试论提升学生的生物学理解力

  内容摘要 本文从三个方面论述提升学生的生物学理解力:理解生命世界,理解生物科学的过程和方法,理解生物科学、技术和社会的关系。重点论述了如何引导学生从新的视角理解生命世界——基因的视角、系统的视角、历史的视角和统一的视角,并对其重要意义作了具体分析。

  [关键词] 理解生物学 基因 系统 历史 三维视角

  学习生物学应当重在理解,而不是机械记忆;生物学课程应当强调的是学生理解的质,而不是信息的量。这些观点似乎早已不言自明。然而,对生物课程的现状稍做考查则不难发现,对事实性知识的机械记忆依然充斥着学生的学习过程,对生物学核心概念和思想的建构和领悟或失之肤浅,或付之阙如。学生对细胞的亚显微镜结构可以做到如数家珍,对各自的功能也能说得头头是道(特别是考前),但如果问他“为什么说细胞是生命活动的基本单位”,则少有令人满意的回答。对生物的生殖、发育、遗传和进化都知道不少细节,遗传学的难题也反复演练,但是面对“先有鸡还是先有蛋”这一古老的问题,很可能茫然无措。至于何谓生,何谓死,生死界限如何判定,死亡从生物学视角看有无积极意义,生物学的思想方法与其他自然科学有何异同等等,更是少有问津。长此以往,重在理解岂不是一句空话?当然,这种状况的形成既不能怪学生,也不能归咎于教师,原因有方方面面,对课程目标和内容研究的滞后是原因之一。

  1.理解生物学是提高生物科学素养的需要

  《义务教育生物课程标准(实验稿)》和《高中生物课程标准(实验稿)》都明确指出,中学生物课程的主要目标是提高学生的生物科学素养。生物科学素养的内涵是什么?不妨借鉴《美国科学教育标准》对科学素养的阐述:“有科学素养是指了解和深谙进行个人决策、参与公民事务和文化事务、从事经济生产所需的科学概念和科学过程。”从这一定义不难看出,提高科学素养所追求的并非对科学事实和信息量的更多占有,而是对核心概念和科学思想的深刻领悟;并非限于对科学知识的理解,还包括对科学过程和方法的谙熟;并非科学知识的专门化和学科化,而是强调科学与个人和社会的紧密联系,体现了“科学为大众(Science For All)”的思想。

  学生未来发展的多元化提示我们,中学生物课程能够并且应当使学生终身受益的,不是只有生物学专门人才才需要的专业知识,而是影响他们世界观、人生观和价值观的生物学思想观念;不是诸如解剖、分类、组织培养等特殊的方法和技能,而是影响他们思维方式和问题解决能力的具有生物学特点的认识论和方法论。思想观念的形成固然离不开具体知识的学习,能力的培养也离不开具体实验的操作,但是如果仅仅停留或沉迷于具体层面,则往往“只见树木不见森林”,过不多久连“树木”都别梦依稀了。

  缺少生物科学素养的人,对生命存在诸多困惑和臆测,有的还痴迷于唯心主义的谬论和妄断,甚至连一些大学生物系毕业生或生物科研人员也未能幸免,可见生物科学素养的高低,与掌握生物学专门知识的多少未必总呈正相关。

  理解生物学包括理解生命世界、理解生物科学的过程和方法、理解生物科学与技术和社会的关系。

  2.提升学生对生命世界的理解

  世界是由生命世界和非生命世界组成的。对生命世界的理解必然影响到人的世界观。人自身也是生物,对生命的理解也会影响到人的人生观和价值观。达尔文对生物进化的解释,随严复所译《天演论》传入我国,“物竞天择,适者生存”的论点激起许多人的救国志向,就是一例。生态学原理对可持续发展理论的巨大贡献又是一例。

  改革开放20多年来,中学生物课程一直强调生物进化观点和生态学观点的重要性,强调基本概念和基本原理的教学,这对于学生理解生命世界无疑有很大帮助,在今后的课程改革中应当继承和发扬。随着分子生物学的飞速发展,以及系统论、控制论、信息论、耗散结构理论等横断科学的思想和方法对生物学研究的影响日益彰显,生物学的面貌在近二三十年发生了根本的变化,人们对生命世界的理解也更加深入,这就要求中学生物课程在引导学生理解生命世界方面也要做相应的提升。

  提升对生命世界的理解力主要不在于增加多少新的内容,而是提供学生思考问题的思路,认识事物的视角。

  2.1 从基因的视角看生命

  以沃森和克里克建立DNA分子双螺旋结构模型为标志,分子生物学已经走过了半个世纪的历程。分子生物学研究的中心问题就是遗传信息从基因(DNA)到mRNA再到蛋白质的过程(中心法则),也就是基因的表达和调控过程。目前,分子生物学的原理和方法几乎渗透到生物学所有的分支学科,改变了整个生物学的面貌,使人类对生命现象的认识越来越接近生命的本质,也使得人类按自己的意志和要求来改良和控制生物的能力大大加强。“正如过去对各种生命现象(生长、分化、发育和遗传等)的奥秘都要从细胞的功能活动中寻求解答一样,目前对细胞的各种功能活动又要从基因的功能活动中寻求解答。”可见引导学生从基因这一视角去理解各种生命现象,是体现现代生物科学特点的需要,也是提高现代公民生物科学素养的需要。

  从基因的视角看生命,有助于学生从本质上理解生物个体的生长和发育。行有性生殖的生物个体,每一个细胞的基因组成都是同受精卵一样的,但是却表现为不同的形态、结构和功能,也就是说基因的表达情况是不同的,在特定的细胞中,有些基因表达,有些基因则关闭。个体的生长和发育是实质上就是来自受精卵的基因在不同的时空条件下按一定的程序选择性表达的过程。

  从基因的视角看生命,有助于学生理解生命形式的多样性与本质上的共同性的统一,进而建立辩证唯物主义的自然观。“生命现象在数以百万计的不同种属中的表现形式是多种多样、千姿百态的,即使孪生兄弟也不完全相同,但是生命世界中最本质的东西,在不同生物体中却是高度一致的。所有的生物体,从最高等最复杂的人到最低级最简单的单细胞生物,其基本组成物质都是蛋白质和核酸。它们的蛋白质都是由相同的20种氨基酸以肽键连接而成,核酸也都是同样的四种核苷酸构成的。遗传密码,除极少数例外,在整个生物界也是基本一致的。如果没有这种一致性,就不可能实现基因在不同生物体之间的转移及表达,已逐渐成为现代化大工业的遗传工程和蛋白质工程也就完全谈不上了”。

  从基因的视角看生命,有助于学生从本质上理解生物多样性、遗传和进化。在生物代代繁衍的过程中,没有一种生物可以长生不死。死去的是个体,不死的是基因。遗传从现象上看是性状表现,本质上是基因的传递。进化从现象上看是物种的更迭,本质上是种群中基因频率在自然选择作用下的定向改变。生物多样性本质上是基因的多样性。人类保护生物多样性,表面看是保护现存物种的个体,本质上是在保护一个个独特的基因库。每一个物种的基因库都是几十亿年的基因突变与环境选择相互作用的结晶(已经有许多基因库在选择过程中被淘汰),其价值不可估量。这样的理解不仅有助于学生形成进化观点,而且有助于认识保护生物多样性的重要意义,形成科学的价值观。

  从基因的视角看生命,就要求中学生物课程和教材中有比较多的内容深入到分子水平或基因水平,遗传和变异自不待言,细胞、进化和生态等也不例外。

  2.2 从系统的视角看生命

  从16世纪到20世纪前几十年,关于生命的本质和生命过程的认识,长期存在着机械论和活力论之争。前者主张用分析的方法把生物学问题简化为物理和化学问题,单纯地用物理和化学的原因来说明一切生命现象,坚持一种原因只能产生一种结果的机械决定论原则。后者则认为生物体具有一些非生命物体所不具备的特质,机体内存在着一种特殊的“活力”,支配着整个生命过程,服从异因同果律(如不同的基因型有时可以产生相同的表现型)。后来,不少学者发现这两种观点都有合理的一面,又都有失偏颇。在分子水平上,许多生命过程是可以用物理化学原理来解释,但是在更高的层次上,生物确实又有许多不能单纯用物理化学原理解释的现象,对这些现象用超自然的神秘的活力来解释同样是不科学的。

  1945年,美籍奥地利生物学家贝塔朗菲发表《关于一般系统论》,“指出生命机体是一个复杂的有机整体,生命机体整体属性不等于部分属性的机械总和,生命机体部分不能离开整体而存在,那种用部分求解整体的机械论思想方法不能科学解释生命机体本质”。贝塔朗菲还指出,生物体是一个多层次、自组织的开放系统。在这一时期,还有不少学者发表过与此相近的观点。

  从系统的视角看生命,生命世界从细胞到组织、器官、系统和完整的生物体,乃至种群、生物群落、生态系统、生物圈,都是不同层次的系统。系统的“整体大于部分之和”,作为系统的整体的特性,并不是其组分性质的线性叠加,而是在各组分相互作用的基础上,“突现出一些全新的特质,这些新特质是无法从低层组成的特性中预测得知的”。

  从系统的视角看生命,有助于学生形成现代科学的思维方式。经典物理学所遵奉的分析的方法和因果决定论的认识模式,在面对复杂系统的研究时已经捉襟见肘。“从对复杂系统(生命现象到宇宙)的探索中产生的物理学新思潮(非线性、非平衡态动力系统物理学、协同论、耗散结构、自组织、混沌等新理论和新概念)正改变着从牛顿以来的传统科学思维方式。复杂系统是非线性的。在复杂系统中,以牛顿力学为基础的的决定论的因果关系和叠加原则失效了。非线性理论的发展,正促使自然科学在方法论上发生从分析式思维向整体式思维的转变”。从系统的视角看生命,有助于学生认识生物学规律的特点。正是由于生命系统的复杂性以及系统与环境之间的相互作用,使生物界的现象和规律既有因果决定性的,又有非因果决定性的。生物学规律大都表现为统计意义的规律(都有例外),这与经典物理学和化学规律明显不同。

  从系统的视角看生命,有助于学生建立普遍联系的辩证唯物主义观点。细胞是一个系统,其内部各种组分既存在结构上的联系,又在功能上彼此分工协调,相互依存;成千上万的化学反应,在基因的调控下,有条不紊地进行;反应的产物又会反作用于基因的表达;细胞的外环境(如动物体的内环境)与细胞之间不断进行物质的交换、能量的转换和信息的传递,等等,这样才使得细胞完成特定的生命活动,表现出作为生命基本单位的生命活力。对个体、种群、群落、生态系统等层次的生命系统,同样可以从这样的视角来分析,以期使学生认识到自然界纵横交错的生命之网,避免孤立地片面地看问题。

  2.3 从历史的视角看生命

  每一个生物都是历史的产物。所有的生物都是由最原始、最简单的生命演化而来的。现存每一种生物的身上都浓缩着大约三十八亿年的进化史,都有着经过漫长的自然选择而形成的特定的遗传程序,这些遗传程序在每一个个体身上表达,稳中有变,表现出特定的适应意义。

  从历史的视角看生命,“生物所有的特征都反映着历史。生物的发生、行为和其他种种活动,都是受到累积有整个生命史讯息的遗传程序的控制”。对每一种生命现象,都可以做出邻近因果和最终因果两种解释:邻近因果指发生学上的因果关系;最终因果指进化上的因果关系。例如,许多生物的雌性和雄性个体具有不同的形态特征,从邻近因果来看,可以解释为性激素、性别决定基因的作用;从最终因果来看,则可以解释为性选择或其他选择因素的影响。引导学生对生物学现象做这两个层面的分析,有助于提升对生物学的理解。

  从历史的视角看生命,有助于学生运用历史的方法分析问题(这种方法是物理和化学课程中难以涉及的),进而有助于学生建立历史唯物主义的世界观。人们去医院就诊或体检时,往往要填报个人病史或家族病史,其实就是历史方法在医学中的应用。在生物进化或个体发育过程中,早期事件的结果通常对后期事件的发展有所影响,前一事件的结果往往成为相关的后续事件的原因,用这种观点来分析,许多生物学问题就会豁然开朗。例如,为什么在古新世和始新世哺乳动物兴盛起来?仅分析哺乳动物自身的适应性特征是不够的,白垩纪末期恐龙类的绝灭空出了许多生态位也是重要原因。

  2.4 从统一的视角看生命

  随着分子生物学的发展,生物学各个领域的研究都趋于深入到分子水平,分子水平的深入分析与整体综合的方法相结合,将使生物学的研究更接近生命的本质,使各分支学科在分子水平上趋于统一。例如,关于生物的遗传、发育和进化,过去一直是各自独立的分支学科,现在正在走向统一。人类对遗传奥秘的研究已经深入到分子水平,人类基因组计划、水稻基因组研究等都是试图在分子水平上揭示遗传的奥秘;发育实质上是受精卵的基因,在不同的时空条件下按照预定的程序选择性表达的过程;进化实质上是种群的基因库通过突变、重组和自然选择,基因频率发生定向改变的过程。

  从统一的视角看生命,意味着基因、系统和历史三维视角的综合运用,既有局部深入的分析,又有整体联系的考量,还有历史发展的眼光。这一目标的实现,不仅可以提升生物科学素养,而且会提高思考问题的深度和广度,开阔视野,提升思维品质。

  从统一的视角看生命,有助于深入理解生命的本质,有助于建立生物学众多概念之间的联系,形成良好的知识结构。比如关于有性生殖、基因重组、基因频率、选择、适应、进化等概念,从统一的视角看,有性生殖的目标是父本和母本的基因发生基因重组,使后代产生新的基因型,表现为不同的表现型,从而在适应方面可能出现这样那样的差异,这就为自然选择提供了原材料,为生物适应环境变化增多了机会。基因重组和突变导致种群基因库的动态变化,在自然选择的作用下,种群的基因频率发生定向改变,使得生物界不断进化。同样,对于有性生殖的生物来说,只有发生在生殖细胞或精原细胞、卵原细胞中的突变,在进化上才有意义。再比如关于死亡,这是以往中学生物教材很少涉及的问题。生物学只讲生不讲死,其实没有死就没有生:没有死,生态系统的物质循环就不能正常进行,生态系统会崩溃;每个生物体的一生中,基因组成都相当稳定,如果没有死与生环环相扣,种群基因库就宛如一潭死水,不能时时更新,生物就不能适应不断变化的环境,最后就会走向绝灭。又比如先有鸡还是先有蛋,从基因的视角看,简直可以借用佛家的说法:“鸡亦是蛋,蛋亦是鸡”,因为鸡和鸡蛋的基因是一样的;从历史的视角看,鸡和蛋是在遗传和变异的基础上,通过长期的自然选择加人工选择逐渐形成的,无所谓先后。

  从统一的视角看生命,生物才成其为活的生物,生物学才是活的生物学。

  3.提升学生对生物科学的过程和方法的理解

  科学不仅是关于自然界奥秘的知识体系,而且是人类认识自然界的不断变化发展的过程,是人类所从事的一项壮丽的事业。让学生了解科学的过程,有助于学生理解科学的本质,养成科学态度和科学精神,领悟科学研究的方法。作为科学课程之一的生物学课程,理应在这方面做出应有的贡献。反观我国的中学生物课程,在这方面尚有不足。

  让学生理解生物科学的过程,可以通过以下方式进行。一是介绍科学史中的研究案例,让学生了解科学家是怎样发现问题、分析问题、解决问题和提出新问题的,使学生在科学态度、科学精神、科学方法乃到创造性思维方面多些感悟;二是给学生提供较多的体验科学过程的机会,使他们亲历科学探究的各个环节,通过活动建构知识,提高科学探究能力。

  关于科学方法,我国最近几年的课程改革一直在大力倡导,教材也明显增加了方法论的内容,重在让学生初步学会观察、实验、调查等生物科学探究的一般方法,但是尚不全面。对科学探究过程中广泛应用的模型方法、数学方法和系统分析的方法,在教材中还较少涉及,有待加强。

  4.提升学生对生物科学、技术、社会关系的理解

  科学是对自然界奥秘的探求,科学成果应用于社会往往需要技术作为桥梁,科学、技术和社会三者之间存在复杂的互动关系,既相互支持,又相互制约。科学系统的进化离不开与技术和社会的相互作用,生物科学也不例外。因此,理解生物学不能脱离技术和社会的背景。人类在享受科学技术的福祉的同时,也承受着科技力量的冲击及由此引发的各种现实和潜在的威胁。让学生在学习科学的过程中,更多地关注科学技术对社会的复杂而深远的影响,对于他们树立科学的价值观,日后更为理智地运用科学技术的成果,都有着十分重要的意义。关于这一问题的论著可谓林林总总,本文不再赘述。

  综上所述,提升学生对生物学的理解力,可以从理解生命世界、理解生物科学的过程和方法、理解生物科学与技术和社会的关系三个方面进行探索和实践。提升对生物学的理解力,对于提高学生的科学素养至关重要,对于学生的发展影响深远,新一轮课程改革应当在这方面多下功夫,争取有所突破。

  参考文献

  1.李宝健,从当前生物学的若干问题看未来的发展,面向21世纪生命科学发展前沿,广东科技出版社,1996年11月第1版。

  2.王亚辉,未来生物学的发展趋势和重大研究方向,面向21世纪生命科学发展前沿,广东科技出版社,1996年11月第1版。

  3.承鲁,生物界走向21世纪,面向21世纪生命科学发展前沿,广东科技出版社,1996年11月第1版。

  4.孙显元主编,现代国外自然科学家哲学思想,安徽科学技术出版社,中国科技大学出版社,1991年2月第1版。

  5.厄恩斯特。迈尔,《看!这就是生物学》天下远见出版股份有限公司,1999年3月第1版。


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