基于“穩態與平衡觀”的跨學科知識在高中生物教學中的應用

劉煥書

(福建省上杭縣第一中學 364200)

“穩態與平衡觀”是《普通高中生物學課程標準(2017)》中凝煉出的生物學學科核心素養之一——生命觀念中的重要內容，是自然科學課程共同的重要概念.通俗的說，穩態即維持相對穩定的狀態，而平衡是對立的兩個方面或相關的幾個方面在數量或質量上均等或大致均等.生命系統是一個穩態和平衡的系統，無論是構成生命的物質還是結構，亦或是個體的數量，在系統的調節下，均需保持相對穩定，否則生命就無法正常進行.所以在高中生物學教學中培養學生牢固形成“穩態與平衡觀”，在高中生物復習中利用穩態與平衡的觀念來構建相關的知識體系，并且利用穩態與平衡的觀念來實現跨學科解決一些實際問題，包括試題，具有重要的意義.

一、基于“穩態與平衡觀”的人體水平衡數學模型的建構

在數學上，學生從小學開始就懂得，一個小水池，有一進水口和一個出水口，當進水速度大于出水速率時，水池中的水會越來越多，反之會越來越少；當進水速率與出水速率相當時，水池中的水能保持相對穩定.利用學生這個熟悉、易理解的原理，進行人體水平衡知識的建構.人體內的水分約占體重的50%～60%，相當于水池中的水量，每天水的來源相當于進水口，每天水的排出相當于出水口，當人體水的來源(主要包括飲水、食物中的水、代謝產生的水等)與排出(主要通過腎臟排尿、皮膚排汗、呼吸中的水蒸氣和糞便中帶走的水等)相當時，人體內的水就能保持相對穩定.由于人體排出的水量的多少主要受水的來源(用a表示)的影響，而排水主要是通過排尿量(用y表示)和排汗量(用x表示)進行；且排尿量的多少又受出汗量的變化而變化.所以可以用一個公式表示它們間大致的關系：y=a-b-x(b代表呼吸中以水蒸氣形式和糞便中帶走的水量等).

利用建立的水平衡知識數學模型，能較好地系統的理解相關知識和解釋有關問題.例如，為什么冬天排尿量相對較多而夏天排尿量較少？如果在人體水的攝入量(a)一定量的情況下，由于冬天氣溫較低，汗腺分泌汗液(x)較少，所以排尿量(y)值增大，而夏天氣溫高，人體分泌汗液量大，排尿量就少.

基于“穩態與平衡觀”建立水平衡模型，先通過類比推理的方法，利用大家熟悉的數學模型，構建出人體水平衡的知識框架，使人體內水平衡的知識變的直觀形象，再進一步分析水平衡的具體過程，總結出簡單的公式模型.在此基礎上引出人體水平衡的調節.

二、基于“穩態與平衡觀”的物理原理的人體體溫恒定的知識模型建構

在物理學上，要保持物體溫度的相對恒定，必需物體獲得的熱量等于物體的散熱.比如電冰箱、空調和熱水器等都大致是這個原理.其實人體體溫的恒定也遵循這一理論.健康人的體溫能恒定在37℃左右，就是人體的產熱量等于散熱量.人體熱量的來源主要是細胞進行呼吸作用將有機物氧化分解時，可以釋放大量熱量，特別是骨骼肌和肝臟產熱較多；而熱量的散失主要通過皮膚進行的，包括毛細血管的散熱和皮膚中汗腺分泌汗液的蒸發，此外呼氣、排尿和排遺等也會帶走一部分的熱量.體溫恒定的過程如圖1所示.

圖1

利用此體溫恒定的知識模型，可以從相對宏觀的角度理解體溫調節過程，在寒冷時，骨骼肌和肝臟等代謝加強，產熱量增加，同時皮膚毛細血管收縮和汗腺分泌汗液減少，以使散熱量減少；炎熱時正好相反，以維持體溫恒定.利用此知識模型也可解釋很多的生物現象，比如，某人因感染病原體而發熱，從早上8點到11點體溫均持續在38.5℃左右，此時間段內，此人體內的產熱量與散熱量的關系是怎樣？由模型可知，若產熱量大于散熱量，則體溫會升高，若產熱量小于散熱量，體溫會下降；在3h內，體溫維持相對穩定，產熱量應該與散熱量相當.

通過人體體溫恒定的教學，幫助學生建立跨學科的概念，反過來，跨學科的的概念的建立，又能加深對人體體溫恒定概念的理解，并實現這些跨學科內容的融會貫通，實現深度學習的目標.

三、“穩態與平衡觀”視域下跨化學科的碳循環知識體系構建

全球氣候變化是全球性的一個嚴重生態環境問題，二氧化碳是重要的溫室氣體.在化學上，大氣中二氧化碳的濃度能持在0.03%左右，這與生態系統中碳的循環是密不可分的.從平衡的角度看，大氣中的二氧化碳主要通過生產者固定成為有機物，包括生物的光合作用和一些微生物的化能合成作用；而二氧化碳的來源主要包括植物和動物在內的生物的呼吸作用和微生物的分解作用，以及化石燃料的燃燒等.大氣中CO2濃度的穩態可以用如圖2所示模式表示：

圖2

由上面CO2的穩態與平衡知識模型可知，在自然生態系統中，一定時間內CO2的固定速率和產生速率大致是同等的，所以CO2濃度能維持相對穩定.此知識模型可以用于解釋一些相關現象，例如，與40年前(1980年)相比，現在大氣中的二氧化碳濃度為什么明顯升高？北半球的冬天，二氧化碳的濃度為什么明顯比夏天高？從CO2的固定速率來看，與40年前比，城鎮化和人口的增長，植被被大量破壞，光合作用固定的CO2減少；而由于工業化的發展，大量的化石燃料被利用， CO2的釋放量大大增加，從而導致大氣CO2濃度的上升.同理，與夏天相比，北半球的冬天絕大部分植物落葉進入休眠，即使少數常綠的植物也因溫度低、日照時間短，光合速率低，所以CO2固定速率大大下降；進入冬天后，北半球的取暖等，化石燃燒的使用量劇增，CO2釋放增加，導致大氣CO2濃度上升.

全球氣候變暖的原因是一個復雜的問題，分析和解決氣候變暖的原因和措施需要多學科的知識，教學中引導學生從跨學科的角度深入思考，積極探究，抓住主要矛盾.大氣中CO2濃度的升高，從去路來看，主要是植被的問題，而從來源看主要是化石燃料的利用問題.通過這些跨學科問題的分析，鞏固學生對生態系統中物質循環的認識，培養學生的社會責任意識.

四、“穩態與平衡觀”在解題中的應用

在教學中，有意識培養學生形成“穩態與平衡觀”，用穩態與平衡的觀念解決一些實際情境問題，具有非常大的幫助.例如，人教版普通高中課程標準實驗教科書生物必修3，第116頁：圖3是河流生態系統受到生活污水(含大量有機物)輕度污染后的凈化過程示意圖.

圖3

請根據圖回答：(1)在該河流的AB段上，溶解氧大量減少的主要原因是什么? (2)水中溶解氧含量在BC段逐漸恢復的主要原因是什么?

類似的問題還很多，基本貫穿在高中生物教學的整個過程中.例如在講光合作用的過程時，在一定的條件(適宜的光照強度、CO2濃度和溫度等)下，葉綠體中的ATP、ADP、三碳化合物(C3)和五碳化合物(C5)的含量是維持相對穩定的.當植株突然置于黑暗環境中(其它條件不變)，短時間內，其中的C3的含量會發生怎樣的變化呢？利用穩態與平衡的觀點解釋就很清晰，首先從C3的來源看，CO2濃度不變，CO2固定形成C3的反應能繼續進行；而由于在黑暗環境下，光反應不能進行，ADP無法繼續合成ATP，原有少量ATP被消耗后，C3就不能再被還原了.所以C3的含量在短時間內會變多后趨于穩定.

“穩態與平衡觀”是生命觀念的一項重要內容，也是自然科學課程共有的概念；在學習生物過程中形成穩態與平衡觀念是一項必備的品格和關鍵能力.對于理解生物學科的概念和知識體系的建立，以及分析、理解和解決實際問題具有重要作用.