基于系統論思想的高中生物學教學初探

王毅陽+張鋒

摘 要 生物學蘊含著許多科學思想，系統論思想就是其中的重要內容。在大多數情況下生物學的具體內容可以在系統思想的框架下得到解釋，因此，在高中生物學教學中引入系統論思想，能夠潛移默化地幫助學生優化認知策略、改善思維品質，實現生物學科的科學教育價值。

關鍵詞 系統論思想 高中生物學教學 認知策略

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

任何一門學科都具有塑造學生特殊的思維品格、思辨能力和創造素質的獨特價值。然而，當前一些流行的教學模式和教學方法多是基于教與學規律，以強調基礎知識和基本技能為出發點的教學行為方式，其實并沒有觀照各個學科理論體系自身的邏輯，從而導致學科特色不鮮明，相對削弱了學科教育對學生的學科理性思維熏陶，也必然不能帶來課堂教學狀況的根本改變。

如何在教學過程中體現學科教育本身的價值，需要教師以學科思想方法、學科邏輯對學科教學的指向性要求為邏輯起點，依據學科獨有的規律、原理，努力體現學科理論體系的邏輯與教育教學規律的融合。只有理解了學科知識、學科能力與學科思想方法之間的內在關系，教師才能采用有效的教學組織方式，學生的學習才能做到綱舉目張。高中生物學必修模塊是現代生物學的核心內容，揭示了生命系統的本質和特征，對于提高學生的生物科學素養具有不可或缺的作用。這也是探討在高中生物學教學中引入系統論思想的初衷。

1 生物學科思想是生物科學教育的重要內容

現行《普通高中生物學課程標準（實驗）》明確指出：課程的基本理念是提高高中生的生物科學素養，也是課程標準實施中的核心任務。可見，生物科學教育的目標不只是讓學生獲得生物學知識，更主要的是使他們形成關于生命的基本觀點，獲得探索生物界客觀規律的方法，同時培養創新能力和科學精神。

生物學科思想反映了生物學的思維特點和學習規律，是生物學知識學習、產生和發展的動力，是學科能力發展的催化劑，是學生認知和理解生物學最具影響力的內容。

2 系統論思想是生物學科思想的重要內容

系統論思想是在生物學科思想的研究基礎上建立起來的，生物學家貝塔朗菲最早提出系統論的思想。他認為系統是由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合成的、具有特定功能的有機整體，提出系統觀點、動態觀點和等級觀點。魏宏森教授進一步提出：“廣義系統論是把對象作為組織和自組織復雜系統進行專門的科學技術哲學研究的一般系統理論，是綜合現有的一般系統論、信息論、控制論、耗散結構、協同學和超循環論等現代復雜性系統理論中的科學基礎哲學問題的橫斷科學。”桂起權教授更是提出“系統論可以看作是生物學理論背后的元理論”的觀點。

由此可見，生物學蘊含著許多科學思想，系統論思想是其中的重要內容，在大多數情況下生物學的具體內容可以在系統思想的框架下得到解釋。高中生物學教材也是用系統論思想來詮釋生命的。

3 高中生物學課堂引入系統論思想的基本要素

3.1 明確系統論思想在教材內容和編排上的體現

系統論思想包含系統思想觀點和系統思想方法兩個方面。系統都具有整體性、關聯性、等級結構性、動態平衡性、時序性等基本特征。它們既是系統論的基本思想觀點，也是系統方法的基本原則。

教師可以從系統論視角理解高中生物學的三個必修模塊：

《分子與細胞》模塊突出細胞是基本的生命系統這條主線，選取了系統的層次、細胞的組成、結構、功能及細胞的生命歷程等知識。通過學習，學生能夠理解生命系統的非線性（整體不等于它的部分之和）與時序性（生命系統的組成要素在時空上有嚴格的確定的秩序或相對穩定的位置以及生命活動的時序性）本質。

《遺傳與進化》模塊以基因的本質、功能及其發現歷程為主線，選取了減數分裂與受精作用、DNA分子結構和功能、遺傳和變異的基本原理、現代生物進化理論及物種形成等知識。通過學習，學生將會理解生命系統是開放的信息系統，它具有自我更新、適應、演化的特性。

《穩態與環境》模塊的知識結構是更是凸顯了系統論思想。本模塊以生物個體、種群、群落和生態系統各個層次生命系統的穩態的干擾和維持為主線，選取了人體穩態的調節和生態系統有關組成要素活動對生態系統穩定性的干擾和維持等知識。通過學習，學生將理解：生命活動過程的本質是物質的變化、能量的轉化和信息的傳遞過程;生命系統的穩態實際上是一種動態平衡，其穩態不僅有其自身的調節，還與所處的環境有著緊密的聯系，生命系統正是在穩態不斷受到破壞而又同時得到恢復的過程中得以維持和發展的。該模塊的學習將進一步幫助學生從系統的角度認識生命。

3.2 將系統論思想融入生物學知識建構過程需要關注的問題

從系統論觀點出發，將系統論思想融入生物學知識建構過程，教師可以引導學生主要從三個方面入手。① 樹立系統的整體觀。在研究系統的一個要素時，還要觀察其他不同的、相互作用的要素，分析它們在多重要素的影響作用下作為一個整體的行為，以及表現出來的新的整體的性質和功能的。② 明確系統整體的性質和功能取決于系統內部的結構和聯系的認識。要搞清楚構成系統的要素的性質、數量、空間排列及時序組合，弄清楚系統要素間發生的物質、能量、信息的傳遞和交流狀態。認識系統就要弄清系統內的結構和聯系，改造系統就是調整系統的結構和聯系。③ 理解生命系統的開放性與動態性。每個系統都是一個更大系統的組成要素，因此系統的性質和功能受到環境的影響。生命系統是開放的，與外界交換物質、能量和信息，才能維持其生命，系統總是處在運動和變化的狀態之中。

以人教版高中生物《必修3·穩態與環境》中“血糖平衡的調節”的教學為例，筆者嘗試探討系統中要素與要素、要素與整體、整體與外界環境間的聯系，從系統論觀點出發將系統論思想融入生物學知識建構過程，說明系統的基本特性。

首先，在教學中將血糖平衡的調節看做由多重要素構成的整體——系統，參與調節的結構如胰島細胞（胰島A細胞和胰島B細胞）、消化系統、下丘腦等都是系統中單獨存在的各個要素，系統的整體大于部分之和，即要素在系統中所具有的性質和功能，不同于其獨立于系統之外的性質和功能。相同的要素在不同的系統中有不同的性質和功能，如下丘腦在血糖平衡調節系統中的性質和功能與下丘腦在體溫調節系統中的性質和功能是不同的。系統整體的性質和功能往往取決于系統內部的結構和要素聯系。系統的結構和要素的聯系方式不同，系統的性質和功能可能就不同，如血糖平衡的調節系統與神經系統的結構和要素聯系不同，也就具有與神經系統不同的性質和功能。要素的數量和質量也對系統的功能產生影響，如胰島B細胞分泌的胰島素不足會使血糖平衡系統的調節失衡。因此，教師在教學中要引導學生厘清系統內的結構和構成系統的要素的性質、數量、比例、空間排列及時序組合等。

接著教師要讓學生明確各要素間存在著密切的聯系。消化系統中的糖類的消化和吸收是人體血糖的主要來源之一，根據飯后血糖含量變化曲線圖（圖1）可以看出：早餐后血糖含量逐步升高，升高到一定程度后又逐漸回落到正常值（0.9g/L）附近，而早餐后較長時間不再進食也不會引起血糖含量的劇烈變化。從一般系統科學的因果關系類型分析方法出發，消化系統的作用使血糖含量升高，隨著細胞的氧化分解、糖原的合成以及非糖物質的轉化使血糖降低，血糖含量變化又引起胰島細胞和下丘腦兩個系統要素行使相應的激素調節功能，最終使血糖含量維持正常，體現了系統的動態平衡性。血糖平衡調節系統又從屬于一個更大的系統——內分泌系統，說明系統同時具有等級結構性。

最后，教師要讓學生明確系統中還存在反饋，即系統本身工作的效果會反過來作為信息調節該系統的工作。反饋有正、負反饋之分，正反饋促進加強控制信息的作用，使生理過程逐步加強，不可逆地進行，直至最終完成;負反饋則抑制減弱控制信息的作用，起到不斷“糾正”控制信息的效果。正反饋和負反饋對于生命體維持穩態都具有重要作用，人體血糖平衡的調節系統中同時存在著正反饋和負反饋。當血糖濃度低于正常時，血糖濃度降低這一信號將啟動胰島A細胞和下丘腦的正反饋過程，一方面使胰高血糖素分泌增加，促進肝糖原的分解和非糖物質的轉化;另一方面增加腎上腺素分泌，促進糖原分解，最終達到使血糖升高的目的。同時，血糖濃度降低也會作為負反饋啟動的信號，抑制胰島B細胞分泌胰島素，使胰島B細胞促進組織細胞加速攝取、利用和儲存葡萄糖的作用減弱，最終抑制血糖進一步降低，達到升高血糖的目的。

由于人們對生命系統的研究是多層次、多方向的，在對生命系統研究時，教師需要從不同角度進行分類，所以，不同層次的要素具有相對性。基于系統論的思維方法，不只是考察單個事物，也不只是進行概念、判斷、推理，還用模型來模擬、檢驗推理。它是通過對部分和整體作細致的觀察研究、從整體上把握事物。在生物學教學的過程中，教師要注重生命系統的整體性，研究系統的內部結構及聯系，強調系統的開放性與動態性。生命是一個復雜、開放、自組織的系統。由于生命系統的復雜性以及非線性、混沌的特點，使生物現象和生命活動規律大部分不遵從因果決定性原則。因此，用系統論的基本思想方法來指導學生的學習，更有利于學生理解生命現象和生物學事實，掌握生物學的概念和基本結構，養成系統思維的習慣，形成學科能力。

3.3 將系統論思想融入生物學知識體系建構過程

布魯納說過：“學生對所學材料的接受必然是有限的，怎樣能使這種接受在他們以后一生的思考中有價值？回答是：不論他們選取什么學科，務必使學生理解該學科的基本結構。”在教學組織過程中，教師引導學生運用系統論思想方法，對本節課的所學知識和概念進行逐一分析，構建學科內容結構的基本思路（圖2），明確本節內容在不同學習階段的呈現形式和學習重點;明確所學知識與先前學習內容以及將來學習內容的邏輯關系;厘清不同內容與學科方法的實然聯系，把握學習的核心內容，構建學科的內容體系。在系統論的思想的指引下運用生物學方法方法分析生命現象和解決問題，使得復雜的生命現象和問題變得簡單，使生物學科內容更生動、形象、深刻，也有利于學生領會了相應的生物學方法，避免學生出現學科知識碎片化和淺表化，技能與方法運用的機械、模仿的現象。同時，也使得抽象的學科思想得以彰顯，學生對系統論的思想方法也有一個清晰認識。

在血糖平衡模型構建成功的基礎上，學生能夠很容易構建起分級調節的知識網絡。下丘腦作為內分泌系統的樞紐，不僅作為血糖調節中樞，通過傳出神經直接作用于胰島細胞與腎上腺，調節激素分泌，還通過分級調節方式調節甲狀腺的活動。在甲狀腺激素分泌的分級調節中，利用一般系統科學的空間結構方法分析下丘腦-垂體-甲狀腺構成的整體系統：下丘腦分泌的促甲狀腺激素釋放激素（TRH）作用于垂體，促使垂體釋放促甲狀腺激素（TSH），促甲狀腺激素（TSH）隨血液運輸到達甲狀腺，使甲狀腺激素的合成和分泌增加，體現了系統論思想的等級結構性。血液中的甲狀腺激素的含量同時也能作為負反饋信號，反過來抑制下丘腦和垂體的分泌。生命系統是一個復雜開放的自組織系統，與環境相互作用的同時，會進行一定的調整以適應外界環境變化，如在寒冷環境中生命體會增加甲狀腺激素的合成與分泌。在當前所學的甲狀腺激素分泌的分級調節基礎上，學生能夠更容易理解水鹽平衡調節以及體溫調節（將來需學）等內容。

在高中階段，考慮到學生的知識水平與接受能力，將系統論思想引入生物學的學習過程的目的，不是要求學生完整的理解系統的概念，而是期望他們在解決問題的過程，關注整個系統，以便理解和處理整個系統的問題或現象。

教師從系統論思想入手，組織教學活動，能夠潛移默化地幫助學生優化認知策略、改善思維品質，使學生的學習過程更有意義，更好地實現生物學科的科學教育價值，為提高學生的科學素養和學生的終身發展奠定基礎。

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