高中生物课程标准《稳态与环境》模块解析

  摘要  教育部2003颁布的《普通高中生物课程标准(实验)》,将《稳态与环境》作为高中生物课程中三个必修模块之一。本文阐述了本模块的价值和地位,分析了本模块的内容特点,对如何搞好本模块的教学提出了建议。

  关键词  稳态  环境  模块  反馈  调节  知识  能力  科学方法  情感态度价值观

  本模块实际上包括两大部分:一是个体水平上生命活动的调节;二是群体水平上生物与环境的关系。具体包括以下内容:植物的激素调节、动物生命活动的调节、人体的内环境与稳态、种群和群落、生态系统、生态环境的保护。

  1 学生学习本模块的目的和意义

在知识方面,学生通过本模块的学习,可以理解生物个体是如何在不断变化的环境中,通过自我调节机制维持自身的稳态的;生物与生物之间、生物与无机环境之间又是怎样通过复杂的相互作用形成一个统一整体的。

在能力方面,学生通过本模块的学习,可以了解系统分析的思想和方法,逐步形成整体性思维的习惯,初步学会建立数学模型,提高从内因和外因相互作用的角度分析事物发展变化的能力。

在情感态度与价值观方面,学生通过本模块的学习,可以提高对生命系统与环境关系的认识,为树立人与自然和谐发展的观念,形成生态意识和环境保护意识奠定基础。

2  本模块在高中生物课程中的地位

作为高中生物课程中三个必修模块之一,本模块具有独特的地位和作用。   

第一、本模块对学生理解生物学至关重要。生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学。在我国的中学生物学课程中,初中阶段侧重于让学生了解生命现象,高中阶段侧重于让学生理解生命活动的本质和规律。生命世界从细胞到个体,从个体到群体,以至生态系统,都是不同层次的生命系统。生命系统有着自身的物质基础和结构基础,有着自身的发生、发展和衰亡的规律。《分子与细胞》模块侧重于使学生在细胞水平认识生命系统的物质基础和结构基础;《遗传和进化》模块侧重于使学生在基因水平认识生命系统的发生和发展;本模块则侧重于使学生在个体和群体水平认识生命系统内部的调节机制以及与环境的关系。生命系统是开放系统,它们与外界环境之间不断进行着物质交流、能量转换和信息传递,这就决定了生命系统时刻处于动态变化过程中。生态系统的动态变化都是在一定的范围内进行的,否则就会解体,导致系统的崩溃。也就是说,稳态是生命系统能够独立存在的必要条件。生物体内的各种代谢过程,都是将维持自身的稳态作为目标。稳态的维持靠的是生命系统内部的自动调节机制。本模块中关于这种调节机制,在个体水平上主要阐述动物体和植物体的生命活动的调节,在群体水平上主要阐述生态系统的自动调节。可见,就理解生命活动的本质和规律来说,本模块具有其他模块不可取代的价值。

第二,本模块对于学生了解生物学在生活和生产中的应用十分重要。人体的许多疾病都与内环境稳态的失调有关。例如,血糖的稳定是稳态的重要方面,它是通过胰岛素等激素的调节而实现的,胰岛素分泌失调就会导致糖尿病;注射胰岛素就会使这类糖尿病患者得到治疗。生产中应用或产生的激素类似物若大量释放到环境中,又会对人体产生不良影响。本模块还安排了人体的水盐调节、体温调节、免疫调节等内容,这些内容都与人体健康密切相关。植物激素在农业生产以及现代生物技术中都有着广泛的应用,种群数量的变化、群落的演替、生态系统的稳定性、生物多样性的保护等内容,更是与人类的经济生产活动和社会的可持续发展密切相关。

第三,本模块对于学生认识生物与环境是一个统一的整体,进而树立人与自然和谐发展的观点十分重要,可以为学生形成环境保护意识打下理性的基础。

第四,本模块对于学生全面领悟科学方法十分重要。《分子与细胞》模块和《遗传与进化》模块,可以帮助学生领悟观察—归纳、假说—演绎等方法,本模块可以帮助学生领悟系统分析、建立数学模型、取样调查等方法。

3 对本模块内容要求的分析

    3.1本模块内容设计的基本思路

本模块内容包括生命活动的调节和生物与环境两大方面,但是,它并不是这部分内容的简单合并,而是由稳态这一核心概念统领的个体和群体两个研究水平的内容。本模块内容构建的基本思路是:将生物的个体和群体看作不同层次的生命系统,它们都在与外界环境的相互作用中,通过自身的调节机制维持稳态(如下图)。

稳态的概念源于人体内环境的研究。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,从而给细胞提供了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。”失去了这些条件,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,1871—1945)发展了内环境稳定的概念,指出内环境的稳定状态只有通过细致地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。他将这种由代偿性调节反应所形成的稳定状态称为稳态(homeostasis)。他认为稳态并不意味着稳定不变,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。人们认识到,不仅人体的内环境存在稳态,各个层次的生命系统都存在稳态。在微观领域,细胞内的各种理化性质也是大致维持稳定的,各种酶促反应的进行受到反馈调节;基因表达过程中同样存在稳态。在宏观领域,种群、群落、生态系统都存在稳态。就人体的稳态而言,通过神经调节和体液调节而实现稳态的观点也得到进一步发展,提出稳态是通过神经、内分泌和免疫调节网络来维持的,强调免疫调节在稳态维持中的作用。

综上所述,稳态是生命系统的重要特征,是生命系统在与外界环境的物质、能量和信息交流过程中,通过自身的调节机制而维持的相对稳定状态。理解生命系统的稳态,一是要将生命系统放在与外界环境的相互作用中来理解,二是要理解不同生命系统内部的自动调节机制。这也正是本模块标题定为“稳态与环境”的基本考虑。

    3.2 本模块内容在知识、方法和情感态度价值观方面的侧重点

在知识方面,本模块的核心概念是稳态和反馈。系统的稳态是通过反馈调节机制而实现的。在一个系统中,系统本身工作的效果,反过来又作为信息调节该系统的工作,这种调节方式叫做反馈调节。人体内血糖含量升高时,刺激胰岛B细胞,促进它分泌胰岛素,同时作用于胰岛A细胞,使之减少胰高血糖素的分泌。当胰岛素随血液运输到肝和肌肉等器官或组织时,能促进细胞对葡萄糖的摄取和利用,还可促进肝细胞和肌肉细胞将葡萄糖合成为糖元储存起来,从而使血糖含量下降。当血糖含量降低到一定程度时,就会抑制胰岛素的分泌,增加胰高血糖素的分泌,从而促进肝糖元的分解,形成较多的葡萄糖,使血糖含量升高。可见胰岛素的作用结果会反过来影响胰岛素的分泌,胰高血糖素也是如此。这就是反馈调节。在生态系统中,当气候适宜时,植物生长茂盛,为植食性动物提供了充足的食物,植食性动物的数量会增加;植食性动物数量的增长,会吃掉大量的植物,同时也会使肉食性动物数量增加,这两方面的变化又都导致植食性动物数量的增长趋势得到遏制。这也是反馈调节。这只是两个关于反馈调节的简化的例子,在生物体和生态系统内部,实际上都存在复杂的反馈调节网络,稳态是通过网络化的反馈调节而实现的。

学生要建构稳态和反馈的概念需要一定的生物学事实做基础。与此有关的生物学事实内容很多,课程标准在内容的选取上有主有次。在个体水平上,本模块重点是人体的稳态,动物生命活动的调节也大都以人体为例。在群体水平上,本模块重点是生态系统的稳态。

在科学方法方面,本模块重在系统分析和建构模型的方法。系统分析是明确系统的边界后,在分析系统组成要素、层次结构的基础上,分析系统各组分间相互影响的定量关系,建立系统的数学模型,并利用计算机对系统结构优化,使系统具有功能整合作用的问题分析方法。一般包括四个阶段:第一阶段是定性分析,包括划分系统边界、确定系统组分、分析系统层次、明确问题及研究目标;第二阶段为定量研究阶段,包括定量研究各组分间的影响关系、建立系统数学模型;第三阶段为模型分析阶段,是在认识系统动态规律的基础上,确定系统模型的参数,进行模型试验,优化系统功能;第四阶段为系统结构优化阶段,是通过模拟分析,优化系统结构,实行系统调控,使系统具有系统功能整合特性,实现优化的系统功能。限于高中学生的发展水平和需要,本模块并不要求学生掌握如此完整的系统分析方法,而是重在领悟系统方法的思想,初步学会从系统的整体出发,分析整体与局部、部分与部分、整体与外部环境之间的相互关系。在进行有关系统分析的探究活动时,主要做系统分析的第一阶段的工作,有些活动可深入到第二阶段,比如建立种群增长的数学模型。

在情感态度价值观方面,一是关注生物科学的发展与社会的关系,如“评述植物激素的应用价值”、“探讨动物激素在生产中的应用”、“关注艾滋病的流行和预防”;二是形成环境保护意识,树立人与自然和谐发展的观念,如“关注全球性生态环境问题”、“形成环境保护需要从我做起的意识”等。

  4 对教学策略、教学活动的建议

    4.1 关于基本概念和原理的教学,教师应积极组织学生开展相关活动,通过活动来建构知识。

个体水平的调节与稳态,内容比较抽象,如果仅凭教师讲述,学生很难真正理解。可以设计资料分析、模型建构、思考与讨论等活动,让学生通过探究性学习活动,来完成知识的建构。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;然后做模型建构活动:用不同颜色的卡片代表葡萄糖、糖元、胰岛素、胰高血糖素,以小组为单位模拟吃饭后和运动后体内葡萄糖、糖元、胰岛素、胰高血糖素的变化,建构血糖调节模型。

种群、群落和生态系统的内容,属于宏观生物学范畴,教师应当多联系生产和生活实际,比如,联系有关蝗灾的报道,让学生讨论蝗灾大发生的原因是什么;联系渔业生产中合理捕捞量的确定问题,引导学生讨论种群数量的变化规律。教师还应当提供较多的考察当地种群、群落和生态系统的机会。比如关于课程标准中规定的“讨论某一生态系统的结构”,教师可组织学生实地考察一个生态系统,如一个池塘、一块农田等,然后引导学生讨论这个生态系统的组成成分以及各组分之间的关系。课程标准的活动建议中提出的“探究培养液中酵母种群数量的动态变化”等,应当积极指导学生完成。

4.2 应当通过各种活动让学生领悟有关科学方法。

本模块涉及的科学方法主要有以下几个方面:系统分析的方法、建构数学模型的方法、取样调查的方法以及实验方法等。对于这些内容,教师要避免将方法论当作知识来讲授,应当让学生通过活动来领悟。比如关于取样调查的方法,常见的有样方法和标志重捕法等。样方法应当让学生通过实地调查来体会和运用,标志重捕法可以通过模拟活动让学生领悟。

4.3 应当落实科学、技术、社会相互关系的教育。

本模块中个体和群体水平的稳态与环境的内容,都与人们的日常生活和生产实践有着密切的关系,比如,人体的许多疾病都是稳态失调的结果,诸多环境问题又是生态系统的稳态失调的结果。科学技术成果的运用,在满足人们某些愿望的同时,可能会带来一些始料不及的问题,如环境激素的问题、生物多样性锐减的问题、臭氧层破坏的问题等。教师应当鼓励学生亲自调查或广泛搜集资料,再通过课堂讨论,加深对科学、技术、社会相互关系的认识,提高参与社会事务的讨论和公众决策的能力。


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