生命科学的学科特征和生物教学改革

由于面向21世纪提高全体国民素质的需要,基础教育正面临着新一轮的课程和教学改革。中学生物课程,无论是分科设置还是综合(理科)设置,都需要结合生命科学的现代进展来思考它的学科特征问题。即使是还使用着原课程、原教材,也应该尽可能地注入新的理解、新的精神。

还因为以下的原因,更需要就生命科学的学科特征多作一些探究和思考。

一是虽然生命科学和其他自然科学有其共性,遵循基本的物质运动规律。有相似的科学研究方法、相似的哲学思考,但生命科学有其因研究的对象不同、发展的历史不同、运用的方法不同等所形成的学科特证,即它的个性。

二是对于中学生物科学教育目标的研究和确定,课程教材的建设,教学的实施,教学的评价,都不能游离于生命科学的特征以外,而与其他自然科学教育雷同,尤其对第一线教师来说,其教学行为是否符合生命科学特征的要求至关重要。在我国某些地区、某些学校,把中学生物课当作人文学科来对待,任何课时不满工作量的教师都可去“填补”生物课就是一例,实在是太不了解生命科学的特征了。

三是生命科学的特征未见有诸多专家们的论述,或许是生命科学发展大快,难以恰当地概括,或无暇顾及。笔者和赵学漱先生合著的《中学生物教学》(光明日报出版社,1987.12)曾概括为“生命性”“实验性”“广延性”“现代性”四方面,现在看来也比较肤浅,仍需继续探究。返回页首

以下的认识可能对即将推开的中学生物课程和教学改革会有一些启发。

生命物质基础的特殊性——生物大分子

确实没有什么特殊的“生命物质”或“生命元素”。组成生命体的全部元素都来自自然界。是非生命自然界普遍存在的。

然而,生物化学的进展,特别是从1953年沃森和克里克发现并建立了脱氧核糖核酸(DNA)模型起,不仅把本世纪初建立的细胞遗传学推向了分子遗传学,而且产生和推动了分子生物学及相应的生物工程技术的飞速发展。它的令人目不暇接的成果,不仅使我们认识到遗传信息是细胞内生物大分子之间的转移,而且从DNA到RNA到蛋白质的信息流动的“中心法则”,随后的遗传密码和氨基酸分子对应关系的破译,还表明了从病毒、细菌、植物、动物直至万物之灵的人类,通用一份密码,所有生物在分子进化上是同源的。进一步,对生物大分子——以核酸和蛋白质为主的大量研究,越出了遗传学的范畴,揭示了生物的生长、分化、神经传导、肌肉收缩、免疫等生命现象,无不与生物大分子的结构和功能,以及它们之间的相互作用有关。这是人类对生命本质认识的一次大飞跃。生命的重要特征之一是组成生物体的核酸、蛋白质等大分子的运动和相互作用。

这一认识已经越出了科学家的书斋和实验室、科学论文和专著,通过大众传媒进入了千家万户,人人都可接触到,包括青少年。从人类基因组计划到致癌基因;从转基因动植物到克隆基因;从线粒体基因到人类始祖“非洲夏娃”;从餐桌上的转基因食品到DNA侦破技术等等,渐渐地成为有文化的公民必备的常识,连被誉为中国硅谷的北京中关村的街心都竖立着DNA分子模型的雕塑。

于是,作为基础教育中的生物科学教育,就需要跟上时代的步伐,改革我们的课程和教材,寻找浅显、生动的形式,使学生关心它、了解它。许多国家。即使是小学、初中阶段,分子水平的生物科学内容已经涉及。只是用了故事、图画(包括漫画)、图表及现代媒体技术等生动活泼的手段和形式。如果我们圃于成见,低估了青少年的接受能力,小学接触17世纪~18世纪的生物科学,初中接触19世纪的生物科学,高中才有现代的.那太保守和机械了。

生命自然界的多层次性

生命自然界的复杂性之一是它的多层次性。细胞是一个基本的结构和功能单位,其下有细胞器、分子和原子;其上有组织、器官、系统、个体、种群、群落、生态系统和生物圈。每一层次都可以成为独立的研究对象和学科.这一层次和那一层次之间的关系又不可忽略。

从自然演化的角度来看,存在着病毒界、原核生物界、真核生物界,真核生物中又有菌物界、植物界、动物界等。每一界又有许多层次。它们都可成为独立的研究对象,同时相互之间的关系,从进化到生态都要涉及。而随着细胞工程、基因工程的进展,更深入地研究和应用它们之间相互关系的规律,又突显出来。

对于中小学生来说,了解生命科学,既不可忽略这种多层次性,又不可能去穷究多个层次——连生物科学家都不可能。于是基础教育中的生物课程内容的取舍和组合就成了一种艰难的事情。返回页首

应运而生的改革,似乎是从以下几个方向来展开的。

一是用综合理科(科学课)的办法,与理、化、地结合起来,重建一个标准框架,多学科相通的物质世界的组成、结构、运动以及应用成为新课程的“脊梁”。在这种情况下,各门学科只能“入选”那些基本的事实和规律。生命科学也一样,高度的精简了。这看来更适合初中和小学阶段,就环球教育来看,它风行160多个国家和地区。

其二是以美国(60年代开始)为代表的高中BSCS(生物科学课程研究,Biologica1SciencesCurriclumStudy)教材。它有三种教科书,分别以蓝色、黄色和绿色为教科书封面的颜色。蓝色以生理和生物化学为中心,黄色以发育和遗传为中心,绿色以生态和进化为中心。这样以各有侧重点来解决多层次性。这套教材对世界高中生物课程影响甚大。我国在北京大学吴相钰教授主持下已翻译出版了其绿皮本,1999年9月起,拟在有条件的学校试用。

其三是席卷当代的课程改革的主导理念,已经把知识、能力、态度、价值观的教育目标,从以知识为主到突出能力、态度、价值观的培养,可能有助于生命自然界的多层性在中小学生物课程和教学中的妥善解决。

生命是一个复杂的开放系统

一般系统论,是一门运用逻辑和数学方法研究一般系统运动规律的理论。它的创立者是一位奥地利生物学家、心理学家贝塔朗菲(LudwigVonBeriatanffy,1901~1972)。本世纪20年代,他在批判生物学中流行的机械论和活力论中创立了机体论,强调“系统”是中心的概念,从而提供了一种新的系统思维方式。他认为生命是一个开放系统,是在同环境进行物质交换的过程中呈现输入和输出,自身物质组分的组建和破坏才能存在和发展的系统。他说:“生命的形式不是存在着,而是发生着,它是通过有机体同时又是组成有机体的物质和能量的永恒流动的表现形式。”同时这个开放系统的重要特征是稳态(流动的平衡,不是封闭系统中的真平衡)、自主和自组织性,处处表现出有肌体的自我调整。

生物大分子不管多么重要,但本身不具备生命属生,只有形成细胞这样的复杂系统(病毒没有细胞结构,必须依赖活细胞而生存),才表现出生命现象。没有活的分子,只有活的系统。生命是系统活动的整体表现,整体不是部分的线性叠加,是非线性的动力系统。

这样的现代理解,应该更好地反映在基础教育的生物课程和教学之中,无论在生理、发育、遗传、进化、生态、行为等方面,用系统的观念(包括开放、稳态、自主)来排除那些机械论、外因论、活力论的影响,对于树立正确的自然观是十分重要的。

生命活动和信息变换

人类已经步人信息时代。在生命科学发展的历程中,自从有了遗传学的中心法则的发现,使得我们恍然大悟,原来生物世代延续中复杂的遗传、变异规律,竞是简单之极的三联体(碱基)遗传密码在操作;使我们领悟到生命活动是物质、能量、信息三位一体的运动和变化;使我们对生命活动的本质的认识,又大大向前推进了一步。信息本质上不是物质和能量,但需要物质作为载体,需要能量供应。于是,在研究生命活动时,在进行有关教学活动时,不仅揭示物质变化和能量变化,还要同时揭示信息的发送、接收、储存、加工、复制、传递等规律。

放眼生命活动的方方面面,除遗传信息的传递外,还可看到许多的信息变换、加工和表达,激素调控,神经调控和整合,细胞识别和免疫,发育中的核质关系,胚层组织者、诱导者,动物行为中的信息传递,基因调控中的操纵者、顺反子等等,乃至1998年度诺贝尔生理医学奖获奖项目也是一种用于调节心血管的化学分子氧化氮。

在我们的基础教育的生物科学教育中,其滞后于生命科学的进展方面之一,就在于此。我们如何来改进呢?值得思考。返回页首

生命自然界是一个复杂的网络

地球上有如此众多的生物种类,它们塞满了几乎一切可以生存的空间,而且每一种生物的生存发展,都以其他种类生物的生存发展为前提,一种或几种生物的消亡,可能对其他生物造成灾难性的后果。这种生物界的多样性和相互依存、相互制约的关系,在非生命自然界中远没有达到这种程度。我们可称之为生命的网络,生命之网。而人类也是这个网络的一部分,而且是至关重要的部分,由于人口的剧增,掌握着巨大的生产力和不断发展的科学技术,我们对生物界的正、负两方面影响力与日惧增。如果人类的行为破坏了这个生命之网(这种行为已经产生了严重后果),最终将殃及人类自身的生存和发展。

于是,从教育的角度说,给于学生多一点还是少一点的生物学知识,虽然也须细细斟酌,但可能不是最重要的,最重要的是要懂得尊重自然,爱护生物,并身体力行,这是现代人应有的道德素养。人——自然——社会的和谐统一,是现代社会文明的追求,是现代社会文化的重要特征。

在生命科学中人是研究的主体又是客体

在自然科学的众多门类中,自然界是被人所研究的客体,惟独在生命科学中,人既是研究者——主体,又和其他生物一样是被研究者——客体。因为人的自然属性是生物,属于哺乳纲灵长目的人科。

于是,生物学要研究的形态、结构、代谢、生长、发育、繁殖、遗传、变异等的规律性也适用于人类。于是,人类的心理行为、社会行为也无不具有生物性的烙印。于是,在生态系统中,在生物圈中,人类的一切活动都受到制约,又极广、极深刻地影响整个生物圈。

在这样的背景下,来审视我们传统的生物科学教育,就有明显的不足:

一是重生物轻人类,一个草履虫可描述得不厌其烦,人体的重要结构和生理则可粗而又粗;一个蜂群的成员之间的关系可描述得栩栩如生,人类社会成员之间的生物学关系则避而讳之者甚多;青蛙如何生殖发育,从幼儿园到高中,层层深入,而青少年对人类自身的生殖发育却知之甚少。凡此种种,习以为常,似乎基础教育中的生物学主要是了解人类以外的生物界。作为现代人,对自身的了解、调控和开发潜力,对他人的关怀和爱护,都应该具有坚实的生命科学素养。

二是对生物——社会问题缺乏重视,当代社会面临的人口、粮食、能源、环境、健康等重大问题,既是广义的STS(科学、技术和社会)问题,也是不同程度的生物——社会问题。正是在这里,基础教育中的生物科学教育,可以也应该发挥它的重要的教育功能和社会功能。如果我们的生物科学教育,真是实实在在地进行素质教育的话,理应在这方面作出努力,即对生物——社会问题有敏锐的观察力,善于发现和捕捉,并把它纳入到相关的课程教材之中,组织学生参与学习、讨论、调查和探究,使生物科学教育的内容和教学过程生动活泼起来,既使基本的生物学知识掌握得好,又在联系和参与中培养学生多方面的能力、积极的态度和树立正确的价值观。 返回页首

生命科学研究方法的独特性

我们都说生命科学是实验科学,尤其是从定性到定量的发展中,实验愈益重要,愈益精确,在基础教育的生物学学习中增加实验,提高实验的质量和效益,自然十分重要。但是同样无疑的是其他自然科学也是实验科学,那么其特殊性在哪里?

回答这个问题非常困难,仅提出两点供参考:

一是两位著名的物理学家,说过相似的话。一位是玻尔,丹麦物理学家,量子力学的领头人,哥本哈根学派的创始人。他1932年在“光与生命”的演说中曾说:“生命现象具有区别于物理、化学现象的独特性,它不能用完全正规的物理概念为依据来解释。但物理学家参与对生命现象的研究,将有助于物理学和化学新规律的阐明。”另一位是薛定锷,奥地利物理学家,波动理论力学的创始人。他于1944年在《生命是什么》中指出:“用经典物理学和化学去描述生命现象是不可能的,但物理学、化学渗透到生命科学中,介入,有助于解开生命之谜,开辟生命科学研究的崭新领域。”他的话启示我们:生命科学的研究方法应可兼容物理学、化学的方法,但仍有它的独特性。因此,把生命现象的研究最终还原为简单的物理或化学过程,归结为物理或化学原理,是不妥的,也背离了贝塔朗菲的机体论。

二是1952年德国物理学家赫尔希(A.Hershy)和学生蔡斯(M.Chase)用放射性同位素标记法研究大肠杆菌噬菌体侵染大肠杆菌的著名实·验,确证了遗传物质是DNA而不是蛋白质(噬菌体外壳),因此而说了一段话:“要揭示生命现象的本质,必须研究具有活力的有机体,那种脱离生命有机体,孤立地、单纯地去研究化学反应,试图去寻找生命现象的本质属性的答案,那是不可能的。”这告诉我们,研究活的有机体,是研究生命科学的根本方法。

基础教育中的生物教学,必须创造各种条件,组织学生去研究活的生物(连同它的生存环境)、真实的生命自然界。模拟的方法、现代媒体的使用等,都是对生物学学习和教学的补充,不应去替代对活的生物(及组织、细胞)的实验研究。当然,学习和实验研究中要爱护生物、珍惜生物材料、保护生物的生存环境。

从教育科学的角度来探讨生物教学是必要的,从生命科学自身的特征来探讨生物教学也是必要的。两个方面形成一股合力,将更快、更健康地推动基础教育的生物科学教育改革。


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