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中学生物学课程应聚焦学科核心素养,目的是强化学科育人功能。而学科核心素养的提炼,必须基于对学科本质的深入理解,也就是要弄清楚这个学科到底是怎样的一个学科,它具有哪些不同于其他学科的性质和特点。关于这个问题,可谓仁者见仁,智者见智,难以找到标准答案。本文试就这一问题,谈谈自己的学习体会和不成熟的思考,供大家参考。

一、对生物学研究对象的认识──从生物的定义到生命本质观

学科本质是由什么决定的?我以为首先是由这门学科的研究对象所决定的。众所周知,生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学。通俗地说生物学的研究对象就是生物。什么是生物?这个看似基本而简单的问题,在生物学中却难以找到令人满意的答案。教科书上往往说“有生命的物体就是生物”,但这一说法并不能提供判断一个物体是不是生物的依据,因为它并未指出什么样的物体才是有生命的物体。何况有生命的东西并不一定称得上是生物,比如多细胞生物体内的一个细胞,实验室里培养了半个多世纪的海拉细胞,蜥蜴逃避敌害时自动断下来的尾巴,等等。换言之,生命体和生物体之间不能划等号。虽然用一句话给生物下定义有困难,但是在绝大多数情况下,可以依据生物的基本特征来判断一个物体是不是生物,比如生物都有新陈代谢、生殖和发育、遗传和变异、应激性等。其实这些特征也都是以生物为前提来描述的,比如新陈代谢就定义为生物体内或活细胞内所有化学反应的总和,而病毒不具有细胞结构,自然也谈不上有新陈代谢,但多数人仍将它看作生物。再比如生殖,如果不以生物为前提来定义的话,那就只好说成是自我复制,但能自我复制的也不一定就是生物,如计算机病毒;不能生殖的也不一定不是生物,比如骡、工蜂,包括人类也有不具备生殖能力的个体。定义生物存在的困难说明生物界的复杂性和多样性,即说明生物学研究对象的复杂性和多样性。

什么是生物?这一问题必然涉及生命本质观。不同思维模式下的生命本质观是有很大差别的。

经典物理学思维模式下的生命本质观,包括机械论的生命本质观和还原论的生命本质观。前者认为生物体就是一部机器,由各种零件机械组装而成,只要弄清都有哪些零件及这些零件的结构和功能,这部机器就一目了然了,比如西方医学就是把人体当作机器来对待的;后者认为一切生命活动都可以还原为具体的物理运动和化学反应,简单的物理运动和化学变化加在一起就成为复杂的生命活动。按照这种思维模式,生物学与物理和化学相比,在思维模式上就没有什么不同,学科育人价值自然大打折扣。

生物科学思维模式下的生命本质观认为生物体都具有共同的基本特征,比如都有蛋白质和核酸这样的物质基础,都有新陈代谢、生殖和发育等生命现象,其中迈尔的观点颇为耐人寻味:生命体由独特的大分子构成;生命系统中的重要现象是质的而不是量的;所有层次的生命系统由高度可变的独特个体的群体组成;所有的有机体拥有历史上进化来的遗传程序;有机体是自然选择的产物;生命过程特别难以预料。从细胞到器官是质的飞跃而不能仅视为细胞数量的增加,从器官到个体、从个体到种群、从种群到群落到生态系统都是如此。生物都是历史的产物,经过数十亿年的自然选择传递下来的遗传程序在很大程度上决定了此生物不是彼生物,也就是说过去在很大程度上决定现在和将来,研究现在必须要研究过去。生物的这一特性决定了历史的方法是研究生物学的重要方法。生命过程为什么特别难以预料?因为生物是活的,不是死的,还因为生物体内部有复杂的相互作用,同时又与环境有复杂的相互作用,这些相互作用的结果往往难靠逻辑推理来推断。比如基因在一定程度上决定寿命,但影响个体寿命的因素实在太多,并且有许多是随机的、偶然的因素,因此,每个个体的寿命是难以预测的,只能将一个统计意义上的平均值作为预期寿命。生命过程特别难以预料,生物学中的因果关系存在多种可能性,不像经典力学上给物体多大的外力就能按公式算出产生多大的加速度,这就决定了生物学思维模式在很大程度上区别于经典物理学思维模式,对生物学的这一特点缺乏认识,就会把生物学教成“死物学”!

系统科学思维模式下的生命本质观认为生命有机体是一个自组织、自复制、自适应的开放的复杂系统。这里对几个关键词稍作解释。所谓系统就是由若干要素通过相互作用而形成的具有一定功能的整体。认识到生命体是一个有机整体──系统,这是生命本质观的一次飞跃。开放系统是指系统在物质、能量和信息上是对外开放的,与环境之间有着物质、能量和信息的交流。生命的活力本质上来源于生命体在物质、能量和信息上的对外开放,生命是物质、能量和信息的统一体。中学生物学不深入到这一层次,就不能说揭示了生命的本质。自组织是指开放系统在自身内在机制调控下由无序向有序、从简单向复杂转变的过程,其中伴随着能量的耗散和新结构的出现,例如,将来自外界的物质转变为组成自身的物质并形成一定的结构,由一个受精卵发育为具有各种组织和器官的个体。自复制在生物学上包括细胞的增殖和个体的繁殖等。自适应是指生物能通过自身的调节机制来适应环境的变化。复杂系统是相对于简单系统而言的,是指该系统由多个子系统组成,每个子系统又是由多层次系统组成的,子系统之间有复杂的相互作用,子系统内部又有复杂的相互作用,因此,系统的功能不等于子系统功能的线性叠加,各子系统的性质不能说明该系统整体的性质,整体大于部分之和。这几个关键词集中概括了生物不同于非生物的特点,在很大程度上也决定了生物学不同于其他学科的学科本质。

二、对中学生物学学科本质的看法

现在大家常说的学科本质,到底是指学科自身的本质还是指该学科课程的性质?我以为是二者兼有的。本文标题既然限定在“中学生物学”范畴,更多意义上是指中学生物学课程,而中学生物学课程的性质又在很大程度上决定于生物学的学科性质,二者是不可分割的统一体。

关于中学生物学的学科本质,我认为它应当包含两个层面的内涵。一是生物学本质上是一门自然科学,同物理、化学、地球和空间科学一样具有自然科学属性,相应地,中学生物学课程也就是一门自然科学课程,应当具有自然科学课程的属性。二是生物学不同于物理、化学、地球和空间科学,它具有自身的特点,因此,中学生物学课程也就不同于其他自然科学课程,具有独特的特点和不可替代的育人价值。

1.生物学科的自然科学属性

生物学的自然科学属性反映科学的本质。关于科学本质的内涵,文章论著林林总总,这里无需展开,只摘录《义务教育生物学课程标准(2011年版)》(以下称“课程标准”)的相关论述并稍作解读:“生物科学有着与其他自然科学相同的性质。它不仅是一个结论丰富的知识体系,也包括了人类认识自然现象和规律的一些特有的思维方式和探究过程。生物科学的发展需要许多人的共同努力和不断探索。这些是生物学课程性质的重要决定因素。”自然界是自然科学的认识对象。某个方面的认识成果只有在结构化形成一个知识体系后才能成为一门科学。因此,科学首先是关于自然界的知识体系,这种知识体系是开放的、动态的,会不断有新概念、新观点、新思想涌现,过时的观点、概念可能会得到修正甚至剔除,换句话说,科学知识只是人们在一定阶段对自然界的认识,固然具有相对稳定性,但并不意味着是终极真理,因此在科学领域里倡导合理的怀疑,“以怀疑作审视的出发点”,合理的怀疑是科学进步的动力。科学不仅是知识体系,也是一种探究的过程,并且始终处于探究的过程中,在探究过程中形成科学研究特有的思维方式。科学研究特有的思维方式首先是高度理性,即尽量排除研究者主观因素的影响(尽管完全排除几乎是不可能的,观察亦负载理论),做到力求反映客观实际,科学的求真精神即源于此;还包括重视逻辑和实证,“以实证为判别尺度,以逻辑作论辩的武器”。现代科学研究不能靠“单打独斗”了,团队合作尤为重要,这又离不开合作精神。正是基于科学本质的这些内涵,课程标准才对课程性质作如下阐述:“义务教育阶段的生物学课程是自然科学领域的学科课程,其精要是展示生物科学的基本内容,反映自然科学的本质。它既要让学生获得基础的生物学知识,又要让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法。生物学课程期待学生主动地参与学习过程,在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识,养成理性思维的习惯,形成积极的科学态度,发展终身学习的能力。”

课程标准强调中学生物学课程的自然科学课程属性无疑是正确的,这反映了当代科学教育的正确方向。然而,仅仅强调其自然科学课程属性也是不完整的。生物学还有着不同于其他自然科学的特点,相应地,中学生物学课程自然还应当有不同于其他自然科学课程的特点,这些特点也应当属于学科本质的范畴。

2.生物学科不同于其他自然科学学科的特点

关于生物学学科特点的概括,更是见仁见智之事。朱正威老师在上个世纪发表的文章中作出如下概括:生命物质基础的特殊性──生物大分子,生命自然界的多层次性,生命是一个复杂的开放系统,生命活动和信息变换,生命自然界是一个复杂的网络,在生命科学中人是研究的主体又是客体,生命科学研究方法的独特性。上述论述为我们思考生物学的学科本质提供了框架和视角,具有开创意义。本人在学习和思考基础上,试做如下概括:研究对象的特殊性,思想观念的人文性,概念和规律的概率性,思维方式的灵活性,研究方法的综合性,学科地位的领先性、实践应用的广泛性。

1)研究对象的特殊性

研究对象的特殊性表现在以下几个方面:①研究的对象是活的,有生命的,这就注定了研究过程会有关于生命的体验和感悟,对学生来说无形中就是一种生命教育;也决定了研究的方法是灵活的,思维方式是灵活的,不能用机械的模式化的研究方法和思维方式去研究生物(学习也是一样);②研究的对象是复杂系统,即使是显见的生命现象也是复杂的相互作用的产物,不能用线性的因果决定论的思维去研究(学习也是一样);③研究的对象是历史的产物,因此研究时需要历史的视角和历史考察的方法,不能仅限于就事论事;④研究的对象包括人,换句话说,人既是研究的主体,又是研究的客体,这在其他学科是罕有的,这就决定了这门学科跟学生的心理是最贴近的,也决定了其育人价值的不可替代性。

2)思想观念的人文性

思想观念的人文性主要表现在它实现了世界观、人生观和价值观的全覆盖。生物学的学科思想最核心的是进化思想和生态学思想。

进化生物学从诞生之日起,就天然具有浓厚的人文色彩,承载着实在的价值观念,在许多国家曾经激起思想的波澜。进化思想的主要内容包括:生物不是神造的,现存的包括人类在内的所有生物是由原始的共同祖先不断进化而来的,所有生物之间都有亲缘关系;进化的过程是从简单到复杂,从低等到高等,从水生到陆生;进化的原因主要解释为以自然选择学说为核心的现代生物进化理论;进化的结果表现为分子的进化、物种的进化、生态系统的进化(生物多样性的形成),也表现为生物对环境的适应;进化的方向是多元的,进化的结果是不完美的(适应的相对性),不一定是对环境的适应能力更强,而是占领更多的生态位,更加充分地利用地球上的资源和空间。

生态学的发展始终与人类面临的资源和环境问题息息相关,现在已经成为可持续发展的理论基础。生态学思想的主要内容包括:生物与环境的整体性,生物与环境关系的复杂性,互为因果的循环性,自我调节实现的稳定性,生物与环境的发展性和协同性。

进化思想和生态学思想宛如编织生物学知识体系的经线和纬线,贯穿宏观和微观,纵横交错,浑然一体。它们解决了如何看待自然界的问题,是辩证唯物主义自然观的基础,自然观则是世界观的重要组成部分。进化思想告诉人们,人类是大自然演化的产物,同其他生物一样是自然界的一员,而不是凌驾于其他物种之上的主宰;生态学思想告诉人们,生物与环境是不可分割的整体,牵一发而动全身,人类对自然资源的利用、对生态环境的影响只有控制在环境承载力和生态系统调节能力范围之内,才能与自然和谐相处,经济和社会才能实现可持续发展,同时还告诉我们生物多样性的重要价值,以及生物科学、技术、社会、环境(STSE)的相互影响,这都直接影响着人们的价值观。进化思想和生态学思想还告诉人们,生命来之不易,包括人类的生命在内,都是亿万年生物的遗传基因与环境相互作用的产物;从宏观到微观的生物学知识也都在引领我们欣赏和感悟生命的神奇和美丽,领略生物与生物、生物与环境的相互依存,告诉我们应当珍爱生命,善待他人,爱护动植物,这无疑有助于形成正确的人生观。

除了进化思想和生态学思想之外,生物学中还有不少学科思想富于人文性。例如适度与平衡的思想、群体思想等。适度与平衡的例子比比皆是:过量饮酒伤身,适度饮酒于身体有益;过度放牧对牧草有害,适度放牧则对牧草的生长有利;雄鹿的角长一些,容易得到雌鹿的青睐,但角过大就会影响身体平衡和奔跑速度,大角鹿就因此而绝灭;膳食平衡、生态平衡、碳氧平衡、水盐平衡,等等。群体思想认为生命系统是由许多独特个体相互配合组成的群体,每个个体都有独特的作用,同时又离不开其他个体。比如在多细胞生物体内,“细胞的生命历程虽然短暂,却都对个体的生命有一份贡献。”在人体内,内环境的稳态“让每一个细胞共享,又靠所有细胞共建。”在蜜蜂种群内,蜂王、雄蜂和工蜂职能不同,但都是不可或缺的。群体思想启迪人们做好自己就是对群体的最大贡献,个体的意义只有在群体层面才能体现,这与我国自古倡导的敬业乐群思想和现在倡导的社会主义核心价值观有异曲同工之妙。

3)概念和规律的概率性

研究对象的复杂性和多样性决定了生物学的概念和规律的概率性(我曾概括为“粗放性”,考虑到“粗放”似有贬义,从此弃之不用了)。生物学中的概念大多是观察基础上归纳概括的产物,而不是靠数理逻辑的演绎,因此,往往不够精致,不宜作绝对的理解。比如,关于有性生殖,教科书上定义为雌雄两性生殖细胞两两结合,形成受精卵,由受精卵发育成新个体的生殖方式,而蜜蜂等动物的单性生殖(孤雌生殖)也属于有性生殖,就与定义产生矛盾,其实这就是生物界复杂性导致的,如果因为有个别例外就改变定义,比如将有性生殖定义为通过有性生殖细胞产生新个体的生殖方式,又过于笼统,令人费解(还要解释什么是有性生殖细胞,最后导致循环定义),反而与生物界的实际情况离得更远。再比如生态学中消费者和分解者的概念,前者指以动植物为食的动物,后者指腐食性的细菌和真菌等微生物,而蚯蚓偏偏出来添乱,它既是动物,又是腐食性的,划归哪一类都有问题。其实消费者也不见得不吃动植物遗体,分解者也不见得不吃活东西,那只是根据它们获取有机物的方式大致区分而已,本质上二者都是异养的,都是将获取的有机物氧化分解,利用其中的能量,将产生的二氧化碳和水释放到环境中,都可以看做是分解者。说到底,大自然不是因为人类的存在而存在,更不是根据人类通过思维进行的分类而存在的。分门归类不过是人们认识自然界的一种手段而已。生物学的概念教学如果忽视概念的实质,只顾抠字眼儿,就不可能把生物课上活,弄不好又把生物学教成“死物学”。

因为生命系统都是复杂系统,以及生命世界无穷的多样性,所以生物学的规律大都是统计意义上的规律,也有人说过,“在生物学中只有一条普遍规律,那就是:‘所有的生物学规律都有例外’。”猫捉老鼠天经地义,但也有猫被老鼠吓跑的时候。生态系统的能量流动规律是单向流动,逐级递减,偶尔也有逆向流动的时候,比如人吃食用菌。关于生物学规律的教学要让学生认识到这一学科特点,注意生物学规律的概率性或者称或然性。

说到概念和规律,生物学的进步更多表现为新概念的提出和改进,而不是发现新的规律,因此,生物学中概念繁多而定律极少,这或许也是生物学不同于其他自然科学的一大特点。究其原因,同样是由于研究对象的复杂性和多样性。

4)思维方式的灵活性

研究对象的复杂性和多样性,概念和规律的概率性(或然性),决定了生物学思维方式的灵活性。思维方式的灵活性表现在对概念和规律不作绝对的理解,对事物能作多因素多角度的分析,对问题的求解不过分追求非此即彼的标准答案。思维方式的灵活性还表现在思维方式的多元化,既注重自然科学普遍运用的形式逻辑思维和分析式思维,又注重辩证逻辑思维、整体性思维和复杂性思维。

麻雀吃种子,导致粮食作物减产,因此对人类有害,这是形式逻辑思维。麻雀在繁殖期间能捕食大量农作物害虫,间接保护了庄稼,因此对人类有益,这也是形式逻辑思维。既看到麻雀有害的一面,又看到它有益的一面,这就是辩证逻辑思维。生物学中这样的例子不胜枚举。

研究生物体的结构和功能,首先要由表及里、从整体到局部,如通过动植物解剖来认识动植物的内部结构等,这是分析式思维,这无疑是十分必要的。但整体不等于部分的简单叠加,单独研究一个个部分时,很难看出它们之间的相互作用,相互作用只能在整体中出现,因此仅靠分析式思维是不够的,还必须有整体性思维。从基因组到细胞,从细胞到个体,从个体到种群,乃至生态系统、生物圈,都需要作为一个整体来研究。生态学思维就是整体性思维的典范。它关注事物和过程的网状因果关系和环状因果关系,重视非线性的和循环因素的分析;注重将人类生态系统作为各种组分相异相依、相克相生、共存共荣的有机整体,主张摈弃传统的极端功利型思维,倡导互利型的思维方式。(这里顺便提一下,中学生物学课程中生态学内容理应占有非常重要的地位,不论是否精简,都应是全体学生必修的,因为它不仅关乎生态学知识的普及,而且关乎人们的思想观念和思维方式,这在倡导生态文明建设的我国显得尤为重要。)

生命系统的复杂性和多样性突出,内外因素的必然性和偶然性并存,这就决定了研究生物学需要复杂性思维。比如基因与性状的关系,“一个基因一个酶”是简单性思维的体现,认识到基因突变的随机性、基因之间的相互作用、基因与蛋白质间的相互作用、细胞核与细胞质的相互作用、细胞与内环境的相互作用,个体与环境的相互作用,从而认识到基因与性状关系的复杂性,才是复杂性思维的体现。那种认为将几只老鼠装在一个一定大小的笼子里,只要供给足够的食物和水,它们就能按S型曲线实现种群增长的想法,显然就是缺少复杂性思维,而这样的习题考题却比比皆是。

形式逻辑思维的训练是必要的,在这方面中学生物学并不比数理化占优势。辩证逻辑思维、整体性思维和复杂性思维的训练更是一个人在现代社会生存和发展所需要的,中学生物学在这方面可谓优势历然。

5)研究方法的综合性

生物学研究对象的特殊性还决定了研究方法的综合性,这一方面表现在数学、物理和化学方法在生物学中的综合运用,自然科学通用的观察法、实验法、调查法、模型法等在生物学中同样广泛应用;一方面表现在分析与综合的结合以及历史考察法的运用。此外,因为研究对象是活的,具有复杂性和多样性,因此通过对照实验控制变量、设置重复组、求平均值等方法,在生物学实验中得到格外重视。

6)学科地位的领先性

同样正是由于生命系统的复杂性和多样性,对它的研究有赖于其他自然科学的发展:既有赖于物理化学的技术和手段延伸研究者的感官,又有赖于其他自然科学的理论和方法武装研究者的思维。因此,生物学的研究需要以其他自然科学为基础。相对于其他自然科学的成熟程度,生物学又是一门有着众多未知领域的正处于迅猛发展过程中的科学,吸引许多其他学科的科学家投身其中,由此产生许多前沿的交叉学科。生物学带动其他学科向前发展,已经成为自然科学中的带头学科。

7)实践应用的广泛性

说到生物学实践应用的广泛性,许多人会想到其他自然科学的应用同样非常广泛,因此对这一说法未必认同。是的,所有的自然科学同技术的结合,都产生了非常广泛的应用,但至少有一点,生物学是独占鳌头的,那就是其他自然科学的应用大都发生在人的身外,而生物学的应用则不限于身外之物,也深入到人的体内。试管婴儿、器官移植、干细胞技术、克隆器官(生殖性克隆人在禁止之列)、基因诊断、基因治疗,等等,有的已经广泛应用,有的已经展示出广阔前景,有的还引发对人类伦理道德体系的冲击,影响到未来的人类文明。对生物学科这一特点,究其原因,还是源于研究对象的特殊性──包括人。

综上所述,中学生物学的学科本质包括两个层面的内涵:一是具有自然科学(课程)的属性,二是具有不同于其他自然科学(课程)的特点。我们既要将生物课上成真正的科学课而不是语文课、政治课,又要将生物课上成真正的“生物学”课而不是“死物学”课。一言以蔽之,只有理解生物学的学科本质,才能聚焦学科核心素养,彰显学科育人价值!

    
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