对生物学学科核心素养的理解(一)

——生命观念的内涵和意义

  摘要 基于生物学的学科本质,重点从结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观四个方面,阐释了《普通高中生物学课程标准(2017年版)》中作为生物学学科核心素养之一的生命观念的内涵和意义。

  关键词 生物学学科核心素养;生命观念;结构与功能观;进化与适应观;稳态与平衡观;物质与能量观

  《普通高中生物学课程标准(2017年版)》(以下简称新课标)同原课标相比,最突出的变化就是凝炼了生物学学科核心素养,并以此作为贯穿整个课程设计的主线,从课程目标到课程内容再到课程的实施和评价,都以发展学生的生物学学科核心素养为宗旨。理解生物学学科核心素养是实施新课标的关键,而理解生物学学科核心素养,不能仅靠阅读新课标的文本去望文生义,必须建立在深入理解生物学的学科本质的基础上。

  新课标中生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。其中生命观念无疑是最有生物学科特点的一条。新课标指出,“生命观念是指对观察到的生命现象及相互关系或特性进行解释后的抽象,是人们经过实证后的观点,能够理解或解释生物学相关事件或现象的意识、观念和思想方法。”[1]4通过这段话可以看出,“生命观念”不是具体的知识,更不是具体的生物学事实;它是指认识主体在了解事实基础上形成概念以后,再进一步提炼和升华,内化在头脑中的与如何看待生命相关的意识、观念和思想方法,关乎如何看待生命世界的态度和价值取向。在分析和解决与生物相关的问题时,科学的生命观念虽然不能提供现成的答案,但会指明分析问题的思路和方向。

  生命观念具体包括哪些内容呢?新课标列出了几个重要的生命观念:“如结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观”[1]4。新课标在这里使用了“如”和“等”二字,“如”就是举例子,“等”说明还有其他生命观念。当然,只举出这四个例子,说明课标修订组认为这四个方面的生命观念是最重要的。

  1.结构与功能观

  关于结构与功能观,常见的理解是:“一定的结构必然有与之相对应的功能存在,且任何功能都需要一定的结构来完成”[2];“结构是功能的基础,即有什么样的结构,相应地就会有什么样的功能;另一方面,功能的实现依赖于特定的结构”[3]结合生物学的学科本质来看,这些说法大体正确,但不能绝对化。比如生物体的有些结构,只是进化过程的副产品,无害无益。由于没有选择压力,这些结构在进化中就没有被淘汰,如男性的乳头。

  生物学很多思想观念的表述是柔性的,不是刚性的。在生物学上,“结构决定功能”这一提法就稍显绝对。结构是功能的基础,但二者并非总是单向的谁决定谁的关系,功能的发挥过程对结构有反作用。例如,婴幼儿大脑神经元网络的结构,有赖于他的视觉和听觉。如果整天把他关在黑屋子里边,不让他见人,他大脑发育一定不好。让他见到听到的东西越多,对他的大脑发育越有好处,大脑神经元网络的建构就越好。这说明,人并非一生下来有一个现成的大脑神经元网络决定了大脑能分析、能思考,而是靠不断地使用大脑,不断地听、看、接触新奇的环境,来塑造大脑的结构,使思维功能越来越发达。此外,在结构不变的情况下,执行功能的情况也可能发生变化。例如,人在熟睡的时候身体结构没有变化,但是走路这一功能就不能实现了(除非梦游)。再如,先天性聋哑患者的发声器官很可能是正常的,但是出生时听觉器官出现了功能障碍,导致不能说话。因此,当一个人不能说话的时候,不一定是他说话的器官出了问题,而有可能是别的器官出问题。耳朵出问题了,导致不能说话,但耳朵并不是用来说话的。我们不能把某个机体功能与某个器官结构简单而绝对地一一对应起来,那样就有些机械了,就不是生物学的思维了。因此,新课标没有用“结构决定功能”这一说法,而是用“结构与功能相统一”[1]12或“结构与功能相适应”[1]15

  “结构与功能相适应”无疑是生物学上结构与功能观的一种正确表述,但如果将结构与功能观理解为等同于这句话,就过于简单化了。这句话不足以表达结构与功能观的丰富内涵,也无需通过许多教学内容来建构。这句话说的是结构与功能的关系,但结构与功能观不仅仅是对结构与功能关系的认识,还包括其他方面的内涵。首先是结构观,其次是功能观,最后才是结构与功能的关系观。

  关于结构观,大致包括以下基本认识:(1)生命系统的结构是以物质作为基础的(这说明结构观与物质观相联系);(2)生命系统的结构是有层次的,比如个体具有器官、组织、细胞等结构层次;生物圈具有生态系统、群落、种群、个体等结构层次;(3)生命系统中的结构与结构之间是有联系的,如细胞内各种膜结构之间相互联系形成生物膜系统,生产者和各级消费者靠食物联系构成生态系统的营养结构;(4)生命系统中的结构大多是动态的、活的、变化的,如染色体和染色质是同样物质在不同时期的存在状态,它既可以缩短变粗,以便在分裂期向细胞两极运动,也可以解开变细,以便进行复制。关于生命的结构观具有生物学的特点, 这种结构观用在物理、化学等学科,有的适用,有的不一定适用。

  关于功能观,首先要认识到功能与性质是不同的概念。化学上讲物质的结构决定性质,性质是物质本身的特性;生物学上讲结构具有的功能(即有什么用),功能是作为部分的结构对整体的贡献,这是结构与功能关系的实质。例如,叶绿体的功能,我们要看叶绿体对细胞有什么贡献。离开了整体,局部结构的功能就无从谈起。因此,认识某层次结构的功能,不能离开它上一层次的整体。例如,认识细胞器的功能就不能离开细胞;认识器官的功能,就不能离开生物体这个整体。另外,生命体最基本的特征是自我更新和自我复制(即代谢和繁殖),所以对生命体各层次结构的功能,应当大都围绕这两个基本特征去理解。生命系统的维持还依靠三个流:物质流、能量流、信息流。所以对生命系统各层次结构的功能,也可以从这三个维度去分析。这样,结构与功能观就为我们分析生物学的现象和问题,提供了一种思想方法的指导。

  在上述结构观和功能观的基础上,才能深入理解结构与功能的关系。第一,如前所述,在生物学上,对结构与功能观不能机械的、线性地去认识。第二,不能孤立地去看一个结构和它的功能,一个结构的功能的实现需要其他结构的配合。例如,哺乳动物的呼吸系统需要循环系统的配合,甲状腺分泌激素的功能受到下丘脑和垂体的控制,等等。第三,功能的实现需要外部条件。有的老师在总结结构与功能观的时候,往往忽略了这一点。例如,叶绿体进行光合作用是它的功能,但是它在黑暗中虽然结构没发生变化,却无法进行光合作用,因为光照是进行光合作用的必要条件。第四,发挥功能的过程可能对结构有反作用,如肌肉的功能是运动,但是运动又可以使肌肉发达,两者相辅相成。总之,柔性的、非线性的、相互联系的、动态变化的、作用与反作用的结构与功能观,才是生物学的结构与功能观。建立这样的生命观念,对培育学生的辩证思维和辩证唯物主义世界观具有不可替代的价值,这鲜明体现了生物学科课程的育人价值。

  2 进化与适应观

  生物怎么来的?生物是怎样进化的?进化的结果是怎样的?对这些问题的基本看法就是进化观。这些基本看法可以概括为以下要点:生物是不断进化的,现在的生物都是进化来的,现存的所有生物之间都有亲缘关系,它们有着共同的祖先;进化的过程大体是从简单到复杂,从低等到高等,从水生到陆生;进化的机制主要解释为现代生物进化理论,包括以自然选择学说为核心的物种形成理论以及协同进化的理论;进化的结果表现为分子的进化、物种的进化、生态系统的进化;进化的方向是多元的,进化的结果是不完美的,进化产生的新物种不一定对环境的适应能力更强,而是占领更多的生态位,更加充分地利用地球上的资源和空间。等等。

  适应包括结构与功能相适应、生物与环境相适应两个方面的含义。适应既有普遍性(这是生物区别于非生物的特征之一),也有相对性。适应的方式是具有多样性的。适应就是生物的遗传变异与环境相互作用的结果,也就是自然选择的结果。

  上面所说的与其说是进化与适应观的基本内容,不如说是形成进化与适应观所基于的大概念。有了这样的大概念,再上升到意识、态度和思想方法层面,才能形成看待生命世界的进化观(个人认为进化与适应观可以统称为进化观,适应是进化论的核心概念之一)。比如认同人类不是神创造的,而是大自然演化的产物,同其他生物一样是自然界的一员,而不是凌驾于其他物种之上的主宰;认同每个生物身上都凝聚着数十亿年的进化史,生命来之不易,包括人类的生命在内,都是亿万年生物的遗传基因与环境相互作用的产物,因此应当珍爱生命、敬畏生命;认识到自然界的各种生物和生态系统都是协同进化的结果,它们是作为一个有机整体不断发展的,进而认同人类应当尊重自然、顺应自然、保护自然,与大自然和谐共生;在面对奇妙的生命现象寻求解释时,比如为什么所有的生物都共用一套遗传密码系统?细胞内叶绿体和线粒体是如何起源的?可以从进化的视角去分析(体现进化观的方法论价值)。

  3 稳态与平衡观

  之所以把稳态与平衡观列为生命观念之一,是因为稳态和平衡是从细胞到生物圈所有层次生命系统普遍存在的特性。在新课标和实验版课标都有这样一段话:“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[1]19”这段话值得细细品味,它是贯穿新课标《稳态与调节》和《生物与环境》模块的一条主线。

  稳态的概念包括以下几个要点。(1)稳态是指什么?稳态是生命系统维持自身相对稳定状态的特性和能力。这一点很多老师是有误解的。很多老师认为稳态是一种相对稳定状态。其实不论在生理学还是在生态学上,稳态都是指生命系统或生态系统的一种能力和特性。(2)稳态有什么意义?人教版普通高中教科书《稳态与环境》中写道:“稳态是生命系统的特征,也是机体生活的条件”。生命系统的稳态的意义就是使系统的组分拥有一个相对稳定适宜的环境,比如人体的稳态是使机体细胞拥有稳定、有序、适宜的环境,如果人体内环境的温度、PH、渗透压等出现过高或过低的情况,或者病原体在体内大量繁殖,都会危及细胞的生命活动。(3)稳态如何实现?稳态通过自我调节实现(自稳)。在不同类型的生物、不同的层次的生命系统,调节机制多种多样,比如人体的稳态通过神经调节、激素调节和免疫调节来实现,生态系统的稳态通过种群数量的调节等机制来实现。(4)稳态作为生命系统的显著特征,说明生命系统的内部状态不会被动地随环境的变化而同样程度地改变,这体现了生命的自主性。

  生命系统内部存在着各种因素和过程的平衡,这种平衡是动态的平衡。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。这又与生命的信息观相联系。

  在理解稳态和平衡概念的基础上,学生可望通过进一步抽象概括、提炼升华,使之内化为看待事物、分析问题的视角、思路甚至态度倾向,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”[4],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,就会转化为做出相关决策时把握分寸、尊重客观规律的意识。

  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。这或许是新课标将二者并列为一条生命观念的原因。

  4 物质与能量观

  关于生命的物质观,首先是认同生命的物质性。生命本身没有什么神秘的非物质的力量来支配。前文所述的一切生命特征,都有其物质基础。生命本质上是物质的,这是辩证唯物主义自然观的基础。如何理解物质性?从元素层面看,没有特殊的生命元素,组成生命体的元素,自然界中都有,它们都来自于无机自然界。但是,组成生命体的物质又有特殊性,生命体有选择地从外界吸收有用的物质,生物大分子(如蛋白质、核酸、多糖)是生命体独有的。因此,生命体在物质上跟无机自然界既有联系,又有它的独特性。例如,DNA、蛋白质和多糖等都是生物体内才有的有机物,这些有机物的分工很明确。DNA是指挥者,蛋白质是执行者,这个过程中需要糖类氧化分解提供能量。生命的物质性,还体现在物质的运动变化是一切生命活动的基础。生命体内部的物质并不是随机堆放在细胞中就能完成生命活动的,而是有序的组织起来,形成结构,结构是物质的有序组织形式,这就是物质观和结构观的联系。生命体的各种结构都有其独特的物质基础,这也是物质观的内容。

  生命的能量观需要建立在以下重要概念基础上。(1)生命过程需要能量驱动,生命系统都是耗散结构,需要引入能量来维持有序性。(2)生命系统的各个层次都有能量的流动和转换。(3)能量以物质为载体。细胞内的化学反应有放能反应和吸能反应,二者总是耦联的(通过ATP的合成和分解)。(4)光能是几乎所有生命系统中能量来源的最终源头,但是对大多数生命体来说,光能并不能直接利用,而是要通过化学反应转化为化学能才能被利用(即使在绿色植物体内,还有许多细胞不能进行光合作用)。(5)生命系统的能量流动同样遵循能量守恒定律。再进一步提炼,就可以升华为生命的能量观。

  生命的物质和能量观与生命的系统观和生态观有内在联系。生命系统是开放系统,时刻进行着物质和能量的输入输出。生物之间相互依存、相互竞争,乃至捕食与被捕食,主要也是为了获得生存、繁殖所需要的物质和能量,换言之,生物之间的关系大抵都是围绕获取生存所需要的物质和能量来建立的。

  归根结底,上升到生命的物质和能量观的层面,学生应该认识到生命体是物质的特殊存在形式,它的存在和发展都需要能量来驱动(非生命形态的物质不需要靠外界输入能量来维系),而能量的传递和利用又需要以物质为载体,除此之外,没有什么神秘的不可知的力量来支配生命,这对于树立辩证唯物主义世界观是十分重要的。有了这样的生命观念,面对神秘主义的歪理邪说(如通过一定方式让人体吸收宇宙中的能量),自然就不会盲目信从了。

  综上所述,新课标中明确列出的结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观是重要的生命观念。它们是相互联系的。

  5.其他生命观念

  生命观念除上述内容外,还包括其他观念,如生命的信息观[5]。生命本质上既是物质的,也是信息的。生命系统都是物质、能量和信息的统一体。生命体的组成以物质为基础,生命活动靠能量来驱动,同时也靠信息来控制和调节。包括我们人类在内,有性生殖的生物从亲代那里承接的主要是遗传信息(小小的受精卵里没有多少物质和能量,但是有一整套控制个体发育的遗传信息),人体的神经调节、激素调节、免疫调节都离不开信息的传递。现代生物科技靠掌握的基因序列数据(即遗传信息),就可以人工合成基因,甚至可以人工合成生命。从物种繁衍的角度看,死亡的是个体,代代相传的是遗传信息,换言之,生物个体都是生命长河中遗传信息的临时载体。引申之,对人类之外的生物来说,个体存在的意义就是当好遗传信息的传递者。推而广之,从人类文明发展的角度看,从伟大人物到普罗大众,都会随着生命的结束“还原”为无机物,但他们所继承和创造的文明的信息会绵延不绝,这似可理解为生命的信息观对人生的启迪。

  生物学课程的思想观念教育价值,并不仅限于生命观念,还包括科学本质观、科学价值观以及世界观、人生观等。新课标指出,高中生物学课程要“展示生物学的基本内容,反映自然科学的本质”[1]1,这就是要求学生通过本课程的学习形成科学本质观。实际上,新课标在“教学建议”中有一大段是阐述科学本质观的,应当引起生物学教育工作者的重视。

  (本文系由人民教育出版社生物室王天祥同志根据作者的讲座录音和课件整理,经作者本人修改而成)

  参考文献:

  [1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018

  [2]唐庆圆.例析高中生物中的“结构与功能观”[J].中学生物学,2016(6):3.

  [3]刘丹.高中生物必修教材中渗透结构与功能观的研究[J].中学生物教学,2016(11):4.

  [4]人民教育出版社 课程教材研究所生物课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书 生物3 必修 稳态与环境[M].北京:人民教育出版社,2004:1.

  [5]张秀红.核心素养视域下的生物学观念:内涵、价值、内容体系及教学[J].《课程·教材·教法》2017(9):94.

  (本文原载于《中学生物教学》2019年第6期)


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