深入理解教材,开展有效教学

——《稳态与调节》模块教材分析及教学建议

  摘要:理解教材的编排特点和设计思想,是开展有效教学的保证。《稳态与调节》模块围绕发展学生的生物学学科核心素养来选择内容和设计活动。本文阐述了如何充分发挥本模块育人价值的思路和教学时需要注意的事项。

  关键词:生物学学科核心素养;育人价值;稳态与调节;人教版新教材

  《稳态与调节》模块教材包括人体的内环境与稳态、人和动物生命活动的调节、植物的激素调节等内容,这些内容在发展学生的生物学学科核心素养方面具有独特性。开展本模块的教学,需要深入理解教材,用好教材,才能真正做到有效教学。

  1.围绕“稳态”和“调节”这两个关键词来构建教材体系

  在课程标准中有这样的一个核心概念:“所有的生命系统都存在于一定的环境之中,在不断变化的环境条件下,依靠自我调节机制维持其稳态。”本模块教材的主线就是基于这一核心概念而进行的整体设计。

  在一个不断变化的环境中维持自身的稳态,有序的调节至关重要。因此,“稳态”和“调节”是贯穿整个模块的关键词,也是本模块的两个核心概念。先介绍稳态的定义、特征和意义,再具体阐述实现稳态的调节机制。编排体系是设计思路的具体体现。本模块的第1章“人体的内环境与稳态”,从微观层面上阐述了构成个体生命单位的细胞所处的环境,即内环境维持稳态的特征,又从宏观层面上初步分析了维持稳态的机制,即是神经—体液—免疫调节的结果,而具体的调节机理,则由随后的第2章至第4章来完成,即第2章至第4章分别具体阐述了神经调节、体液调节和免疫调节的机理及作用。第5章植物生命活动的调节机制与高等动物的调节机制不同,因此独立成章,主要从植物激素调节的角度对植物个体维持稳态的机理进行了阐述,同时还强调了环境因素参与了植物的生命活动的调节。          

  2. 准确把握教材的编排特点

  2.1 体现认知逻辑,促进学生学习

  本模块教材的设计思路、编排体系与必修教材一样,都是遵从学生的认知逻辑。本模块先认识什么是稳态,稳态的特征和意义,再认识如何从宏观到微观实现稳态,调节作用的意义,这样的编排也体现了知识的内在逻辑。从章的层面上讲,第1章的两节“细胞生活的环境”“内环境的稳态”的排列顺序,就体现了这样的特点。第2章、第3章和第4章,都是先介绍三大调节系统的组成和功能,再分节具体介绍实现这些功能的结构基础或实现这些功能的过程原理,以及这些调节作用的意义。整个模块教材的设计和编排体现了从“什么是”到“为什么是”、从宏观到微观的认知逻辑,有利于学生形成完整的知识体系。

  2.2 把握基础性,体现先进性,促进知识网络的形成

  本模块教材精选符合学生发展需要和认知水平的基础知识,其中内环境稳态的知识内容与初中所学内容结合紧密,并在此基础上进一步发展,整体难度维持在实验教科书水平。神经调节、体液调节及免疫调节内容都是精选最基本的内容,避免出现偏深、偏难的内容。另一方面,生物科学的发展又非常迅速,特别是三大调节的相关内容,因此,为了体现先进性,教材在不加深学生的学习负担的前提下,以多种不同的形式介绍生物科学的新进展。例如,在生物科技进展中介绍了“脑中新生神经元”的研究发现,在“癌症的免疫疗法”中介绍了免疫细胞杀灭癌细胞的新发现,等等。

  人体稳态的实现是神经、体液和免疫调节的结果,这一重要概念在教材中有明确的体现。在学完神经调节和体液调节后,教材还特意增加了一节“体液调节与神经调节的关系”;在讲完免疫调节后,也对神经系统、内分泌系统、免疫系统三者之间的关系进行了阐述,明确指出这三者之间存在着相互调节,通过信息分子构成一个复杂的网络,共同实现机体的稳态。

  2.3 增设丰富的课后活动,增长学生见识,提高人生规划能力

  神经、体液、免疫调节关系到人类自身的健康,这些内容发展迅速,新的研究成果总是不断出现,让学生了解这些内容的最新进展,理解科学、技术和社会的关系,激发其努力学习,提升责任意识,是非常重要的。基于正文内容有限,在不增加学生学业负担的情况下,将这部分内容体现在课外阅读栏目中,是这本模块教材的鲜明特色。

  本模块教材的课后设置了4类栏目,分别是“生物科技进展”(反映与教材内容结合的在科学技术进展上的最新研究成果)“与生物学有关的职业”(体现生物学与职业的联系,提高人生规划能力)“生物科学史话”(介绍科学某一领域发展的历史,帮助理解科学的本质)“科学?技术?社会”(反映科学、技术和社会的互动,体现科学和技术的价值),共12个主题活动,承担着丰富的育人功能。

  3.充分发挥本模块教材的育人价值

  3.1 指导学生进一步形成生命观念

  本模块紧扣具体内容,帮助学生建立起“稳态与平衡观”,进一步深化理解“结构与功能观”和“系统观”。

  3.1.1指导学生建立“稳态与平衡”的生命观念

  本模块教材阐述稳态的概念主要包括以下几方面:稳态的定义、稳态的意义、稳态实现的机制、稳态作为生命系统的显著特征。

  本模块主要是在个体水平揭示生命系统的稳态,即稳态的实现离不开系统内各组分间的相互作用,即自我调节。稳态即意味着生命活动的调节作用达到了一种平衡,如动物激素的分泌的种类和量都达到了一种平衡状态,任何一种激素分泌过多或过少,都会出现稳态失衡的状态。可以这样说,稳态即是一种状态,也是一种结果,还是一种特性和能力,要实现稳态,就要实现调节的平衡。

  生命系统内部存在着各种因素和过程的平衡,这种平衡是动态的。例如,同化作用和异化作用的平衡、营养平衡(血糖平衡、水盐平衡等)、生态平衡(生产者和消费者数量的平衡等)。生物体内部各种过程的平衡受信息的调控(遗传信息、激素、神经冲动、细胞因子等),生态平衡也离不开生态系统内部信息的调控。生命系统的稳态与平衡是相互联系的。二者都通过系统的自我调节来实现,而且是互为条件、互为因果的关系。

  在指导理解稳态和平衡概念的基础上,引导学生进一步抽象概括、提炼升华,使之内化为看待事物和分析问题的思路、方法甚至是态度倾向,形成稳态与平衡观。例如,认识到人体的稳态“让所有细胞共享,靠所有细胞共建”,就会认同共建共享的理念,甚至可以将其迁移至分析人类社会的发展,认同和谐稳定的重要意义,认同人类命运共同体的理念。认识到生命系统的自我调节能力是有限的,就会转化为作相关决策时把握分寸、尊重客观规律的意识。

  3.1.2指导学生从结构与功能关系的视角认识稳态实现的结构基础

  本模块则是结构与功能观在个体水平上的应用,即帮助学生形成:生命个体的结构与功能相适应,各结构协调统一共同完成复杂的生命活动,并通过一定的调节机制保持稳态。

  神经调节、体液调都和免疫调节都是依赖于相应的生理结构,这些结构发挥一定的功能而得以实现。例如,神经调节的结构基础是反射弧,反射弧的组成及其兴奋的产生和传导(传递)都依赖于一定的结构。兴奋在神经纤维上的传导和在神经元之间的传递机理,都得分析结构才能真正理解;大脑皮层的功能定位,与一定的结构有着密切的联系。这正是“理解结构,从而诠释功能和机理、找寻规律”的真实写照。激素调节、免疫调节的产生和作用机理,都离不开对相应结构(器官和细胞等)的分析。

  3.1.3指导学生进一步理解系统的观念和思想

  稳态的调节机制体现了系统的思想,即稳态的实现是调节的结果,这个调节不是某一个方面的调节,对于人体稳态的实现,是各器官、系统协调一致地正常运行。这里强调了各器官、系统协调一致,而不只是依靠某个器官或某个系统的作用,这就体现了系统的思想。各器官、各个系统是如何做到协调统一的呢?对于人体而言,就是依靠神经调节、体液调节和免疫调节的共同作用而实现的。神经调节、体液调节、免疫调节看起来是独立的,但它们是相互联系的,它们通过信息分子,如神经递质、激素和细胞因子等的作用而建立了密切的联系,通过这些信号分子,复杂的机体实现统一协调,从而实现稳态,这也强化了生命信息观的理解。通过本模块的学习,引导学生深入理解人体这一生命系统实现稳态的调节机制,帮助学生进一步认识系统实现稳态的机制,从而建立起系统的整体观和信息观。

  3.2 注重培养学生的科学思维

  本模块教材在帮助学生形成尊重事实和证据,进行正确的逻辑分析,敢于质疑和批判上,有着鲜明的特色。

  3.2.1培养学生的辩证思维

  辩证思维是本模块所包含的一种重要的科学思维。所谓辩证思维是指以变化发展视角认识事物的一种思维方式,它是一种与逻辑思维相对立的思维方式。在逻辑思维中,事物一般是“非此即彼”“非真即假”,而在辩证思维中,事物可以在同一时间里“亦此亦彼”“亦真亦假”而无碍思维活动的正常进行。本模块中的辩证思维主要体现在三个方面:事物间是相互联系的、局部与整体相统一、对事物的看法应一分为二的。

  对于“事物间是相互联系的”辩证思维,可以通过引导学生分析神经调节与体液调节相互作用得以培养。一方面神经调节可以控制体液调节,体液调节可以看成神经调节的一个环节;另一方面体液调节又可以影响神经调节。神经调节、体液调节与免疫调节之间存在着相互调节,它们通过信息分子构成一个复杂的网络,以各自特有的方式在内环境稳态中发挥作用,复杂的机体才能够实现统一协调,稳态才能够得以保持。

  对于“局部与整体相统一”的辩证思维,在引导学生分析内环境及其稳态、植物激素的调节中得以培养。内环境的稳态是一个整体,但这个整体表现在渗透压、酸碱度、温度等各种理化因子的平衡上,只有各个局部的因子达到平衡了,才有了整体内环境稳态的实现;植物的生长是各种植物激素共同作用的结果,只有各种植物激素分泌这个局部与整体的生长发育统一起来,植物才能正常地表现出各种生命活动。

  “对事物的看法应一分为二的”辩证思维,普遍存在于各种生命活动之中。引导学生分析神经调节中的亢奋和抑制现象、激素分泌的过多和过少、免疫调节中的自身免疫病和免疫缺陷病等的辩证关系,植物激素调节中的辩证关系,如生长素在浓度较低时促进生长,在浓度过高时则会抑制生长,让学生深刻地认识到辩证看待生命活动的重要性。

  3.2.2培养学生的系统思维

  系统思维是系统科学所倡导的思维方法。系统科学包括控制论、信息论和系统论等学科。这些学科从不同角度体现了系统思维方法的应用,这三者在本模块教材中都有具体的体现。

  “控制”是指一个有组织的系统(又称被控对象)根据内部和外部的各种变化进行调整,不断克服系统的随机性,使系统保持某种特定的状态或实现某一系统的目标。控制之所以能实现,在于反馈调节的实现。反馈调节(也叫反馈控制法)是系统思维的重要方法。任何一个生命系统都存在于一个复杂的环境之中,在与环境的相互作用的过程中,生命系统的稳定性时时会受到来自环境的干扰和破坏。因此,生命系统必须抗拒系统内外的扰动作用,感受系统的变化并作出反应,使系统回到稳定的状态,这就依赖于反馈调节的作用。例如,指导学生学习内环境的理化性质时,会发现细胞外液的渗透压、酸碱度和温度是保持相对稳定状态的,而细胞代谢会产生许多酸性物质或碱性物质,这些物质进入内环境,就会影响细胞内环境的变化,此时,内环境中也存在很多缓冲对,使内环境的pH维持在一定的范围内,这就是一种反馈调节。反馈调节有正反馈和负反馈,正反馈起到一个加强的作用,如人的排尿活动,而系统的运转主要依赖的是负反馈,如激素通过调节轴下丘脑—垂体—靶器官(靶细胞)起作用时,下级靶器官产生的激素可以抑制这条调节轴的调节活动。

  分级调节是神经和体液调节的一种方式,但也可以看成是系统分析的一种思维方法,即人体的稳态是通过调节来实现的,而调节的方式主要是分级调节。分级调节是人体各器官各系统分工合作的生动写照。以神经调节为例,大脑皮层是神经调节的高级中枢,脊髓是躯体运动的低级中枢,由高级中枢发出指令,对低级中枢进行调控,再由低级中枢将信息传递给躯体,从而实现各种运动,这种调节可以保证调节的有条不紊与精准进行。同样,激素也能进行分级调节,分级调节可以放大激素的调节效应,同时也会形成多级反馈机制,有利于精细调控,从而稳持机体的稳态。

  反馈调节和分级调节的基本模式可用于分析社会治理体系,理解社会运转高效有序的机制。

  人和高等动物个体的稳态尽管是神经-体液-免疫调节的结果,但本质上是一种信息分子的调控和作用,神经系统的分级调节是产生兴奋、传导(或传递)兴奋而引起的;激素本身就是一个信息分子,可以在调节过程中起到放大作用;免疫调节同样是信息的识别和传递过程,包括对抗原的识别并将其传号传递给B细胞,B细胞分化形成浆细胞,浆细胞产生的抗体识别抗原并与抗原结合,效应T细胞通过信号分子也能识别靶细胞,等等。神经系统、内分泌系统和免疫系统这三者之间也存在着相互调节,而实现调节的就是信息分子(神经递质、激素和细胞因子等)。正是这些信号分子的作用,复杂的机体才能够实现稳态。这是信息论的思维方法在认识稳态机制中的具体体现。

  此外,本模块也涉及必修模块中的分析、比较、综合、归纳、概括、建模思维、批判性思维等科学思维方法,这些基本的科学思维方法是学习生物学过程中必备的科学思维。本模块教材与必修模块教材一样,结合教材内容安排了“推断假说和预期”“验证假说,预测结果”“评价实验设计和结论”三个思维训练,主要目的是训练学生逻辑推理的严密性。

  3.3 注重培养学生的科学探究素养

  本模块由于其知识内容的特殊性,没有必修教材的实验探究的数量多,但还是依据课程标准的要求,共安排了两个“探究?实践”活动,分别是“模拟生物体维持pH的稳定”和“探索植物生长调节剂的应用”。这两个探究活动的主要价值是:体会模拟实验和对比实验的思路;了解预实验和梯度实验的方法,提高实践能力。

  尽管安排学生动手的探究活动少,但安排学生依照的经典实验思路?进行实验,进行分析和逻辑推理,以得出结论的探究活动还是非常??。在激素的调节方面表现得尤为突出,动物激素调节部分安排了“促胰液素的发现”“研究激素的方法”,植物激素调节中安排了“生长素的发现”,这些活动尽管不要求学生亲自动手,但也要求学生亲历科学家进行科学探究的过程,学习科学研究的方法,感受科学家得出结论的过程,体会科学家的严谨、认真、求实、批判质疑、勇于创新和实践的科学思维品质和科学探究的精神。

  课外活动中呈现了多个阅读栏目,用以培养学生的科学精神。例如,《生物电的发现》一文中,通过介绍发现生物电现象的科学史,让学生理解在科学探索的过程中,存在不同意见是常有的事,只有展开自由争论、靠科学来证明观点,就能促进科学研究健康地发展;一些重大突破在很大程度上依赖于研究手段的更新、选择合适的实验材料或对象。

  3.4 增强学生的社会责任与担当

  本模块教材在培育学生的社会责任方面,内容丰富,价值独特。

  本模块“课程内容”中的表述是:本模块有助于学生理解健康生活方式对于维持人体内环境的稳态、疾病预防的意义。“教学提示”中的相关表述是:通过资料分析神经系统受损对人体运动等行为的影响,探讨神经调节的结构基础;结合日常生活,讨论生活用品或食品中含有过量激素对人体健康的影响;讨论滥用兴奋剂以及吸食毒品的危害;结合个人免疫接种的经历,探讨免疫的作用;讨论器官移植与组织相容性抗原的关系,并探讨干细胞移植物的价值;查找植物激素在生产中应用的相关资料。“学业要求”中的相关表述是:评估多种生活方案,认同采纳健康文明的生活方式,远离毒品,向他人宣传毒品的危害及传染病的防控措施等;基于植物激素在生产生活中应用的相关资料,结合植物激素和其他因素对植物生命活动的调节,分析并尝试提出生产实践方案。

  依据课程标准的上述表述,分析教材内容,本模块在培育社会责任方面主要体现在两个方面:一是树立健康生活的观念,远离毒品,宣传毒品的危害及传染病防控;二是将植物激素的作用机理应用于生产实践,以提高农业生产效率。教材在落实课程标准的要求时,从正文内容、栏目活动、习题中都进行了设计和渗透。

  在正文内容部分,教材阐述了“人体维持稳态的调节能力是有一定限度的。当外界环境过于剧烈,或人体自身的调节功能出现障碍时,内环境的稳态就会遭到破坏,危及机体健康”的认知;对“负面情绪”进行分析及对抑郁症的阐述,说明积极建立和维系良好的人际关系、适量运动和调节压力的重要性;在阐述器官移植时,呼吁“寄希望于唤醒潜藏于人们心灵深处的爱心,有更多的人加入到自愿捐献器官的行列中来”;等等。

  “思考·讨论”是引导学生建构重要概念的活动栏目,有些栏目还直接用于培育学生的责任意识。例如,“分析滥用兴奋剂和吸食毒品的危害”的思考讨论活动,让学生认识到可卡因成瘾的机制及造成的危害,真正认同珍爱生命,远离毒品,向社会宣传滥用兴奋剂和吸食毒品的危害,是每个人应尽的责任和义务;让学生认识到艾滋病的主要传播途径及预防,以及在日常生活中,对待艾滋病病人应该少一份歧视,多一份关爱;“评述植物生长调节剂在生产中的应用”的活动中,要求学生分析滥用生长调节剂的危害;等等。教材还设置了2个“与社会联系”的栏目,分别阐述了健康生活的重要意义?特殊高温环境会影响人体健康,在高温环境中要学会保护;糖尿病严重危害人体健康,控制饮食、多运动,可减少糖尿病的发生。

  课外阅读栏目安排了一些中国科学的发展和中国科学家的最新研究成果,体现民族自豪感,有助于培育学生的“四个自信”。例如,《中国脑计划》一文中所呈现的中国科学家所取得的成就;《脑机接口让工具真正实现“随心所欲”》一文介绍“全球首台用于全肢体中风康复的脑控人工神经机器人系统‘神工一号’在我国问世”;“科学·技术·社会”栏目中的《评价应用激素类药物的利与弊》一文,告诉学生应增强正确应用激素的责任意识,《HIV与艾滋病》一文中介绍了我国制定的《中国遏制与防治艾滋病“十三五”行动计划》,体现了对艾滋病预防的重视和对艾滋病病人的关爱。

  在习题的编制中有意识地考查和渗透学生的社会责任,这也是本模块教材的突出亮点。例如,展现我国神舟十一号载人飞船与“天宫二号”成功实现自动交会对接,航天员顺利进行空间实验室的事例,激发学生的自豪感和爱国热情;通过草乌炖肉会导致中毒,说明饮食要注意避免影响身体健康;通过分析高速公路开车需要与前后保持适当距离,最高时速不得超过120km/h的道理,阐明安全驾驶的重要性;查阅资料,了解我国对艾滋病病人实行“四免一关怀”政策,分析这样做的原因和必要性;等等。

  4.教学时还应注意的事项

  本模块的主题是个体水平的稳态与调节,内容比较抽象。教学难度大,教师积极组织学生开展相关活动,帮助学生理解和掌握概念,提高运用知识解决实际问题的能力。

  4.1 倡导结合自身的生理结构和生理活动创设问题情境,引导学生思考和讨论

  个体水平的稳态与调节,内容比较抽象,如果仅凭教师讲述,学生很难真正理解。应当创设问题情境,引导学生通过资料分析、模型建构、思考与讨论等活动,完成知识的建构。例如,关于动物的激素调节,可以让学生分析人们对激素的认识过程,从而建构激素的重要概念;再联系日常生活中的实例,如饭后大量的葡萄糖吸收到体内,但血液中的葡萄糖浓度只有短暂的升高,很快就恢复正常,让学生讨论吸收到体内的大量的葡萄糖到哪里去了,为引出胰岛素的知识做铺垫。

  4.2帮助学生深刻认识稳态在生命系统中的层次性和概念的发展性

  稳态是本模块的核心概念。稳态是一种生命存在和生存发展的正常状态,而生命的存在有不同层次,因此,稳态也表现在不同层次的生命系统之中。从构成生物体结构和功能单位的细胞开始,就有稳态,这是细胞水平的稳态;细胞形成组织,组织形成器官,器官形成系统,而人等哺乳动物是由八大系统所构成,这就是个体水平的稳态。因此,稳态有细胞、组织、器官、系统、个体水平,个体再进一步形成种群、群落和生态系统,稳态可以在不同层次的生命系统上得以实现。不仅如此,稳态的形成还可以深入到微观层面,即分子水平,如酶促反应的进行,就是稳态的一种表现,实现这种稳态,是通过调节来实现的,而这种调节就是反馈调节;细胞的分裂、分化、衰老和凋亡的生命过程,其实就是基因的表达的结果,基因的表达是一种有序的过程,哪些基因表达,什么时候表达,表达的量是多少,这都是一种稳态的体现。如原癌基因和抑癌基因表达失常,就有可能形成癌细胞,癌细胞的生存状态,就不是稳态的表现,稳态的丧失,其结果就是死亡。

  稳态存在于各个层次的生命系统,意味着稳态的概念是发展的。稳态概念的提出源于对人体内环境的研究。1857年,法国生理学家贝尔纳(C.Bernard,1813—1878)首先指出,细胞外液是机体细胞直接生活于其中的外环境,也就是身体的内环境。虽然机体的外部环境经常变化,但内环境基本不变,从而给细胞提供一个比较稳定的理化环境。贝尔纳认为,“内环境的稳定是独立自由的生命的条件。”失去这些条件,代谢活动就不能正常进行,细胞的生存就会出现危机。1926年,美国生理学家坎农(W.B.Cannon,1971—1945)发展了内环境稳态的概念,指出内环境的稳定状态只有通过协调各种生理过程才能达成。内环境的任何变化都会引起机体自动调节组织和器官的活动,产生一些反应来减少内环境的变化。他将这种代偿性调节反应所形成的稳定状态称为稳态。他认为稳态并不是意味着稳定不变,而是指一种可变的相对稳定的状态,这种状态是靠完善的调节机制抵抗外界环境的变化来维持的。在坎农之后,随着生物学的发展,以及系统论和控制论的思想方法对生物学的影响,稳态的概念突破了生理学范畴,延伸至生命科学的各个领域,成为整个生命科学的一大基本概念。

  4.3把握好知识的广度和深度,不给学生增加额外负担

  本模块所涉及的神经调节、体液调节和免疫调节,这些知识内容与人体的生理活动、人体健康的关系密切,因而十分重要。本模块教材在设计这些内容时,考虑到了课程标准的要求和学生的认知特点,所呈现的内容既能让学生理解三大调节的基本原理和相互关系,又不增加难度的基础上了解学科进展,发展学科核心素养,因此,明确教材中每章每节的教学目标是前提。教材对内容的选取都是精心考虑的结果,切不可随意额外增加内容的广度和深度,增加学生额外的负担。例如,在学习“兴奋在神经纤维上的传导”的机理时,一般不要增加繁多的专业名词,增加学习的深度;在学习“激素的调节”时,不要在人体体内激的种类和作用上增加深度;在学习“免疫调节”内容时,也不宜增加深度;等等。

  4.4 确保“健康生活”的理念得以建立

  学会健康地生活,是教育的永恒主题,是生物学教育的重要内容。本模块内容恰好与健康教育有着密切的联系。教学中应充分挖掘教材中的素材,设计有效的学生活动,引导学生参与“健康生活”有关的讨论、评估、并做出相应决策,并主动对其他人宣传健康生活的理念,树立起社会责任意识。 

  深入理解教材,是开展有效教学的保证。以上是基于对教材的深入理解而提出的教学建议,这些教学建议更多地是从宏观层面提出的。具体可行的教学策略、教学建议在教师用书的各章节中都有呈现,供老师们参考。老师们在教学中还会遇到许多生成性的新问题,需要在实践中积极探索解决,相信大家运用自己的教学智慧一定会创造出许多新策略、新方法。


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