消失，细胞的生命活动就停止了，系统也将解体。运输什么物质，以何种形式运输，是由细胞生命活动的需要所决定的，即生命系统是能动的。学生在第4章中将通过物质跨膜运输的实例，了解物质跨膜运输的特点具有选择透过性；这种选择性与生物膜的结构密切相关，接着学生追寻科学家对生物膜结构的探索历程，认识流动镶嵌模型；在弄清生物膜结构的基础上，学生学习物质跨膜运输的三种方式，体会生命系统的开放性。细胞要维持系统的运转，需要不断地从周围环境中获取能量。能量供应是维持生命活动有序性的必要条件。第5章细胞的能量供应和利用的学习，将涉及生命系统如何通过获取能量实现功能上的有序性。细胞的能量获得和利用必须通过细胞代谢，细胞代谢的正常进行离不开酶，本章学习从酶开始；细胞代谢产生的能量不能直接用于细胞的生命活动，需要能量“通货”ATP；ATP中能量的主要来源是细胞呼吸；对于绝大多数生物来说，活细胞所需能量的最终源头是太阳光能，学生将顺次学习ATP、细胞呼吸和光合作用的有关知识。信息交流对于生命系统的维持，与物质流、能量流同样重要。第3章细胞的基本结构关于细胞膜进行细胞间信息交流的功能，使学生可以从中窥见一斑。学生将通过遗传与进化模块的学习，加深对这一观点的理解。细胞的物质交换、能量供应、信息交流，是核心的细胞生物学知识。生命活动的能动性、有序性、开放性及其与周围环境的统一性，尽在其中。4生命系统是演变的、动态的任何一个系统，都有其发生、发展、衰退、消亡的过程，细胞也不例外。第6章细胞的生命历程通过细胞的增殖、分化、衰老和凋亡，展示了细胞这一系统的演变，体现了生命系统的动态性。生命系统在其发展变化的过程中，具有自创生、自生长、自校正、自适应、自维持、自更新等特点。细胞的增殖，在精密的调控机制下有序地进行。细胞的生长，具有特定的规律。细胞的分化，是基因“遵照”遗传信息提供的生命“蓝图”，在不同的细胞中，按照一定的时间顺序选择性表达。细胞的衰老和凋亡，是自然的生理过程，受到严格的由遗传机制决定的程序调控。而癌变，是由于细胞自我调控失常导致。从增殖、生长、分化到衰老、凋亡，细胞所经历的生命历程，正是系统演变的普遍规律，这是运动的观点，也是辩证的观点。三、分子与细胞模块教材知识体系的框架结构从系统的视角认识细胞，以生命系统的