深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)論視域下穩(wěn)態(tài)與平衡觀的建立

吳開其　張晉

摘要 在系統(tǒng)論視域下，借助高階思維產(chǎn)生、知識(shí)結(jié)構(gòu)化、變式、遷移和應(yīng)用的深度學(xué)習(xí)，從而建立適合穩(wěn)態(tài)與平衡分析的開放系統(tǒng)模型，并在模型統(tǒng)攝下使得穩(wěn)態(tài)與平衡觀得到顯性化地內(nèi)生、演繹、外延和豐富。

關(guān)鍵詞 深度學(xué)習(xí) 系統(tǒng)論 穩(wěn)態(tài)與平衡 生命觀念

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)科學(xué)發(fā)展的自然產(chǎn)物，其強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的內(nèi)涵、品質(zhì)和深度，這與“核心素養(yǎng)”關(guān)注的必備品格和關(guān)鍵能力一脈相承。穩(wěn)態(tài)與平衡觀是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中重要的生命觀念，這一抽象的大觀念建立自然離不開深度學(xué)習(xí)。鑒于“穩(wěn)態(tài)與平衡”重點(diǎn)分析對(duì)象是生命系統(tǒng)，為此結(jié)合系統(tǒng)論觀點(diǎn)，對(duì)高中生物學(xué)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行凝練，通過教學(xué)實(shí)踐呈現(xiàn)以下復(fù)習(xí)方案。

1 “高階思維與結(jié)構(gòu)化”：建立開放系統(tǒng)模型

穩(wěn)態(tài)與平衡觀需要將生命系統(tǒng)放在與外界環(huán)境的相互作用中來理解，要理解不同生命系統(tǒng)內(nèi)部的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。在必修3的第一課學(xué)習(xí)中，教師可將學(xué)生對(duì)生物學(xué)產(chǎn)生的相應(yīng)問題放在開放系統(tǒng)中進(jìn)行分析，并試著建立有助于生物學(xué)問題分析的開發(fā)系統(tǒng)模型。

1.1 觸發(fā)思考

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧“生物體維持pH穩(wěn)定機(jī)制”的實(shí)驗(yàn)：向緩沖溶液中滴加鹽酸溶液，溶液pH減小得很少。教師將該實(shí)驗(yàn)及問題情景用圖像獨(dú)立出來，即在實(shí)驗(yàn)?zāi)骋粫r(shí)刻，向試管中緩沖液里逐滴滴加一定量的HC1溶液，溶液中H⁺濃度的變化情況應(yīng)該是怎樣，要求學(xué)生結(jié)合所學(xué)的化學(xué)知識(shí)進(jìn)行解釋，鼓勵(lì)學(xué)生采用跨學(xué)科知識(shí)解決此問題。

1.2 類比推理

教師鼓勵(lì)學(xué)生大膽類比：若將人體的內(nèi)環(huán)境液體看作是一個(gè)緩沖體系，當(dāng)身體乳酸增多使得H'濃度增加到相同量，H⁺濃度變化又是怎樣？引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)分析，并讓學(xué)生在黑板上畫出H⁺濃度變化曲線。

1.3 理解批判

教師引導(dǎo)學(xué)生思考類比推理的科學(xué)性：聯(lián)想飯后人體血糖濃度變化情況，推理劇烈運(yùn)動(dòng)造成的身體內(nèi)H⁺濃度變化曲線，并進(jìn)行修正。教師給出提示：一方面內(nèi)環(huán)境中某種成分的增加是漸變的過程，體內(nèi)生化反應(yīng)復(fù)雜且緩慢;另一方面，內(nèi)環(huán)境的成分應(yīng)該處于動(dòng)態(tài)平衡，即經(jīng)過調(diào)節(jié)后某成分水平應(yīng)該是圍繞某個(gè)水平在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，類似于發(fā)高燒時(shí)溫度升高是一過程，且經(jīng)過調(diào)節(jié)后，人體體溫最后會(huì)圍繞37℃在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

1.4 綜合建模

經(jīng)過前面的鋪墊，學(xué)生能體會(huì)到內(nèi)環(huán)境作為開放系統(tǒng)，起到的緩沖作用。教師再引導(dǎo)學(xué)生從系統(tǒng)內(nèi)部組成和關(guān)系和系統(tǒng)內(nèi)部和外界關(guān)系進(jìn)行構(gòu)建一個(gè)開放系統(tǒng)模型，如圖1所示。接著，引導(dǎo)學(xué)生綜合分析：若將內(nèi)環(huán)境視為一個(gè)開放系統(tǒng)，則其特點(diǎn)有哪些？可從內(nèi)部組成、內(nèi)部要素或子系統(tǒng)之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)環(huán)境與外界其他系統(tǒng)或要素的關(guān)系分析。由此，讓學(xué)生體會(huì)到內(nèi)環(huán)境乃至內(nèi)環(huán)境內(nèi)外各種開放系統(tǒng)，進(jìn)而讓學(xué)生自主展開對(duì)建構(gòu)的開放系統(tǒng)模型演繹的深度學(xué)習(xí)。

2 “結(jié)構(gòu)化與變式”：模型統(tǒng)攝下穩(wěn)態(tài)與平衡觀顯性內(nèi)生和演繹

借助上述所建立的開放系統(tǒng)模型，結(jié)合系統(tǒng)論中與穩(wěn)態(tài)與平衡緊密相關(guān)的基本原理和基本規(guī)律，如整體性原理、系統(tǒng)的開放性原理、系統(tǒng)的穩(wěn)定性原理、結(jié)構(gòu)與功能先關(guān)律、信息反饋律、演化與突變律和競(jìng)爭(zhēng)協(xié)同律等，進(jìn)一步分析其他生命系統(tǒng)。

2.1 對(duì)細(xì)胞生命系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與平衡分析

①分析細(xì)胞的內(nèi)部要素或子系統(tǒng)及功能。例如，說出遺傳物質(zhì)、蛋白質(zhì)、線粒體、核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等，并能說出其功能，再圍繞生物膜與細(xì)胞器，細(xì)胞核、染色體及基因，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)及細(xì)胞骨架三個(gè)方面，總結(jié)這些結(jié)構(gòu)的組成和特點(diǎn)。

②分析細(xì)胞系統(tǒng)內(nèi)部存在的關(guān)系。例如，通過中心法則構(gòu)建出的基因、蛋白質(zhì)等之間的關(guān)系;又如，按照物質(zhì)和能量流動(dòng)結(jié)合光合作用和呼吸作用，梳理出葉綠體和線粒體之間關(guān)系。

③分析細(xì)胞與其他系統(tǒng)或要素之間關(guān)系。例如，首先讓學(xué)生回顧細(xì)胞與細(xì)胞之間的3種信息交流方式，再讓學(xué)生舉例說明信息分子作用于靶細(xì)胞發(fā)生的調(diào)控，如激素作用于靶細(xì)胞，神經(jīng)遞質(zhì)作用于突出后膜。

④分析細(xì)胞系統(tǒng)及其要素的演變。例如，整個(gè)細(xì)胞系統(tǒng)整體進(jìn)行著等演變，也離不開遺傳物質(zhì)對(duì)細(xì)胞增殖、分化、凋亡、衰老的調(diào)控。基因突變而引起的細(xì)胞癌變也說明穩(wěn)定的開放系統(tǒng)會(huì)發(fā)生突變。

2.2 對(duì)個(gè)體生命系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與平衡的分析

①分析構(gòu)成個(gè)體的內(nèi)部要素或系統(tǒng)及其功能，如呼吸、消化、循環(huán)、神經(jīng)、免疫、內(nèi)分泌等系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)、免疫調(diào)節(jié)。

②分析個(gè)體系統(tǒng)內(nèi)部存在的關(guān)系，以體溫調(diào)節(jié)和滲透壓調(diào)節(jié)為例，重點(diǎn)復(fù)習(xí)機(jī)體穩(wěn)態(tài)維持的調(diào)節(jié)機(jī)制神經(jīng)一體液一免疫調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。

③分析個(gè)體與其他外界系統(tǒng)或要素之間關(guān)系，重點(diǎn)復(fù)習(xí)外界因素影響機(jī)體穩(wěn)態(tài)失衡和導(dǎo)致相應(yīng)神經(jīng)、體液、免疫失調(diào)。例如，外界溫度對(duì)機(jī)體平衡的影響，射線、致癌物質(zhì)、類激素食品、毒品等對(duì)個(gè)體的影響，細(xì)菌、花粉、灰塵、感冒病毒、HIV病毒對(duì)個(gè)體穩(wěn)態(tài)的影響。

④分析個(gè)體系統(tǒng)及其要素的演變，主要涉及發(fā)育生物學(xué)內(nèi)容，分析個(gè)體從受精卵、性成熟個(gè)體、死亡的過程，完成生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖活動(dòng)。由于高中新版教材沒有將其作為重點(diǎn)，教師可作適當(dāng)補(bǔ)充。

2.3 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與平衡的分析

①分析構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部要素或系統(tǒng)及功能。一方面，分析生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的一些子系統(tǒng)及其特征，如種群系統(tǒng)的組成特征和數(shù)量上的動(dòng)態(tài)平衡，群落的組成及空間結(jié)構(gòu)。另一方面，從生態(tài)系統(tǒng)的組成生成者、消費(fèi)者、分解者和非生物的物質(zhì)和能量分析。

②分析生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部系統(tǒng)或要素存在的關(guān)系。一方面主要分析子系統(tǒng)種群數(shù)量變化的影響因素，子系統(tǒng)群落內(nèi)部群落之間的關(guān)系。另一方面主要借助生態(tài)系統(tǒng)成分之間物質(zhì)、能量和信息的交換，分析生態(tài)系統(tǒng)組成之間的關(guān)系。

③分析生態(tài)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的關(guān)系，讓學(xué)生站在生物圈的角度思考“同一個(gè)地球”和“只有一個(gè)地球”的話題即可。

④分析生態(tài)系統(tǒng)及其要素的演變，可以從生態(tài)系統(tǒng)整體在時(shí)間和空間的演變，從基因頻率、生物進(jìn)化角度分析其要素變化，從生物進(jìn)化歷程角度縱向分析各時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)多樣性的改變等角度分析。

3 “遷移與應(yīng)用”：外延并豐富穩(wěn)態(tài)與平衡觀

從深度學(xué)習(xí)看，“遷移”是經(jīng)驗(yàn)的擴(kuò)展與提升，其存在于學(xué)習(xí)活動(dòng)的閉合處，是學(xué)習(xí)開始的端點(diǎn)：“應(yīng)用”是將內(nèi)化了的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)操作化、直接化過程，將符號(hào)轉(zhuǎn)為實(shí)體、從抽象到具體的過程，既是上一個(gè)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)結(jié)果在此處的“應(yīng)用”，又通過“應(yīng)用”開啟著新的學(xué)習(xí)。教學(xué)過程需要將問題持續(xù)深入，在深度學(xué)習(xí)中實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階，從而推動(dòng)“核心素養(yǎng)”培養(yǎng)螺旋式前行。教師可延伸以下幾個(gè)例子。

3.1 關(guān)于話題“癌變”的理解

①?gòu)南到y(tǒng)論角度正視癌變，細(xì)胞的癌變視作整個(gè)細(xì)胞系統(tǒng)發(fā)生的質(zhì)性突變，突變是系統(tǒng)發(fā)展變化的一種基本形式，系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)態(tài)“失穩(wěn)”是一種普遍現(xiàn)象。

②細(xì)胞癌變是系統(tǒng)要素層次的基因發(fā)生突變，體現(xiàn)內(nèi)部要素對(duì)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的影響。

③誘導(dǎo)癌變的因素是什么，外界因子怎樣誘導(dǎo)基因發(fā)生突變的是進(jìn)一步研究的關(guān)鍵。

更重要的是，課堂復(fù)習(xí)中，教師可引發(fā)學(xué)生深度思考，癌細(xì)胞的研究和治療從要素到系統(tǒng)，從影響到基因到信息分子再到細(xì)胞功能，中間的存在的一系列聯(lián)系。其實(shí)，在這樣復(fù)習(xí)過程中潛移默化地讓學(xué)生形成系統(tǒng)分析生物學(xué)問題的觀念，結(jié)合應(yīng)用話題“癌變”，強(qiáng)調(diào)“細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)”研究重要性，讓“有志之士”形成高級(jí)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

3.2 對(duì)話題“衰老死亡”的理解

一方面，首先從系統(tǒng)的整體分析。系統(tǒng)的穩(wěn)定不是絕對(duì)意義的平衡，系統(tǒng)整體乃至內(nèi)部總有起落，衰老死亡是個(gè)體系統(tǒng)的正常演化。個(gè)體系統(tǒng)作為開發(fā)系統(tǒng)，其維持穩(wěn)定必然和外界進(jìn)行著物質(zhì)和能量的交換，從受精卵開始有序地進(jìn)行代謝發(fā)育成個(gè)體，建立起機(jī)體內(nèi)部更復(fù)雜有序的聯(lián)系，表現(xiàn)出“嫡負(fù)”的過程，“違背”一般規(guī)律。而機(jī)體走向衰老和死亡，來源于塵土歸于塵土，再?gòu)挠行虻綗o序，表現(xiàn)“嫡增”的過程，所以衰老死亡可視為一般規(guī)律。另一方面，從整體與內(nèi)部要素之間關(guān)系分析，衰老和死亡與遺傳物質(zhì)之間必然有聯(lián)系，人類在衰老死亡面前，應(yīng)該有所作為，從哪些角度入手研究。結(jié)合這三節(jié)課，學(xué)生應(yīng)該有啟示，同時(shí)提出關(guān)于該話題的一些問題。例如，細(xì)胞衰老與個(gè)體衰老之間有關(guān)系嗎？IPS人工誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞能實(shí)現(xiàn)“再生”嗎？

3.3 對(duì)“綠水青山就是金山銀山”的理解

①將個(gè)體、群落作為生態(tài)系統(tǒng)中的子系統(tǒng)分析，一方面會(huì)受整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的影響，另一方面會(huì)主動(dòng)影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。

②課堂中從系統(tǒng)相似原理入手，將生態(tài)系統(tǒng)比作個(gè)體系統(tǒng)，對(duì)于個(gè)體來說，穩(wěn)態(tài)健康就是金錢，那對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)來說生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定就是金山銀山，有穩(wěn)態(tài)才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

③從個(gè)體、人類會(huì)受整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的影響來說，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)是個(gè)體、人類的保障，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)失衡，如出現(xiàn)大量沙漠化、霧霾以及“溫室效應(yīng)”形成，這些會(huì)嚴(yán)重影響個(gè)體、人類的穩(wěn)態(tài)和健康。

④從個(gè)體、人類會(huì)主動(dòng)影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)角度來說，人類維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定應(yīng)積極作為，怎樣改善或修復(fù)己經(jīng)破壞的生態(tài)系統(tǒng)，人類作用發(fā)揮到怎樣程度，怎樣發(fā)揮：一方面從生態(tài)系統(tǒng)獲取資源，破壞綠水青山，一方面又創(chuàng)造綠水青山，怎樣實(shí)現(xiàn)這個(gè)平衡，關(guān)系到自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)，以此引發(fā)學(xué)生思考。

4 本系列課程教學(xué)的啟示

①大觀念的建立需要學(xué)科教學(xué)有機(jī)融合。“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”屬于高中生物學(xué)科核心素養(yǎng)“生命觀念”的重要部分，其建立過程是對(duì)生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進(jìn)行解釋后的抽象。比如，筆者在此穩(wěn)態(tài)與平衡的基礎(chǔ)上再度融合物理的“楞次定律”，將該定律的“來阻去留”與化學(xué)的“減弱不抵消”和生物的“緩沖趨于穩(wěn)定”一并呈現(xiàn)。

②深度學(xué)習(xí)重在形成觀念。深度學(xué)習(xí)重在建立觀念，而不是一味的增加難度。也許多年后，學(xué)生會(huì)把所謂的“考點(diǎn)”基本忘記。但像“生命系統(tǒng)以開放的姿態(tài)與外界環(huán)境的相互作用，不同生命系統(tǒng)內(nèi)部的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡”這樣一個(gè)基本觀念將長(zhǎng)期存在于頭腦深處，并以此指導(dǎo)探究其他生命活動(dòng)規(guī)律，解決實(shí)際自然科學(xué)乃至社會(huì)學(xué)問題。

③深度學(xué)習(xí)需要科學(xué)思維的參與。深度學(xué)習(xí)作為高級(jí)認(rèn)知方式，目的是形成學(xué)科的生命觀念，而生命觀念又是科學(xué)思維的產(chǎn)物，因此深度學(xué)習(xí)離不開科學(xué)思維。生命觀念形成過程可視為科學(xué)思維進(jìn)行從個(gè)別到一般，從分類到歸納，從歸納到綜合，從具體到抽象上位凝練的過程。這個(gè)過程也是用生命觀念指導(dǎo)進(jìn)一步探究生活規(guī)律，解決實(shí)際問題，不斷演繹、不斷解釋現(xiàn)象、不斷批判、不斷修正觀念的過程。

④系統(tǒng)論有助于整個(gè)生命觀念建立。細(xì)細(xì)回讀教材，發(fā)現(xiàn)似乎每一個(gè)章節(jié)都在圍繞著系統(tǒng)論在說著生命中的穩(wěn)態(tài)與平衡。在系統(tǒng)論視域下體會(huì)“穩(wěn)態(tài)與平衡”的同時(shí)，其實(shí)也在不斷強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)與能量、進(jìn)化與適應(yīng)。也就是說，生命觀念的建立以系統(tǒng)的角度分析很有必要。