高中生物课程教学的复杂性解读

1、高中生物课程教学的复杂性解读摘要：高中生物课程涉及生命系统的复杂性，高中生物教学系统的一个显著特征也是它的复杂性。复杂性 科学 的新进展为我们 研究 高中生物课程与教学系统的复杂性提供了新的视野与 方法 论。基于复杂性科学的基本观点，高中生物课程涉及生命系统的复杂性主要表现为：生命的非线性、自组织性和系统性。高中生物教学系统的复杂性主要表现为：教学目标的不确定性与非预期性；教学过程的非线性和突现性；教学 内容 的动态性与生成性；教学方法的无序性与互动性。 关键词：高中生物课程；复杂性；复杂性科学；教学系统 高中生物课程涉及生命系统的复杂性,高中生物教学系统的一个显著特征也是它的复杂性。然而，传

2、统生物课程对生命系统的复杂性和生物教学的复杂性缺乏认识与研究。传统生物课程教学由于采用线性的、还原论的思维方式对教学过程做一种静态的 分析 ，忽视了对于教学过程的 发展 与变化的理解与研究，缺少对于教学内容的复杂性与不确定性的探讨。近年来，“21世纪的科学”复杂性科学的兴起，为我们认识和研究高中生物课程与教学系统的复杂性提供了一个全新的方法论视角。 一、复杂性科学及其方法论原则 复杂性科学是20世纪80年代在国外兴起的研究复杂性与复杂系统的综合性科学。复杂性研究的主要目的在于揭示复杂系统内部诸要素之间的相互作用，以及系统与其运行环境之间的相互作用所导致的系统的整体性质和自组织进化机制。复杂性科

3、学研究事物的复杂性，认为“复杂性来自混沌与秩序的边缘，复杂系统的复杂性表现在系统的组分之间或子系统之间，以及系统与系统运行环境之间，有着很强耦合作用，具有难以线性化的非线性性质。”1具体地说，复杂性科学揭示了如下方法论原则。2 非线性。形象地讲，“线性”和“非线性”的区别在于：“线性”是指在坐标系上，其图象呈现一条直线，“非线性”是指若用同样的方法来描述一个复杂系统，其图象会是一条曲线。非线性动力学（nonlineardynamics）指出，在复杂系统中，由于各要素相互联系、彼此 影响 ，任何微小的变化都可能对整个系统产生影响。也就是说，复杂系统的发展具有太多的不确定性，这就使得过去我们所依赖

4、的简单性原则在科学上的理解发生了根本性的变化。 系统性。传统的科学领域推崇还原论（reductionism），把明显的“整体”还原为具体的部分，并强调这些部分对整体的作用，希望通过了解部分来揭示整体的运作 规律 。但复杂性科学诞生后，人们发现由于系统在变化过程中经历了突现、非线性变化，整体具备了新的、复杂的特征。与此相应，人们认识事物的视角也由机械、简单向系统、整体论（holism）发展，以揭示复杂系统的新的本质。 混沌性。所谓混沌（chaos），是指在复杂系统内部，随着非线性的增强而呈现的一种不规则的有序现象，即无序中的有序，是复杂的秩序化。被科学界称为洛伦兹吸引中心的非线形系统“相位空间”

5、图（有时也被称为“鹰眼”或“碟翅”效应 问题 ），被看作是混沌科学的代表。它向人们形象地反映了复杂系统混沌运动的特点：对初始条件的敏感性和内在的不确定性。混沌 理论 告诉我们，在一个发展的复杂系统中，我们无法预测任一给定时刻的变化，无法预测这种变化何时发生，只知道它会发生，其模式是随机的但体现出一种模式。法国 哲学 家埃德加莫兰在其著作中也指出：世界既不可能是纯粹有序的也不可能是纯粹无序的，因为在一个只有无序性的世界里任何事物都将化为乌有而不可能存在，而在一个只有有序性的世界里万物将一成不变，不会有新东西发生。所以，世界的基本特征是有序性和无序性的交集。 自组织性。1977年诺贝尔化学奖得主普

6、利高津（.Prigoginer）指出，复杂系统再构的转化性变化不会发生在系统平衡或接近平衡的状态之时，而是发生在系统能量大量耗散的过程中。 现代 主义者认为“熵”的发展是不可抵抗的，是单向的，并逐渐变大以至于能量耗尽而最终消亡。但是在复杂科学视角下的系统具有“逆熵”（negentropy）而进的自组织性，即系统自身要生存，必须发生大量的耗散。复杂系统在大量耗散能量的同时产生新的能量，以维持系统的存在和平衡。 由此可见，复杂科学是对线性的、机械的、还原的现代科学的深刻反思与超越，其关注整体、重视复杂性的主张引起人类思想领域的一次重大革命，这个革命的性质是以整体性的综合思维方式代替原子论和还原性的

7、思维方式。正如一般系统论的创始者贝塔兰菲所言：“它是应一般科学的需要而对它们进行重新定向。它已经在许多领域中取得了不同程度的成功和成果，并预示了影响重大的新的世界观。”3用复杂性的方法论视角来考察高中生物课程与教学问题，无疑对重新认识高中生物课程知识涉及的生命的本质以及高中生物教学的特征，对重建新的教学观具有重要的指导意义。 二、复杂性视野中的高中生物课程知识 高中生物新课程的必修课内容包括以下3个模块：生物1：分子与细胞；生物2：遗传与进化；生物3：稳态与环境。4必修部分是现代生物学的核心内容，揭示了生命系统的本质和特征，对于提高学生的生物科学素养具有巨大的作用。从复杂性视角解读这3个模块，

8、“分子与细胞”主要体现了生命的非线性与复杂性；“遗传与进化”主要体现了生命的自组织性；“稳态与环境”主要体现了生命的系统性。 （一）生命的非线性与复杂性 在“分子与细胞”模块中，选取了细胞生物学方面的最基本的知识，是 学习 其他模块的基础。通过本模块的学习，学生将在微观层面上深入地理解生命的非线性与复杂性本质。了解生命的物质性和生物界的统一性，细胞生活中物质、能量和信息变化的统一，细胞结构与功能的统一，生物体部分与整体的统一，等等。 生命系统的典型特点是非线性，即整体不等于它的部分之和。也就是说，生命系统的行为不能通过简单地迭加构成系统的成分而推导出。这种非线性特征的分子基础是，各种生物分子如

9、基因和蛋白质之间存在着广泛而复杂的相互作用。一个生物个体通常拥有成千上万种基因，例如最简单的单细胞生物酵母就有6千多个基因，而人的基因数量估计在3万个以上；至于基因产物蛋白质的种类和数量更为庞大。这些生物分子从不孤立地进行活动和执行生物功能，相互之间有着直接或间接的联系。这些联系可能是物理的方式，也可能是化学的方式。正是这些相互作用导致了生物体形形色色的 网络 ，如基因转录调控网络、信号转导网络或代谢网络。因此，生命的所有活动都建立在这些网络的结构和功能之上。 生命现象是复杂的。细胞是生物体结构与生命活动的基本单位。由于分子生物学的发展，细胞生物学的研究也达到了分子水平。分子生物学试图借助于认

10、识构成生命的分子基础如蛋白质和基因等，进而认识细胞或个体的活动规律。虽然分子生物学在近半个世纪取得了极为显著的成就，但是它并没有完全揭示出生命的奥秘。其原因可能在于它研究的生命复杂性层次仅仅处于“线性”思维和还原论水平上，这对于许多生命现象的复杂性是难以解释的。借助于复杂性科学的研究，当代生命科学认识到，生命的复杂性体现在很多方面，比如生物组成成分与结构的复杂性，组分之间的相互作用的复杂性，细胞生化代谢途径和信号传导过程的层次与次序的复杂性，生命系统与环境相互作用形成适应性的复杂性，细胞癌变与衰老的复杂原因，等等。当代生命科学运用复杂性理论来解释这些问题，引入了很多新名词来描述这些复杂性，比如

11、自组织、自稳态、涌现、开放性系统、网络总和等等。在此基础上开发出的新兴的生命科学分支显示出生命科学最新的发展趋势，如功能基因组学、蛋白质组学、数学生物学、系统生物学等。5 （二）生命的自组织性 在“遗传与进化”模块中，选取减数分裂与受精作用、DNA分子结构及其遗传基本功能、遗传和变异的基本原理等知识，主要是从细胞水平和分子水平阐述生命的延续性（自复制）和自组织性；选取现代生物进化理论和物种形成等知识，主要是阐明生物进化的过程和原因。从复杂科学的视角看，遗传与进化是生命的本质特征之一。当代人工生命研究者根据复杂性科学与系统科学的观点，认为生命的主要特征是：（1）自复制；（2）进化；（3）自适应。

12、超循环理论的创始人艾根（M.Eigen）曾经指出在生物学界有三条“经典的”生命标准：6（1）自我复制以保存生命信息，尽管有平稳的破坏；（2）变异性和选择以扩大信息量，为某种价值标准造成某种倾向；（3）代谢作用=自由能流以补偿平稳的熵产生。艾根认为，这些标准肯定是必要的，但对于描述“生命”现象，它们未必是充分的。我们认为，艾根从系统科学和复杂性科学的视角看问题，探讨了生命的功能和信息方面的特征。强调了生命是自复制、自适应、自组织的开放信息系统，它具有进化、对环境作出反应、不断自我更新的属性，这对于理解生命的本质有积极意义。总之，复杂性科学帮助人们冲破了过去对生命本质认识的局限性，使人们从系统的角

13、度、开放性的角度、信息论的角度重新审视生命。 （三）生命的系统性 在“稳态与环境”模块中，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活动的本质。从复杂科学的视角看，“稳态与环境”模块中的知识结构是按照系统思想建构的。它反映了生命的系统性和调控性。稳态是生命系统的一种状态，指个体内环境理化性质的相对恒定的状态，存在于生命的各个层次上，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，都处于稳态。生命系统的稳态实际上是一种动态平衡。一方面这种稳态由于内部代谢过程和外部环境因素的影响而不断遭到破坏，另一方面，通过一定的反馈调节机制，又使生命系统恢复新的平衡。生命系

14、统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发展的。以生态系统为例，生态系统是一个开放系统，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我调节能力，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。总之，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”模块以“系统”这个本体论的概念为核心概念，以“稳态”“环境”和“调节”三个科学概念把生物个体水平和生态水平的要素、行为、稳定和发展等逻辑问题统一了起来。7 三、复杂性视野中的高中生物教学特征分析 从复杂性科学的视角看，高中生物教学是一个由教学目标、教学过程、教学

15、内容、教学方法等要素构成的复杂的开放性系统，它具有如下一些复杂性特征。 （一）教学目标的不确定性与非预设性 从复杂性科学的视角看高中生物教学系统，我们将会发现，生物教学目标具有不确定性与非预设性。教学过程中总会有大量不期而遇的问题，学生的差异和思维是难以预料的，课堂中的“非标准思维”甚至会完全打乱原有的教学设计，使预先设计的教学目标无法完成。教学中还大量存在着偶发事件，它们是“ 教育 过程中的偶然、个案、情境，得不到规律的支持。但它集中体现了教育的复杂性”。“教学过程的真正推进及最终结果，更多由课的具体行进状态，以及教师当时处理问题的方式决定。从这个意义上可以说，一个教师虽然教同一门课，面对同一批学生，但他在每节课上所处的具体情况和经历的过程都并不相同，每一次都是唯一的、不可重复的、丰富而具体的综合。”8 教学目标的不确定性与非预期性的根本原因在于，教学系统是涉及人（教师与学生）的系统。人作为一种具有高级思