从系统观的非线性和协同性认识生物模块教学——以人教版“分子与细胞”模块为例，本文主要内容关键词为：模块论文,为例论文,以人论文,细胞论文,分子论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的提出 生命科学是21世纪自然科学的带头学科已成为不争的事实，其原因不仅限于生物学革命所带来的生物工程技术和生态学发展对人类的影响，更重要的是当代生物科学的思想和方法，已对其他学科以至整个社会产生广泛而深远的影响。基于我国对创新人才培养的社会需求，中学生物教学中提高学生生物科学素养的内涵不仅有知识和技能，更重要的是科学观。 我国高中生物课程是以模块教学呈现的，对模块教学的理论分析，李红曾从系统的层次性、整体性、开放性和动态性解读了“分子与细胞”模块教材[1]；余自强运用系统思想构建了“稳态与环境”的内容并分析模块的科学方法[2]等。但从生命复杂性角度深入认识高中生物模块的研究还不够，导致在新课程模块教学中仍有部分教师仅关注知识目标，难以认识到模块体系中隐含的科学思想和方法，不能全面地提升学生的生物科学素养。本文旨在从系统观的非线性和协同性两点来认识高中生物模块的科学素养内涵，以期领悟模块教学的本质。 二、从系统观的视角进入细胞世界 20世纪40年代以来，系统观念作为重要的科学思想，已逐渐渗入各个研究领域。在教学中深入理解系统观念的内涵及教材中隐含的系统思想，对改变学生思维方式有重要意义。钱学森说过“不管哪门学科都离不开系统思想的指导”。[3]美国国家科学教育标准中强调，从幼儿园到12年级的教学活动，要培养所有学生对“系统、秩序和组织”相关概念和过程的理解和能力，使学生学会从系统的角度思考和分析问题。[4]这是教育发达国家和地区力图在基础教育中贯穿系统科学思想的典型表现。我国的课程标准和教材日益重视科学素养的培养，已将系统科学思想隐含于教材中。 1.认识细胞——有机组合的整体 细胞作为生物体结构和功能的基本单位，是高中生物模块必修一的主体内容。正确地认识细胞是学生构建完整知识体系的基础，在教学中教师如何摆脱重知识的传统教学，引导学生理解细胞作为生命物质的与众不同，便显得尤为重要。在著名物理学家薛定谔的著作《生命是什么？》一书中在熵原理的基础上，指出非生命的物质简单而生命的物质却极其复杂。[5]人们逐渐认识到生命世界不是能用牛顿经典机械观可以描述出的，它是由大量要素组成的具有大量自由度的复杂体系，不仅是在物理一化学层次，更是在较高的生命组织和整体系统层次上的活动，既有偶然性也有必然性。而系统观念的产生以其系统综合的思维方式改变了传统科学观逻辑分析的思维方式，为人们理性而深刻地认识生命复杂世界提供了新的视角。 奥地利理论生物学家贝塔朗菲作为一般系统论的奠基人，对系统观基本思想的形成做出了巨大贡献。他从研究生物学复杂生命系统中提出，任何系统都是一个有机组合的整体，整体大于各部分之和，即“1+1＞2”。[6]细胞也是一个完整的生命系统，是由众多元素、生物分子以及亚细胞结构有机组合的整体。整体由许多部分组成，并且各个部分之间是相互有机联系的。细胞作为一个整体，由许多生物分子及亚细胞结构组成，细胞中的各个亚细胞结构之间、亚细胞结构中各个生物分子之间，并不是孤立存在而是相互依赖，相互制约。如分泌蛋白的合成和运输，细胞中核糖体、内质网、高尔基体等细胞器都相互配合联系，线粒体在能量供给方面间接与其他组分有着密切的关联，共同完成细胞整体的功能。若将这些细胞器提纯分离，尽管各个细胞器都完整，但已然不能发挥“细胞分泌蛋白质”这个细胞系统的整体功能。 细胞并不是直接整合其内在各个部分的结果，不是各生物分子及亚细胞结构的机械组合或简单相加，而是表现出一种独有性质——“涌现”性。涌现性是整体具有而其部分以及部分之和不具有的特性。细胞的涌现性表现在一个完整的细胞代谢或其他细胞功能是依靠细胞核和各种细胞器相互分工协作、有机搭配组合时才能实现的，而并非某个单独的细胞组成部分可以体现出来。正如我们将一栋砖瓦房视为一个系统，把它拆成一堆砖瓦便仅仅是堆积物，是1+1=2的关系，就不再具有房屋整体的功能，如遮风避雨、提供生活的场所。功能是系统最重要的整体涌现性，一切系统的功能都不是由组成部分简单叠加而展现的。只要是系统，其部分与部分之间便是存在着复杂的相互作用，是非线性的，系统的功能就是系统中各个组成部分相互协同的结果。[7]生命产生是在化学进化准备了核苷酸、氨基酸之类化学大分子后才成为可能的，但是将这些分子拼凑起来是不能产生生命活性的，只有它们经过复杂的相互作用才能产生生命的整体功能。 由此，我们要理解细胞系统，要把握它的整体功能，必须分析其组成要素间的相互作用，而理解这种相互作用对于系统观是不容忽视的。系统观逐渐发展深刻揭示了系统中这种相互作用的本质，非线性和协同性是系统观在其发展历程中逐渐被重视的重要特性。细胞是一个基本的生命系统，它除了具有层次性、整体性、开放性、动态性，还具有生命系统的非线性和协同性，这是系统整体功能展现的基础。 2.细胞功能展现的基础——非线性和协同性 非线性是相对于传统的线性观而言，线性观不存在互为因果的相干效应，强调事物的简单性，掩盖了世界本质，特别是掩盖了复杂现象的真实。而非线性研究正在扭转这种简单化，非线性指两个量之间没有像正比那样的直线关系。[8]从系统非线性角度看，整个生命世界就是一个复杂的非线性世界，生物体特别是高等生物是自然界中最复杂的系统之一，生物体内许多系统都是复杂的非线性系统。对于认识细胞这个生命系统，其整体功能无法由组成细胞的生物分子及细胞器等简单叠加而展现，是因为不同的生物分子结构、功能之间有着复杂的、网络般的非线性相互关系。 协同性是开放系统在外部一定条件的作用下，其内部诸要素、诸层次和诸子系统之间通过非线性相互作用而形成的效应。[9]学生在认识细胞过程中应关注的深层次的本质特点是细胞中各部分精细结构巧妙的协作，应认识到协同性是一切功能系统普遍具有的自然机理，深刻理解生命活动。面对复杂系统——细胞，我们应该用现代生物系统科学的视角认识它，不仅考察细胞内个别组成部分的结构与功能，还要将细胞作为一个整体来研究。而研究其整体涌现性，便要关注子系统间产生怎样的协同作用从而形成有序的功能结构。简而言之，协同产生有序实现整体涌现功能。 根据生物学发展的规律和学生认识事物的特点，生物课程标准从义务教育阶段至高中阶段，要求学生认识生命现象应深入生命活动本质。然而在“分子与细胞”模块中，尽管学生现在甚至未来学到了细胞内生物分子结构的大量信息，却仍然难以理解细胞这个系统的本质和生命活动的本质。理解细胞系统各个部分如何非线性相互作用及其形成的协同作用，是教学的难点，与理解这些部分本身具有同等的重要性。系统科学近30年来关注结构与功能概念，物质、能量和信息概念，这些新概念的介入为生命科学注入新的活力，强调生命系统的复杂性。[10] （1）细胞结构层次上的非线性和协同性。从细胞的结构层次来看，大量生物分子物质构成亚细胞结构，而众多亚细胞结构又相互联系形成一个完整的细胞系统。线性是互不相干的独立贡献，而非线性是一种复杂的相互作用，正是这种相互作用使得整体不再等于各部分简单地相加，而可能出现不同于“线性叠加”的无限多样性、丰富性、奇异性和多变性。例如，在“组成细胞的分子”中，多种元素和化合物种类繁多，但它们之间并非一成不变而是其含量和比例一直处于不断变化之中，非线性便是这些分子无限多样性和多变性的根源。而对于遗传信息的携带者——核酸，正是由于其脱氧核苷酸排列顺序的非线性特征，核酸才能承载大量而又复杂多变的遗传信息。 在“细胞的基本结构”中，学生通过对亚细胞结构的剖析，认识亚细胞结构之间协同性的意义，即它不仅强调系统内部各部分之间的“协同”作用，还强调各部分之间的竞争关系。细胞器各有自身膜结构而相互独立，各司其职，在彼此相互分离和竞争的前提下，这些有膜亚细胞结构由于膜的相似性又共同构成了细胞的生物膜系统，使得细胞内各种亚细胞结构之间协同和合作，从而随时改变细胞系统的无序度，为了共同的目的不断改变其各自结构，实现系统的协同性，推动了系统的运动、变化和发展。协同性是系统中有序形成的内驱力，其中居于主导地位，起着序参量作用的细胞核控制细胞代谢和遗传。 （2）细胞功能层次上的非线性和协同性。从细胞的功能层次来看，非线性描述的是一个开放的细胞系统，无时无刻不在与外界环境进行物质、能量和信息的交换，以维持自身功能的稳定性，阻止系统向无序退化或促成系统内部新质的形成。生物大分子物质蛋白质和核酸之间联系复杂，蛋白质高度有序的功能是由核酸编码的，而核酸的复制与翻译又是由蛋白质催化和表达的，在生命过程中蛋白质和核酸之间这种非线性相互作用，表现为互为因果的双向联系。 协同导致有序，系统本身通过非线性作用不断协调各子系统间的彼此关系而产生协同效应，使系统由无序状态走向有序状态，从而形成新的结构以及实现系统的整体涌现性。细胞代谢是细胞生命活动的基础，既包含吸能反应又包含放能反应，两者之间非线性的相互作用从而产生协同性使得细胞代谢在能量的获得与释放形成有序的能量流。在细胞呼吸的能量供应活动中，由于细胞处于多变的非线性环境，细胞采用的有氧和无氧呼吸方式也相互协调和配合。细胞系统就是依靠物质和能量的输入输出，从简单到复杂，从无序到有序。 生命是一个能记载和表达生物信息、积累信息、保持和传递信息的信息系统，其信息容量越丰富，生物越具有多样性。细胞间信息交流的方式多种多样，如通过胞间连丝、受体配体结合及糖被识别信号等，各种信息间交流也是非线性，并不是简单地信息相互叠加，而是众多信息的相互作用表现出整体涌现性。涌现的产生和消失不可能使物质能量增多或减少，却能产生新的信息或消除原有信息。细胞信息量的增多并产生协同效应乃是细胞系统自发地对其子系统进行组织和协调的固有能力，是有序性的重要体现，也是依靠与外界进行物质交换和能量交换形成的。 （3）整体细胞系统的非线性和协同性。细胞是一个典型的非线性动态的复杂系统，包含数亿个分子、数百种生化反应。子系统之间通过非线性相互作用产生协同现象和相干效应，通过各种形式的信息反馈来控制和强化这种自身组织结构。现代科学关于非线性的认识指明了系统的运动、发展根源于系统自身的能动性——非线性作用。例如，复杂的细胞分化是非线性的，其基础是不同蛋白质的合成，蛋白质的专一合成有赖于基因选择性表达，基因既按时空选择性表达，又依赖核、质之间、胚胎的不同部位之间的信息传递，从而启动一些机制，关闭另一些机制，每个环节都不是简单的线性联系而是充斥着相互交错的复杂联系和无限的多变性。非线性复杂相互作用不限于单纯的作用与反作用，而在于其中有精细的调控来实现生成与转化。由此，有序的基因表达进程又受到各个层次的调控，有转录层次的调控、转录后加工、翻译层次的调解等。复杂系统的发展具有太多的不确定性，细胞系统非线性的典型特征是往往存在突变行为。例如，细胞癌变存在时空随机性和不确定性，往往由于致癌因子的多样复杂性，细胞可能随机受到外界环境的某个因子影响造成某个碱基的替换或增减，这种不可预测的突变就是非线性的。 从复杂科学角度来说，生命的复杂性又一个重要特征是结构和功能的高度有序性。细胞生命活动如细胞分裂和分化、衰老和凋亡等都体现了细胞内各个子系统相互协调产生协同作用导致了细胞系统有序化。细胞系统的协同性也可从因素、结构、功能和环境等四个方面来刻画。例如在细胞的有丝分裂中，DNA和蛋白质是组成细胞系统的因素，它们相互独立地复制或合成，又相互联系地构成染色体等结构。细胞内其他成分和结构相应地协调配合，核膜、核仁消失，纺锤体形成，纺锤体与染色体相互牵引作用，细胞膜的流动凹陷再促使细胞分裂为两个子细胞，共同完成有丝分裂如此有序地活动，展现细胞保持亲子代遗传性状稳定的功能。 高中学生认识细胞有一定难度，需要从微观的角度进行思考。从系统观的非线性和协同性视角出发，不仅能更科学地认识细胞，还能逐渐形成系统观念和一定的抽象思维能力。在生物模块教学中，系统观作为每个模块体系的主导科学思想，是该体系知识总体内在联系的共同基础，已成为模块中的主干。从非线性和协同性形成系统观念将促进学生思维方式的转变，从而能更全面增强学生生物科学素养，提高教师的教学水平，提升生物教学质量，以适应时代赋予的社会需求。因此，认识系统观念的非线性和协同性对于指导高中生物模块教学有着重要且深远的意义。 编辑手记：学科知识、学科能力、学科思想是学科体系的三个要素，而学科思想是一个学科的灵魂。学科思想方法和基本观念具有超越事实的持久价值和迁移价值，不仅影响着学生的知识储备和能力发展的状况，而且在学生以后的学习、生活中具有迁移作用。目前物理、化学等学科已经开始重视学科思想方法和基本观念在教学中渗透的研究，而生物学科关于这方面的研究相对匮乏。本文对“分子与细胞”模块中系统观的非线性和协同性特征的研究，为一线教师在课堂教学中引导理解细胞复杂性的本质，认识模块体系中隐含的系统科学思想，改变传统的思维方式，从而更全面地提升生物科学素养提供了理论支持和思路借鉴。