1。从生物学这一学科的知识结构来看生物学核心概念
布鲁纳认为，任何学科都有自己的基本结构，任何一个与该学科有内在联系的事实、论据和概念都能不断的被纳入一个不断发展的结构之中，这种基本结构就是需要掌握的科学因素，要成为教学过程的核心部分。如果要了解生物学的基本结构，我们就首先要明白什么是“生物学概念”，生物学概念就是在众多的生物学事实的基础之上归纳、推理出来的基本结论，包括一些基本的原理、规律和理论等基本知识，它区别于日常用语中的概念，在日常生活中人们往往把概念等同于一个词语或者术语来对待。概念是建立在很多的事实感知基础上的，需要众多的事实来支撑，它还是知识的细胞。同一个生物学概念可以用不同的生物学事实来阐述和支撑，不同版本的教材可以用生物学核心概念统一起来，把生物学核心概念的教学作为重点，学生才能真正的掌握生物学理论，而不是引导学生对“生物学事实”的死记硬背，从而达到真正提高生物学素养的目的。
2。什么是生物学核心概念
美国课程专家埃里克森认为核心概念位于学科的中心，具有超越课堂以外的迁移价值和持久价值的概念性原理、知识规律和方法。生物学的核心概念不是一成不变的，有的生物学概念对于初中学生来说可能是核心概念，而对于生物学专家来说可能就不是核心概念，不同的学段的生物学核心概念是不同的。我们可以理解为生物学核心概念实际上是教师通过教学过程促使学生形成关于生命本质正确的看法和认识。
二、怎样甄别生物学核心概念
一般状况下，生物学核心概念的认识程度在一定意义上反映了一个人的生物学素养，那么怎样在繁多的生物学概念中甄别生物学核心概念呢？
1。生物学核心概念是构成学科基本框架的概念
生物学是研究生命活动规律和生命现象的科学，在这门最基本的自然科学中，离不开对事物和现象过细的具体的分析。核心概念可以揭示科学事物的本质和相互之间的联系，还能够把过细的描述和具体分析的细节片断融入到广阔的、有逻辑内聚力的结构之中，在这样的结构里，生物学的信息片断的内在联系就被凸显出来。所以，我们在生物学中要善于建构信息片断的知识结构，并纳入到整个信息结构中去，知识结构之间的节点就是核心概念，因此，核心概念构成了生物学科的基本框架。生物学事实是层出不穷、多种多样的，它是建立生物学概念的基础，生物学概念和概念之间相互交织就构成了生物学科的基本的结构，而核心概念位于学科知识结构中一般概念的上层，成为核心聚合器，聚合着学科的一般概念，这种聚合不是对一般概念的简单相加，而是对生物学概念的一种规律性的认识，这种认识往往具有迁移应用的价值。通过核心概念的迁移应用就可以解决事实性的问题，不但减轻了学生的学习生物学的负担，还能提高学生分析问题、解决问题的能力。可见，核心概念具有统摄一般概念和事实性知识的作用，因为核心概念超越于具体的、事实性的知识。
2。生物学核心概念是具有文件夹功能的概念
我们如果能够提炼单元的核心概念，并把它们组合成能够反映生物科学基本面貌的核心概念体系，在围绕体系选择内容，淡化一些与该体系没有直接关系的内容，这样选择出来的很少的知识，比课程中庞杂的重视更具有学科教育功能。
3。生物学核心概念是具有统摄思维功能的概念
核心概念的梳理和提炼需要按照生物学知识的内在联系和规律，把一些零散的知识条理化、整体化，建构起条理分明、脉络清晰，相互联系的内在体系。这样一个具有逻辑内聚力的体系在建构的过程中需要整体思维的把握。生物学核心概念是对同一类生物学问题本质特征的基本的概括，例如：“生命有机体维持其生命活动需要不断地摄取能量”这一核心概念，就是在分析生物体进行新陈代谢的过程中，概括出来的这一本质的认识，从分析环境和生物体的关系开始，发现了生物体是一个开放的系统，生物体和它周围的环境不断的进行着能量的流动和物质的交换，一些物质在被生物体吸收以后，会发生一系列的变化，最后成为代谢过程的最终产物被排出体外。在整个代谢过程中，生物体内的能量被不断的转化，能量的每一次转化都会失去一些可用的自由能，因此，生物体必须从外界不断的摄取自由能来补充自身的能量，以此保持自身生命性能的稳定。理解“生命有机体维持其生命活动需要不断地摄取能量”这一核心概念的本质，有利于学生理解生命的本质，从系统的角度来理解生命系统。由此可见，核心概念不同于一般的概念，核心概念可以统摄一般的概念，可以揭示学科知识的本质学科知识之间的联系，具有统一整合学科知识的功能。
4。生物学核心概念是具有迁移价值的概念
概念是事物本质特征的反映,是任何一个学科知识体系最基本的构成元素。化学概念是从大量化学事实及逻辑思维结果中概括出来的,深刻地反映了化学过程的本质特征[1]。在学习者的认知结构中,概念充当知识网络中的“节点”,只有掌握化学概念才能帮助学习者建构起清晰的学科知识体系。
所谓概念学习(又称概念形成)是指个人在学习环境中掌握同类事物共同的关键特征的过程。面对概念学习的复杂性,研究者们的视角也从对概念学习的一般特征的宏观了解转向对个体的、详细的概念学习过程的审视;同时,学习者在概念学习过程中认知变化的特殊性使得对个体概念学习的研究成为对群体研究的一项必要补充[2]。本研究追踪记录并分析了被试TY对21个原子结构相关化学概念的建构、重构过程。
1被试
通过访谈被试就读学校的教师、家长以及与被试的交往,获取关于被试的基本信息。
被试TY,16岁,女,南京某重点中学应届初中毕业。她自信、活泼,兴趣广泛,和同学关系亲密;她平时善于提问、学习较为主动并有自己的学习方式,成绩优秀。总体而言,TY拥有浓厚的学习兴致、敏捷的思维、良好的学习习惯以及对自己较为准确的判断。初中阶段的化学学习中,TY学习的教材是人民教育出版社出版的义务教育课程标准实验教科书《化学》九年级(上下2册)。
2前测
从形式思维水平、元认知水平、相关化学知识与科学本质观4个纬度来考察TY。前测所基于的假设如下:首先,由于中学化学中的原子结构相关概念对个体的思维发展水平提出了一定的要求,所以设计了以美国坦普尔大学教育学院教育心理系编制的“形式思维评价量表”的自然科学部分为平台的前测。其次,元认知在个体的概念学习中发挥评价、协调、监控等作用,所以考察TY的元认知水平。第三,科学本质观在一定程度上影响学生对抽象概念的学习,测查TY对自然科学所持有的态度,为概念学习提供参考。最后,以自编习题考查了TY的相关前化学知识。
为了全面、详尽地收集有效资料信息,前测的实施以纸笔测验为主,结合使用半自由式访谈、深度访谈、观察、实物演示等方法。
在形式思维水平测试中,TY得25分,处于形式运算阶段(23分及以上)。访谈进一步体现出被试思维的批判性、深刻性、周密性。元认知水平测试表明TY对自我的认识清晰、肯定;对实践任务能够做到有意识归类、分析并寻找恰当方法;在具体的认知活动中TY的计划性较强。被试的科学本质观介于知识本质观与现代的科学本质观之间,并且比较接近后者;TY对自然科学知识持有开放、灵活的观点。前化学知识测试表明TY已初步具备相关化学知识。
基于前测,参考人民教育出版社出版的普通高中课程标准实验教科书《化学》(必修1、必修2)以及《物质结构与性质》,设计了概念学习方案;鉴于TY在思维发展水平与元认知测试中的良好表现,将学习的难度稍作提高,以便最大限度地考察其概念学习过程。
3研究程序
特意将研究安排在暑假。其时,TY刚参加完当年南京市中考并自信满怀地等待某示范高中的录取通知。整个研究期间TY的学业负担小、学习热情高;此外,主试随时关注被试情感变化并适时引导,确保整个研究在TY较为平缓、良好的情感背景下进行。研究时段的安排也充分保证所关注的是TY有意义学习过程中的积极的思维变化,而非消极的应付式的机械学习。具体研究安排参见表1。
表1被试基本学习情况一览(a)
日期(7月)1日2日4日5日
学习时间/min50403030
主要学习内容能层及其表示符号、能级及其表示符号电子云、电子云轮廓图、磁量子数原子轨道、能量最低原理、自旋量子数、电子排布式、轨道表示式、Pauling不相容原理、Hund规则构造原理,主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数(以第
一、
二、三周期元素为例)
学习结果呈现CM1CM2CM3CM4
学习性质新概念学习
表1被试基本学习情况一览(b)
日期(7月)6日10日11日12日17日
学习时间/min5560503530
再学习内容(被试本次学习中重点加工的内容)构造原理、全满半满规则(以第四周期元素为例)磁量子数、自旋量子数、原子轨道之间的关系电子云轮廓图与原子轨道之间的关系原子轨道与4个量子数之间的关系,4个量子数与电子排布式、轨道表示式、电子排布规则之间的关系精确节点间的连接词
学习结果呈现SCM1SCM2SCM3SCM4CM5
学习性质被试尝试改变硬币的位置、重新认识概念之间关系,修正、完善概念图
概念学习共进行了9次,前4次为基于方案的新概念学习,后5次通过自由学习逐步完成对难点概念的重构。每次学习后,主试要求TY基于她所理解的概念绘制(或制作)概念图,并针对某些细节对TY进行深度访谈。
前3次为被试学习后自由绘图;第4次主试参与被试作图过程,引导TY思考每一步概念图的绘制;在第5至8次学习中,研究者采用借助于硬币等实物搭建概念图的形式帮助TY实现对部分概念的理解转变。以上共涉及21个概念。
4概念学习分析
追踪研究中,收集到TY建构的9个概念图:CM1、CM2、CM3、CM4为TY绘制的概念图,SCM1、SCM2、SCM3、SCM4为TY借助实物搭建的概念图,CM5为TY最后一次绘制的终结版美工概念图。结合概念图的特征,从节点、命题、层级3个维度分析其变化趋势;在考察被试的概念图建构行为的基础上,揭示TY头脑中组块的成长轨迹。
4.1节点分析
节点是针对概念图图表结构而言的。考虑到TY所做概念图的特征,本研究中节点是指被试概念图中箭头(牙签)所指向的或从箭头(牙签)出发的原子结构相关概念的重要术语名词。笔者又将节点细化为以下小类别:
“已学概念数”指的是截止到此次学习为止TY所接触到的原子结构相关概念的数目。在其概念图中节点位置处正确呈现出来的概念称为“有效节点”,其数目即为“有效节点数”。将TY每次概念图中的有效节点与已学习概念相比较,将遗漏部分称为“遗漏节点”。本研究中“联想属性”本质是关于某一概念TY所能想到的相关属性,不同概念图中同一概念的联想属性不完全相同。联想属性依附于节点而存在,将其作为对节点研究的辅助考察。概念图节点特征情况详见表2。表2概念图节点特征情况(a)
概念图CM1CM2CM3CM4
已学概念数7101720
有效节点数55511
遗漏节点名称能层、能级能层、能级、电子云、电子云轮廓图、磁量子数能层、能级、电子云、电子云轮廓图、磁量子数、原子轨道示意图、能量最低原理、自旋量子数、电子排布式、轨道表示式、泡利不相容原理、洪特规则轨道表示式、电子排布式、电子云、电子云轮廓图、构造原理、主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数中国编辑。
数量25129
联想属性
数量11141812
不当表述能级电子云图不同能量级的电子云图
备注TY将新学概念视为已知概念的联想属性
表2概念图节点特征情况(b)
概念图SCM1SCM2SCM3SCM4CM5
已学概念数2121212121
有效节点数1919202020
遗漏节点
名称电子云、
电子云轮廓图
电子云、
电子云轮廓图电子云电子云电子云
数量22111
联想属性数7771010
备注TY解释:将“电子云”视为绘制“电子云轮廓图”和“原子轨道”的工具,所以不在概念图中呈现。
图1表明,从CM1到CM4有效节点数、遗漏节点数、联想属性这3个变量都呈现出较大的变幅,在SCM1之后的概念图中它们的变化都较为平缓。为何出现前后截然不同的节点变化趋势?这里又映射出TY怎样的认知变化细节?
图1概念图节点特征变化
为此,查看了CM1、CM2、CM3,发现在这些概念图中新概念并没有全部体现在节点中,有的被遗漏,有的则以联想属性的形式出现——在CM1中,TY将“能层”、“能级”作为“核外电子”的联想属性,在CM2中将“电子云示意图”作为“能级”的联想属性,在CM3中将“电子排布式”、“轨道表示式”作为“能级”的联想属性。将新概念视作为已知概念的联想属性是TY采取的概念学习方式之一。新的命题的意义的出现,最典型的反映是新旧知识之间构成一种类属关系[3]。TY采取的这种学习方式在奥苏贝尔的意义学习理论中被称为类属学习或下位学习。这是一种较为省力的学习,在这种学习中TY只需将“能层”、“能级”作为“核外电子”运动的深化认识(相关类属),将“电子云示意图”作为“能级”特例(派生类属)来记忆。用已有概念包容新概念的过程是TY对新概念的初步加工。
在CM4的绘制中,主试参与TY作图过程,引导她将新概念从联想属性中解放出来,作为独立的概念呈现;在之后的概念图中,TY借助于硬币等实物搭建概念图,做图方式的转变进一步引导她完成对各概念独立性的认识。所以在CM4、SCM1中,有效节点数明显增加,联想属性相应降低。学习策略的转变(主试引导做图、实物搭建概念图)对概念学习具有促进作用。SCM1之后,TY的概念图中节点变化大大减少,此阶段TY学习的重心已经转移到对概念内涵、外延的精加工上。
4.2命题分析
从某种意义上说,概念图是以命题的形式表征概念间有意义关系的网络结构图[4]。对命题的剖析使得我们对概念图的分析更接近其本质。本研究中,对“命题”的界定遵循这样一个原则:在2个节点之间出现的(由箭头或牙签构成)的意义关系属于命题,不同位置联想属性之间的意义关系属于命题;节点与联想属性之间的意义关系不属于命题,相同位置的不同联想属性之间的关系不属于命题。
笔者对命题的分析首先是查找出某概念图中所有的命题并记录为“命题总数”;再找出其中的不当命题的数量并记录为“错误命题数”;将某一概念图与之前一次的概念图相比较,在相同节点之间所出现的新意义(新命题)记录为“创新命题”;将CM5终结版美工概念图作为标准概念图,结合每次学习内容在其中找出该次学习所对应的命题数称为该次学习所应达到的“标准命题数”。详见表3。
表3表明,在CM1至CM3中有效命题数增加较为缓慢,同时此期间错误命题数一路攀升,创新命题数鲜有变化。有效命题数第一次上升出现在CM4中,随后在SCM1中持续上升。学习方式的灵活多变是这2次学习的重要特征——在CM4中主试参与被试做图,引导TY尝试着将新概念作为独立成分容纳到其概念图中;SCM1中TY第一次尝试着用实物(大小不等的硬币和牙签)搭建概念图,这一充满趣味性的学习策略带来概念图中创新命题数第一次达到最高点。同时在这2次学习中被试概念图中的错误命题数都维持在零。
表3概念图命题特征情况
概念图CM1CM2CM3CM4SCM1SCM2SCM3SCM4CM5
标准命题数7918212222222222
命题数469101617182222
有效命题数456101616182222
错误命题数013001000
创新命题数002030230
有效命题数的第二次攀升出现在SCM3和SCM4中。这一阶段TY学习的重心是修正、深化对概念的认识。尽管这一阶段概念图中节点数变化不大,但对概念内涵、外延的思考带来TY对概念之间关系的再认识,进而带来这一阶段创新命题数一路升至第二个最高点。在SCM2中被试出现一处错误命题,但随着被试认识的深化这一错误很快便得到纠正,并且之后的概念图中错误命题数一直保持在零。
4.3层级分析
对概念图中层级的划分依据以下标准:从同一节点出发的不同箭头(或牙签)指向相同的下一层级;从同一层级出发的不同箭头(或牙签)指向相同的下一层级;相同位置联想属性归属于它们的附属节点所在的层级;相邻的不同位置联想属性之间构成一个层级差。概念图中的最大层级数为该概念图的层级数。统计情况见图2。图2概念图层级数变化
层级结构作为概念的展现方式,较大程度受制于使用者对概念图的呈现方式。在SCM3中便由于被试概念图呈现方式的变化引起层级数的略下降。排除这一主观因素,宏观来看,在TY的整个概念学习中,前期层级数增加显著,这部分由于随着学习的进行被试接触到的概念显著增多,部分源于被试对概念之间关系的逐渐领悟;后期层级数并没有停止变化而是缓慢增加,这表明对概念内涵、外延的思考有助于被试进一步理清概念之间的层级关系;反之,对概念层级关系的明晰也有助于被试从本质上认识各概念本身。
4.4组块分析
本研究中,组块分析是对被试做图过程中相关行为的分析。通过分析这些行为能推测被试概念学习(特别是概念表征)的一些情况。人们认为,在被试的认知结构中相关的概念被编码到一起,形成一个组块。本研究中,判断组块的具体标准为:TY做概念图的过程中,一口气书写出来的概念名词被认为归属于相同的组块;在书写过程中发生思考、停顿等间歇性(间隔时间参考2秒标准)行为时,就认为新组块出现。(在棋手组块的相关研究中,simon等人就指定2秒钟的时间间隔为不同组块出现的标准,后经实验证明这一标准是有心理现实的。)
在分辨出所有的组块之后,将TY终结版美工概念图中的组块作为标准组块并记为A、B、C、D。依据标准组块中所涉及到的概念,从之前的概念图中寻找出它们成长的轨迹,并分别记为a1、a2、……b1、b2、……c1、c2、……详见表4。TY概念图中具体组块的组成参见表5。表4组块变化情况
概念图前测CM1CM2CM3CM4SCM1SCM2SCM3SCM4CM5
组块分
布情况
a1,a2AAAAAAAAA
b1b1b1b1b2,b3b3,b4b2,b5BB
c1c2c1,c3CCCC
d1d2d3DD
表5具体组块组成
暂时采用组块及各组块内容标准组块及所含概念数中国编辑。
a1原子、原子核、核外电子A5
a2原子核、质子、中子
b1能层及其表示符号、能级及其表示符号
b2能层及其表示符号、主量子数,能级及其表示符号、角量子数
b34个量子数B7
b4能层、能级、原子轨道
b5磁量子数、原子轨道,自旋量子数
c1电子排布式、轨道表示式
c2Pauling不相容原理、Hund规则、能量最低原理C7
c3Pauling不相容原理、Hund规则、构造原理、全满半满、能量最低
d1能级、能级电子云图
d2电子排布式、轨道表示式、能量级电子云图D2(原子轨道、电子云轮廓图)
d3电子云轮廓图
表4表明,组块A的成长非常迅速。在前测中TY还不能流畅地再现这5个概念;但由于它们之间的关系简单,并且在TY的长时记忆中又多少储存有对它们的相关表征;所以TY在第一次学习后便将这5个概念重组成一个组块。借助于长时记忆进行的信息再编码不但可以实现组块扩容,而且降低了被试的认知负荷,有助于被试将注意力集中在新概念的学习上。
组块B的成长非常缓慢。经历了前后7次学习才形成的组块B共包括7个概念,并且它们之间关系错综复杂。在第一次学习中受学习内容限制,被试首次形成了组块b1,这一组块一直保持到SCM1的实物搭建概念图中才首次扩容形成组块b2;随后被试在概念构图过程中表现出多个b组块并存现象,直至SCM4中才再次将多个b组块整合而成标准组块B。从组块b1到b2到b3,我们不仅看到了组块的扩容而且看到其动态变化。从组块b4、b5我们发现,TY尝试着将“原子轨道”融入之前的组块中,但由于概念间关系交错复杂,直至SCM4中才为“原子轨道”找到了合适的位置,真正形成一个整体性、有意义的组块。
组块C是被试在学习中形成较快的一个组块,这与组块内部关系的层级分明有着重要关系。可见,概念数量不是影响组块化进程的唯一因素,组块内部关系的复杂程度同样重要,特别是在前者相同的情况下,后者的影响便成为组块化进程的决定性因素。
组块D是较为特殊的一个组块,其中只包含2个概念。节点分析表明“电子云轮廓图”一直以来都是TY概念图中的遗漏节点,直至SCM3中TY才尝试着将其摆放在“原子轨道”概念的旁边,但这一行为前后的时间间隔超过了2秒(5秒左右),所以我们没有将其视为一个组块。在最后的2次概念构图行为中,被试不但较为顺利地将这2个概念摆放在一起,而且给出了自己的解释,认为他们之间存在“含90%电子出现概率的电子云轮廓图称为原子轨道”,据此我们认为组块D形成。可见,随着TY对各概念内涵外延的熟悉、对概念图层级结构的明朗化,TY可以很快确定组块。
5研究结论
基于研究与分析,得到以下结论:
(1)概念学习初期,TY采用下位学习对新概念进行初步加工。将新概念视为已知概念的联想属性形成对它们的初步认识,学习初期TY采用的这一学习策略有效降低其认知负荷,但也使得TY对新概念的理解较为局限、较多地依附于长时记忆。
(2)非传统的学习策略能有效地促进概念转变。主试引导做图和实物搭建概念图,这些策略一方面提高TY的学习兴趣,一方面促使她抛弃之前绘制概念图时的定势、尝试着从概念本质上来制作概念图。
(3)组块研究告诉我们,影响组块化进程的首要因素是组块内诸概念之间的关系。随着概念转变的实现,TY对概念内涵、外延的思考不断深化,这些思考促进了她对概念之间关系的理解,进而实现组块化。
参考文献
[1]吴俊明,王祖浩.化学学习论.南宁:广西教育出版社,1996:174
[2]曾奇等.教育科学研究,2006,(4):3741
[3]皮连生.教育心理学.上海:上海教育出版社,2005:110
[4]希建华,赵国庆.开放教育研究,2006,(2):48
《普通高中生物课程标准（实验）》（以下简称为《标准》）在课程结构上发生了比较大的变化，其中包括设置了“稳态与环境”这个必修模块。对这种新颖的设计，有许多教师不理解，也有一些教师从科学性和合理性方面提出了质疑。本文就此谈一下个人的看法。
一、生物课程内容结构体系的建构
1959年，布鲁纳（Jerome S.Bruner）在《教育过程》中提出了他的结构主义课程的思想，他主张：“不论我们选教什么学科，务必使学生理解该学科的基本结构，学习结构就是学习事物是怎样相互关联的。”自此以后，课程内容要结构化，成为课程专家的普遍追求。
（一）生物课程内容体系改革的必要性
传统的高中生物课程以生命的基本特征来组织内容，这也是传统的普通生物学的学科结构。但是，我们现在必须考虑两个问题。一是现代课程论认为课程体系要反映学科体系，但不等同于学科体系。它除了考虑学科体系，还要考虑学生的认知发展和社会需求。生物学科的内容包括由事实、概念、原理和规律组成的理论体系，及其隐含的学科思想和方法。因此，生物课程的内容既可以根据知识理论体系建构，也可以根据学科思想和方法建构，两者各有其合理性。二是20世纪后半期发生的“生物学革命”，使生物学的“范式”发生了改变。库恩（T.S.Kuhn）在《科学革命的结构》一书中说：“科学革命以后，教科书和它们提出的历史传统必须重写。”例如，已故陈阅增先生主编的《普通生物学》，就打破了传统的普通生物学学科体系，根据当代生命科学从微观到宏观的发展，“按生命的主要结构层次，从低层到高层安排。”[1]
（二）构建生物课程内容结构体系的思路
课程内容结构体系构建的依据，是课程内容之间的逻辑关系和心理学方面的关系。逻辑关系指学科知识之间内在的联系，心理学方面的关系指按照编者所理解的学生认识发展，把课程内容加以组织的关系。对科学课程而言，一般的倾向是在高年级采取逻辑结构的体系，在低年级以心理学结构的体系为主。我国的课程向来关注知识体系，构建高中生物课程的思路，按我国的国情只能取前者。
按逻辑关系构建课程体系，又可以有不同的方法。例如，1.可以按形式逻辑的方法，将若干科学事实或概念作为逻辑起点，通过演绎推理构建一个公理化的体系。这种方法在物理、化学中用得较多，对生物课程，《标准》首次将概念列入了课程目标，《标准》中“遗传与进化”模块的内容，也主要以类似的方法构建；但由于生命系统的复杂性和生命现象的不确定性，以形式逻辑构建知识体系只能适用于生物科学的少数领域。2.进化论无疑是生命科学中最大的一个统一理论，研究生物进化的机制不仅要追溯漫长的生命历史，覆盖各种生物进化现象，并与生命起源承接，还要能对现今全部的生命现象给出说明。我国在20世纪50年代，曾在普通高中开设“达尔文主义基础”课程，希望以进化论为框架构建生物课程体系；但由于进化论远未成熟，结果使生物课程受哲学的支配而走上非科学的道路。3.当代生物学的发展，形成了系统生物学（Systems Biology）。对生命的本质，生物学界长期存在活力论和还原论之争。20世纪30年代后，科学界对生命的本质提出了新的认识，就是机体系统论。1952年，美籍奥地利生物学家、系统论创始人贝塔朗菲（L.V.Bartalanffy）出版了英文版的《生命问题──现代生物学思想评价》，提出了机体系统论的基本原理：整体原理（组织原理）、动态原理、自主原理。这些原理表明：生物有机体是一个独特的组织系统，其个别部分和个别事件受整体条件的制约，遵循系统规律；生命有机体结构产生于连续流动的过程，具有调整和适应能力；生命有机体是一个具有自主活动能力的系统。[2]1968年，贝塔朗菲又在此书的基础上，进一步写成《一般系统论──基础、发展、应用》，创立了系统论，生物学也由此发展出“系统生物学”。系统生物学的一个重要方面，就是利用系统概念、系统思想和系统方法来理解生物学知识，重新整合原有的生物科学知识体系。这已成为“生物学革命”的内容之一，国际上称为“利用系统方法进行生物学革命”。“稳态与环境”模块的知识结构就是以系统生物学的思想构建的。
二、“稳态与环境”模块的知识结构
（一）关于稳态、调节和环境
稳态的概念最初来自生理学。生理学把维持内环境理化性质相对恒定的状态叫做稳态。稳态是一种复杂的、由体内各种调节机制所维持的动态平衡，一方面是代谢过程使内环境理化性质的相对恒定遭到破坏，另一方面是通过调节使平衡恢复。整个机体的生命活动正是在稳态不断受到破坏而又同时得到恢复的过程中得以维持和进行。后来，稳态的概念逐步扩展，它不仅被用来说明内环境理化特性的动态平衡，而且人们发现细胞、群落和生态系统在没有受到激烈的外界环境因素影响时，也都处于类似的状态，都可以用稳态这个概念来说明它们相对稳定状态的维持和调节。
稳态调节的概念原来也来自个体水平的生理学，例如，哺乳动物体内的温度、渗透压、pH以及各种电解质和营养物的浓度都保持在一个稳定的范围内，这是在其自身神经体液系统调节下，随时进行反馈调节而实现的。生态系统虽然没有与此类似的调节机制，但也具有一定的抵御环境压力、保持平衡状态的能力。特别是成熟的生态系统，每年的能量收支大致相等，营养物质循环近于“封闭式”，流失极少，系统能相当长久地保持一定的外观和结构，这些都是稳态调节的结果。
（二）“稳态与环境”模块概念体系的建立
任何一门科学，都是一个相对完整的理论体系，都是一个知识系统。从一般形式上看，都是由科学事实、基本概念、特定方法、相应理论以及应用范例等构成的。以生命的基本特征为框架来整理和概括生物科学事实，虽然容易被理解，而且从科学发展过程来看，分门别类地划分和组织材料，确实是一切科学的一项必不可少的任务，但是科学事实本身和若干科学事实的简单堆砌毕竟还不等于科学。事实只有以系统的概括的形式表现出来，并且成为概念和规律的根据和验证时，才能够变成科学知识的组成部分。
以这样的观点来看《标准》中“稳态与环境”模块的内容，“3.1植物的激素调节”和“3.2动物生命活动的调节”两个单元，提供的是经过整理的科学事实，它们是建立科学理论的基础和前提。在后续单元中，“说明稳态的生理意义”和“阐明生态系统的稳定性”等知识点，提出了“稳态”的概念；“举例说明神经、体液调节在维持稳态中的作用”“概述人体免疫系统在维持稳态中的作用”“举例说出生态系统中的信息传递”等知识点，提出了“调节”和“环境”的概念。科学概念是由大量科学事实和经验材料经过理性加工和提炼而形成的，科学概念一旦获得，就会使人们的认识发生飞跃，使已有的知识系统化、理论化。然而，概念虽然重要，但仅有概念还不能形成科学理论，概念只是理论的逻辑起点。在稳态、调节和环境概念的后面，还有一个更核心的概念，就是“系统”。因为稳态是系统的状态，调节是系统的行为，环境是系统的存在。这样，“稳态与环境”模块就以“系统”这个本体论概念作为核心概念，以“稳态”“环境”和“调节”三个科学通用概念把生物个体水平和生态系统水平的要素、行为、稳定和发展等问题统一起来，并以“描述体温调节、水盐调节、血糖调节”“描述群落的结构特征”“阐明群落的演替”“讨论某一生态系统的结构”等作为这个理论体系的应用范例。
需要明确的是，这个概念体系是隐性而不是显性的，是运用系统生物学的思想建立的。教材如何编写，教学如何进行，则需按具体情况而定。
三、“稳态与环境”模块的科学方法
一个科学的理论体系，除了科学事实、基本概念、相应理论和应用范例，还有一个重要的方面是特定方法。“稳态与环境”模块的科学方法，主要是系统分析方法以及以模型和数学方法为主的逻辑方法。
（一）系统分析的思想和方法
《标准》在“稳态与环境”模块的前言中指出：“本模块选取有关生命活动的调节与稳态的知识、生物与环境的知识，有助于学生理解生命运动的本质，了解系统分析的思想和方法，提高对生命系统与环境关系的认识。”[3]这就明确提出了“系统分析的思想和方法”。现代生物学的分析性研究已深入到分子、量子水平，但为了揭示生命运动的奥秘，还必须从生命系统的各个组成部分的联系和相互作用中，从它们和外界环境的相互联系和相互作用中来了解整体，这就需要进行系统分析。系统分析能力是一种非常重要的综合实践能力。例如，植树造林是中央的号召，但西北一些地区年降水量很小，蒸发量很大，其地下水主要靠地表下的渗透作用（如熔化的雪水）。在这些地区植树，地下水会因树木的蒸腾作用而过量散失，导致水位下降甚至枯竭。于是近年来中央指示这样的地区要多种草。然而，在我国的中、东部地区，却出现了砍树种草的热潮。殊不知在高温多雨地区，树的生态效益要远远超过草。结果，一些城市政府部门又不得不规定绿化至少要有多少比例的乔木和灌木。导致这些失误的原因就在于缺乏系统分析的思想。
转贴于 现代系统分析包括定性分析和定量分析，定量分析是基于数学工具进行的，高中生物学教育一般只能做定性分析。如同美国《国家科学教育标准》所要求的“学会从系统的角度思考和分析问题”，具体说，就是运用系统的概念和系统分析的思想，一方面对生命系统的要素、结构、边界、环境、性能等系统的基本特征做分析，另一方面对系统的状态及其调控做分析。以生态系统为例，其要素指组成成分，即生产者、消费者、分解者等生物成分和非生物的物质和能量；结构包括时空结构和营养结构（食物链和食物网）；边界指系统的范围，生态系统是模糊集合，其边界是一个模糊概念，根据研究的需要划定；环境指一个生态系统的外部环境条件，系统与环境之间具有物质、能量和信息的交流，两者相互联系、相互影响，并共同组成一个更大的系统；性能指系统整体的特性和功能，系统的整体特性表现为该系统与其他系统的区别，系统的功能则反映了系统与外部环境相互作用的程度，或系统获取输入、予以变换而产生输出的能力。以上这些方面构成了一个生态系统的基本特征。至于系统的状态，生态系统都是开放系统，系统的稳态就是生态平衡状态。每个生态系统都具有一定的自动调节能力，在不断变化的环境条件下，依靠自我调节机制维持其稳态，实现物质循环和能量流动的相对稳定。生态系统状态的另一个重要指标是它的生产量，包括输入、输出、净生产量和效率。类似的分析在个体水平和群体水平均可进行。“稳态与环境”模块中的“描述群落的结构特征”“讨论某一生态系统的结构”“阐明群落的演替”“分析生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及其应用”“阐明生态系统的稳定性”“探讨人口增长对生态环境的影响”“关注全球性环境问题”等知识点，以及“利用计算机辅助教学软件模拟人体某方面稳态的维持”“调查当地自然群落中若干种生物的生态位”“调查或探讨一个农业生态系统中的能量流动”“调查当地生态环境中的主要问题，提出保护建议或行动计划”等活动建议，都需要渗透和利用系统分析的思想和方法进行教学。
（二）数学和模型方法的运用
20世纪30年代，贝塔朗菲在提出机体系统论概念的同时，主张用数学和模型方法研究生命现象。
1.模型方法
《标准》依据国际科学教育的发展，将模型和模型方法列入了课程目标。所谓“模型”，是指模拟原型（所要研究的系统的结构形态或运动形态）的形式。它不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本质特征。[4]模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种特有形式。模型一般可分为物理模型和数学模型两大类，通常说的模型即指物理模型。物理模型可以模拟客观事物的某些功能和性质，它包括物质模型和思想模型两类。在高中生物课程中经常使用的物质模型有实物模型如生物体结构的模式标本，模拟模型如细胞结构模型、各种组织器官的立体结构模型等。思想模型是物质模型在思维中的引申，根据构建模型的思想方法的不同，又可以分为两类。一类是以形象化方法（或称为意象思维方法）构建的具象模型，它是人们在思维中通过对生物原型的简化和纯化而构思出来的。具象模型具有一定的形态结构特征，如DNA分子双螺旋结构模型、生物膜液态镶嵌模型等。它能使研究对象直观化，既可以促进研究，又可以简略描述研究成果，使之便于理解和传播。另一类是以理想化方法（或称抽象思维方法）构建的模型，是人们抽象出生物原型某些方面的本质属性而构思出来的，例如呼吸作用过程图解、光合作用过程图解等过程理想模型，食物链和食物网等系统理想模型。这类模型使研究对象简化，在科学研究中用于计算推导，引申观察和实验的结论等方面。
在现代生物科学研究中，模型方法被广泛运用，DNA双螺旋结构模型的成功就是一个范例。在生物科学学习中，模型提供观念和印象。认知心理学认为，人的知识经验既包括概念系统，又包括表象。前者有概念、原理、规律、理论，后者的成分包含观念和印象。当代不少学者都主张把表象看做一种符号要素，与语言等其他符号要素一样具有抽象、概括、组合和再组合的功能，因而能构成思维的操作。所以模型提供的观念和印象，不仅是学生进一步获取系统知识的条件，而且是学生认知结构的重要组成部分。正因为如此，美国《国家科学教育标准》把模型和科学事实、概念、原理、理论并列为科学主题的重点，并将构建、修改、分析、评价模型作为高中学生的基本科学探究能力。
“稳态与环境”模块中有两个活动建议：“探究水族箱（或鱼缸）中群落的演替”和“设计并制作生态瓶”，都是运用模型的探究。例如，“设计并制作生态瓶”制作的是一个活体实物模型，运用这个模型进行的是对生态系统运行的模拟实验。在科学研究中，有时受客观条件的限制，不能对某些自然现象进行直接实验，这时就要人为地创造一定的条件和因素，在模拟的条件下进行实验。利用活体实物模型进行的模拟实验，在生命科学研究中被广泛应用，但具有一定的复杂性。因为变量较多，而且变量之间的关系，除因果决定性因素，还存在许多非因果决定性的因素，所以需要做系统分析。就本案例来说，一方面需要对生态瓶的组成成分、结构、环境、性能等做分析，另一方面需要对系统的能量转换和物质流动状态及其调控做分析。这对学生深入理解生态系统的结构、生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及其应用、生态系统中的信息传递、生态系统的稳定性等，无疑具有重要的教育价值。但也正因为生命系统的复杂，所以活体生物模型与实际事物相比，存在较大差异。这是需要讲清楚的。
2.数学方法
数学方法指运用数学语言表述事物的状态、关系和过程，并加以推导、演算和分析，以形成对问题的解释、判断和预测的方法。目前，数学在生物学、医学等领域正起着越来越重要的作用，甚至医生做手术之前都可以先进行数学模拟以预知各种方案可能出现的后果，再依据个人的经验来选择手术方案。数学方法在科学教育中的价值更是不言而喻，《标准》对数学方法的使用，包括以下4个方面。
（1）定义概念。概念有具体概念和抽象概念之分，具体概念指能通过直接观察获得的概念，即实物概念，例如细胞、组织等结构概念，呼吸、遗传等生理活动概念；抽象概念不能通过观察习得，只能通过下定义才能习得，例如呼吸作用、新陈代谢等概念。在抽象概念中，有一类是用数学式来定义的。这类定量的概念以数学方法揭示事物的本质及其发展变化规律，为研究工作提供一种简明精确的形式语言，具有重要的科学认识论价值和方法论价值。“稳态与环境”模块没有明确要求用数学式定义概念，但“列举种群的特征”这个知识点，如果涉及种群密度，年龄结构和性别结构，出生率和死亡率等，那就是用数学式定义的概念。
（2）对生命现象的空间关系和数量关系进行描述、分析和计算。例如，以条形图、曲线图、统计图等来表现某一生命现象的统计数字大小及其变化，这在生物课程中已广泛应用。
（3）统计方法的运用。统计是研究随机现象的统计规律性的方法。统计性规律在生物界广泛存在，主要包括两类。一类是大数过程的规律性，即大量随机事件所组成的系统的规律性，如遗传性状传递过程中的规律。这类问题可用描述统计方法解决。另一类是某些生命系统行为的规律性，例如，生态系统中某种群数量的变化及其生灭过程、生物个体生态寿命的预期分析等，它们是不同条件下生命系统某种行为潜在可能性的数量估计，而不是实际存在的状况。这类问题可用选取统计方法解决。描述统计方法和选取统计方法，《标准》都已引入。描述统计方法主要是对观察、实验的原始材料进行整理、分类、分析等统计加工，得到统计事实。孟德尔正是使用描述统计方法对豌豆杂交实验结果进行定量观察和数据分析，才发现了遗传性状的分离现象和自由组合现象。选取统计方法又称统计推理，是从样本到总体的推理。例如，对种群数量、密度的研究，要完全获得某自然种群总体的状态、特性和变化规律的信息是困难的，甚至是不可能的，实际上也无必要，所以往往根据由样本（样方）所获得的统计事实来推断总体。“稳态与环境”模块中有两个活动建议：“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”和“土壤中动物类群丰富度的研究”。前者是用描述统计方法表达大数过程的规律性，后者是用选取统计方法进行从样本到总体的推理。
（4）用数学模型来表现生物学现象、特征和状况。生物数学模型有两类：一类为确定性模型，它用数学方法描述和研究必然性现象，例如某生物个体的生长曲线、细胞分裂过程中DNA数量变化曲线等；另一类为随机模型，它用概率论和统计方法描述和研究随机现象。例如，种群基因频率的变化没有确定性，有多种可能的结果，究竟出现什么结果是偶然的、随机的，但当种群由大量个体组成，并能随机交配繁殖传代时，基因频率和基因型频率的变化又表现出统计规律性。1908年，哈迪和温伯格用遗传平衡定律（Hardy.Weinberg定律）对此进行了描述，这个随机性的数学模型为种群遗传学研究奠定了基础。对数学模型，“稳态与环境”模块中安排了一个要求：“尝试建立数学模型解释种群的数量变动”。
根据以上对“稳态与环境”模块知识结构和科学方法的分析，其科学性和合理性应该是没有问题的。当然，随之而来的教材编写和教学实施的问题，仍需要我们认真研究。
参考文献
［1］陈阅增，等.普通生物学──生命科学通论［M］.北京：高等教育出版社，1997.8.
（一）有助于知识的记忆和理解，有利于知识的加工和组织
思维导图非常简洁，在关键词之间留出了大量空隙，学习者易于在关键词之间展开丰富的联想，在潜移默化中锻炼了记忆能力。思维导图将关键词与图像联系起来，运用知识的多种表达方式，将抽象的思维过程可视化、直观化、网络化，有利于大脑的记忆，有助于知识的加工和组织。思维导图在关键词之间建立联系，使关键词更加显眼，做到了重点突出，使重要的内容不至于埋没于大量的不重要的词汇之中，学习者可以集中精力于真正重要的问题。另外，思维导图是一种自然的思维方式，能建立新旧知识之间的联系，有助于新旧知识的整合。而一旦导图绘制完成，以后再复习时就可节省大量的时间，从而提高学习的效率。
（二）有助于养成系统的学习和思维习惯
思维导图是一种放射性思维方式，长期使用有助于养成系统的学习和思维习惯。
（三）有助于培养学习者合作交流的习惯
思维导图提供了一种合作交流的工具，学习者将自己的想法用图画的形式表达出来，与他人交流、讨论。另外，学习者之间可以合作绘图，培养合作精神。
（四）有助于创造力的培养
思维导图的放射性有助于在并列在图中的关键词之间产生灵活的联想，有助于创造力的培养。
（五）有助于学习者的主体参与程度
学习者在绘制思维导图的过程中，需要收集并阅读大量资料，概括出主题关键词，然后展开丰富联想。学习者不再是被动地接受知识，而是积极主动地建构所学知识。
中学数学基础知识是指“标准”中规定的代数、几何、微积分、概率与统计等的概念、定理、公式、法则、性质以及由内容所反映的数学思想和方法。其中，概念、定理、公式、法则、性质是陈述性知识，数学思想和方法属于程序性知识，数学基础知识与数学基本技能就是传统所讲的“数学双基”。本文重在探讨利用思维导图对数学基础知识的复习整理，对于数学基本技能的复习不做探讨。
利用思维导图指导学生数学基础知识的复习整理，应以教材知识的拓展加深、按知识的内在联系构建科学的知识网络体系、优化数学认知结构为目的。在具体复习整理时，还应引导学生思考知识的发生、发展过程；数学概念、公式、定理的归纳、概括和证明过程；值得研究的问题以及解决问题的方法的孕育、尝试和形成过程。复习整理时既要从整体上表现概念系中各个组成部分的关系，突出重点和关键部分，也要从细节上把握局部知识。
二、以概念、命题为例说明如何利用思维导图进行整理复习
（一）利用思维导图指导学生对概念进行整理复习
数学概念是反映一类对象本质属性的思维形式，主要由原始概念和基本概念组成，是数学知识的最基本形式。要深入理解一个数学概念，可以从以下几个方面去认识。
1.概念的相关背景，即知识的发生发展过程、来龙去脉。只有这样，学生对学到的数学知识才不会感到突兀，不是无中生有的，它是源于各种需要的。
2.举出概念的典型正反例证、概念的特例、概念的变式。以此区分容易混淆的概念，把握概念的内涵的各个方面，识别概念外延的不同表现形式，在应用概念时才不会张冠李戴。
3.把握概念的各种表征形式（代数表征、几何表征等）、概念的等价定义，形成概念域，掌握其本质。这样学生就能够在概念的不同表征形式之间灵活转换，提高知识的迁移识别能力。
4.思考“上位”的概念是什么，“下位”的概念是什么，与以前学过的哪些概念有内在联系，与之相似的概念要进行对比辨析，以形成具有内存联系的、清晰可变的概念体系。例如，方程与函数、不等式的区别与联系，方程的曲线与函数图象的关系等。
5.思考此概念常与哪些概念构成哪些命题，其中的关系怎样，能解决什么问题，具体步骤是什么等。
6.概念本身蕴含的数学思想方法是什么，这些思想方法在解决问题时有什么指导作用。
7.概念的类比是什么。常见的有二维到多维的推广，如平面上的概念推广到空间中；加法运算与乘法运算的类比；等比数列与等差数列的类比等。这样就拓宽了概念的体系，加强了对概念本质的理解。
8.概念的应用。概念的应用分为概念在知觉水平上的应用和概念在思维水平上的应用。应通过设置不同层次、不同思维水平的题目巩固概念。设置一些简单题目考查对概念的识别，设置一些综合性题目考查概念在思维水平上的应用。一些典型的例题要找出来，还要注意概念在实际生活中的应用。
这样就从不同角度、不同层面上认识了概念，形成了一个概念系统。在应用概念解决问题时，就容易展开联想，形成解题思路。
（二）利用思维导图指导学生对命题进行整理复习
命题包括公理、定理、公式、法则等。数学命题是由数学概念组合而成的，反映了数学概念之间的关系。要理解一个命题，应从以下几个方面入手。
1.命题的起源或背景是什么，命题是为了研究什么问题产生的。
2.命题的证明方法是什么，方法是如何想到的，其中蕴含着什么数学思想。
3.构成命题的概念是什么。每个概念的含义都要弄清楚，还要明辨这些概念之间是什么关系。
4.命题的表征。代数表征是什么，几何表征是什么。命题的变式有哪些，命题的推论，命题的特例或推广是什么。
5.命题的应用，即该命题能解决什么样的问题。可以想还有哪些命题也能解决这种问题，这些命题与该命题有什么区别、联系。还有，命题应用的范围或条件是什么。
2注意数学命题的转换命题转换
简单地说就是把一个命题转换为另一个命题．命题转换本质上就是变换问题，通过改变问题的叙述和形式，改变观察和分析问题的角度，使问题呈现出新的面貌，引发新的思考和联想，从而使问题获得解答．命题转换是数学命题理解的一种重要方法，对数学命题的学习具有非常重要的意义．命题转换不仅可以深化对原有命题的理解，优化学习者的认知结构，而且有利于学生创造性思维能力的培养以及良好数学素养的形成．在概率统计的教学中，有时需要将严谨的数学语言转换成通俗语言．如在讲授参数估计中点估计问题时，教材是这样描述的：所谓点估计问题就是要构造一个适当的统计量12ˆ,,,nXXX，用它的观测值12ˆ,,,nxxx来估计未知参数．通过提问发现，学生对点估计并不十分理解，但看了例题后不用知道这个概念也会做相关习题．其实完全可以将点估计概念换一种方式叙述，即所谓点估计就是通过构造样本函数的方法将未知参数的值估计出来．这样一来，学生对点估计理解就会很容易了．由于形象记忆比抽象记忆更容易被学生接受，因此，在授课过程中有时也需要将代数语言与几何语言做转换．如在讲授连续型随机变量的概率密度函数的性质时，概率密度函数有2个基本的性质：转换成几何语言就是：概率密度函数f(x)几何上表示一条位于x轴上方的曲线并且此曲线与x轴之间所围图形的面积是1．如果学生能记住这样一个几何印象，那么对于概率密度函数的性质就会牢记于心了．另外，在概率统计课程的教学中有时也需要注意数学命题的逻辑转换．如在讲授随机变量的数学期望的性质时，有命题：如果2个随机变量X和Y相互独立，由于原命题与逆否命题是等价的，因此，则一定可以推出随机变量X和Y不独立．数值反映了随机变量X和Y之间的某种关系，这就是后面要学习的协方差概念．
3注重对概念的正确理解
数学学习的关键是理解，概率统计的学习也不例外．理解与记忆是相互渗透、相互促进的．就一本教材而言，它的内容无非主要是概念、性质以及例题和习题等．其中，对概念的正确理解是第一步的，是理解性质、例题和习题的基础，如果对概念能正确理解，那么对性质、例题、习题的理解也会融会贯通．相反，如果学生从一开始就通过死记硬背的方式把概念记下来，那么学生就只能从头背到尾，无法深入地理解和掌握所学的知识．所以，正确地理解数学概念是非常重要的．如在讲授随机变量的数字特征方差时，随机变量X的方差D(X)定义为：随机变量X的期望E(X)表示随机变量X的平均取值，这样2(XE(X))的大小可以表示随机变量X的取值与其平均取值的偏离程度，再取期望后偏离程度就变成平均偏离程度了，因此随机变量X的方差2D(X)E(XE(X))表示随机变量X的取值与其平均取值的平均偏离程度．在讲授点估计量的评价标准时，课本对有效性的定义为：设1ˆ和2ˆ都是参数的无偏估计量，则称1ˆ较2ˆ有效．在讲完有效性定义后，可以向学生提出问题：为什么称一个方差小的无偏估计量比方差大的无偏估计量更有效．这时有的学生就会觉得这个问题有些奇怪，因为他们觉得这就是一个定义没有为什么．在他们看来定义就是一个一成不变的东西，其实不然，作为教师应该向学生阐明定义总是有根据的，既然称1ˆ较2ˆ有效，就一定有其缘由的．方差刻画的是随机变量取值偏离其平均取值的平均偏离程度．由于1ˆ和2ˆ都是参数的无偏估计量，故1ˆ和2ˆ的平均取值都是参数的真值，所以方差小意味着其与参数的真值偏离来得小，从而方差小的无偏估计量更有效．通过这样的解释，学生对这个定义的理解就相当透彻，也无需刻意对这个定义进行记忆．
1.2演示案例材料，创设问题情境利用案例材料创设学习情境，围绕即将学习的重要概念，教师提出一个或几个值得探讨和思考的指向重要概念的问题，，经师生分析讨论后引出并建构概念。例如，学生对于拓展型课程“酶工程”中“固定化酶”概念是陌生的。教学中笔者先演示呈现了运用固定化酶技术生产高果糖浆的案例材料，在学生已有一些酶的应用知识基础之上，引导学生分析讨论3个问题：如何降低生产成本？如何减少葡萄糖异构酶使用量？如何解决葡萄糖异构酶的回收问题？当学生提出能否将酶固定在某种介质上重复使用时，笔者引出固定化酶概念，学生在理解的基础上自然接受了。呈现的案例材料可以来源于学生的日常生活、社会生活和生产、科学进展或新闻报道等各个方面，事例要鲜明突出，最好能吸引学生的注意，引发学生的思考，并与要建构的重要概念联系起来；情景中教师应设置值得学生讨论的问题，从而激发学生主动建构概念的积极性。
2有效揭示内涵外延，强化学生对概念的理解
概念内涵是指反映概念所指对象的本质属性的总和；而外延是指概念所反映的对象的全部范围。透析概念内涵就是要明确概念的本质属性，明确概念外延就是要清楚概念的适用范围，这也是最终掌握和应用概念的前提。所以在建构概念之后，教师要设法有效揭示内涵外延，强化学生对概念的理解，同时促进学生思维品质和学习能力的提升。
2.1设计问题串，分析概念要素概念是对事物本质属性的反映，阐明一个概念就要揭示出反映事物本质属性的概念要素。教学时教师通过一定的事实资料和问题，引导学生分析概念要素。这样学生不仅可以对最初的概念重新定义，直到该概念涵盖更多的属性，从而使之更为精确，在此基础上也有效理解了概念的内涵。例如，在“抗体”概念教学时，笔者通过设置与概念要素相关的问题串组织教学，既增进了学生学习概念的兴趣，促使他们体验概念形成的过程，又帮助学生深刻理解了概念，具体教学过程见表1。教师围绕概念的本质属性，精心设计不断递进的问题串，引导学生的思维不断走向深入，更好地实现了对概念内涵的理解。在设置问题串时，要把握问题串的核心———概念要素展开，形散而神不散，同时合理选取和加工创设问题的素材。
2.2利用对比辨析，突出关键特征辨析的目的是掌握同类事物的共同属性和相关概念间的联系和区别，可以避免类似概念的干扰。此对一些相近或关系密切的概念，教师可引导学生对比它们的关键特征，经过同中求异和异中求同的辨析，使学生明确这些概念的异同点，从而能将它们科学有效地区分，使概念的内涵外延更清晰。例如，在“染色体畸变”一节中“单倍体”概念是从成因来定义的，并且极为抽象，易与一倍体、二倍体、多倍体相混淆。因此，教学中教师首先通过介绍单倍体生物雄蜂的形成过程，使学生领悟单倍体的实质是由配子直接发育成的个体；接着从单倍体的具体实例入手，通过引导学生对比三个物种体细胞和配子中的染色体数与单倍体体细胞中染色体数的关系，进而准确建立单倍体概念；然后讨论辨析“体细胞含3个染色体组的香蕉与六倍体小麦花药离体培养出来的含3个染色体组的小麦植株能否都称为三倍体”，进一步明确了单倍体的适用范围；最后再利用表2进行比较，突出了单倍体在个体发育起点和体细胞中染色体数目等方面的关键特征，有效揭示了其内涵外延，强化了学生的理解。
2.3辨别多种例证，界定概念外延重要概念的形成需要例证的支持，而学生对各种例证的辨别则可使他们更准确地掌握概念。概念的例证包括正例、反例和特例三个方面。概念的正例是指代表某概念所有本质属性的具体事物或对象，所有正例组成的集合就是该概念的外延。概念的反例指的是不具有该概念本质属性的具体事物或对象，即不在这一概念的外延之中。概念的特例是指属于该概念的外延之中，但它不具有或不完全具有该概念所反映的本质属性。在概念教学中，教师可有意识呈现一些重要概念的各种例证，让学生来考察辨别从而界定概念的外延。例如，遗传学中“基因重组”的概念是这样描述的：生物体在有性生殖过程中，控制不同性状的基因之间的重新组合，结果使后代中出现不同于亲本性状的类型。教学中在基本建立起这一概念后，笔者呈现了4个例证让学生考察辨别是否属于基因重组：①“一母生九子，九子各不同”的主要原因（正例—加深对概念内涵中“有性生殖”、“基因重新组合”“、性状不同于亲本”的理解）。②百年前首次发现的禽流感现已产生H5N1、H7N7、H9N2和最新的H7N9等多种类型的原因（反例—病毒繁殖不通过有性生殖，也即无基因重组）。③图1中甲和乙表示发生在常染色体上的变异。判断甲和乙所表示的变异类型（正例—甲表示同源染色体间片段交换，属于基因重组；反例—乙表示非同源染色体间片段移接，属于染色体易位）。④转入细菌抗虫基因的抗虫棉花（特例：转基因并不通过有性生殖来实现，但在分子水平实现了不同生物的基因重组，并获得新的遗传性状）。在辨别例证的过程中，正例强化了概念内涵的理解，反例明晰了概念外延的界定，特例则丰富了概念外延的拓展。
3有效设置反馈练习，注重学生对概念的应用
学生在形成新概念后，不能只停留在记忆、理解水平上，而要学会应用，即利用概念去尝试解决问题或解释新现象。注重生命科学概念的实际应用，不只是将抽象的科学概念具体化，丰富和深化概念，更重要得是促进学生思维能力和积极情感态度的发展。
3.1运用变式训练，增强思维的效能从记忆、理解概念向概念应用转化的最重要教学条件是在相似的情境和不同的情境中练习，即变式训练。变式训练的实质是把握住概念的本质属性不变，而适当变化概念的非本质属性，如情境、条件性知识等，也就是概念的正例变化，使学生从不同的角度和方法去理解概念，增强思维的效能，提高学生应用概念的自主性和灵活性。例如“，染色体组”是染色体数目变异中一个重要的核心概念，对此概念的一个重要应用就是能准确判断某生物体细胞中染色体组的数目，理解生物染色体的倍性。教学中笔者从4个方面设计变式训练来帮助学生如何应用“染色体组”概念作出判断。（1）根据同源染色体中染色体数判断。变式1：判断细胞中染色体组数及每个染色体组中染色体数目（图2）。（2）根据基因型判断。变式2：图3所示为4个基因型不同的生物体细胞，请判断细胞中染色体组数目。（3）根据染色体数目和染色体形态数判断变式3：韭菜的体细胞中有32个染色体，共有8种形态。韭菜应是倍体。（4）根据配子或单倍体的染色体组数来推算。变式4：用花药离体培养出的单倍体水稻植株，当它进行减数分裂时，观察到染色体能两两配对联会。据此现象可推知产生花药的水稻体细胞含有染色体组数是个。
3.2联系生活实例，升华生命的体验生命科学教育中的情感态度有丰富的内涵：情感更强调学习过程中的内心体验；态度更关注一种积极的生活态度。生命科学教育中热爱生命、珍惜生命方面的教育价值也是其他学科课程所不可替代的。因此，在某些生命科学概念形成后，教师要拓展应用到真情实感的课外生活中去，使学生对生命的情感、态度体验得以升华。例如，在“突触传递”这一重要概念形成后，笔者联系生活实际设计了如下反馈练习：反馈练习的设计注重突触传递概念形成的有效性和开放性，让学生体验到“突触传递知识”在关注健康、珍惜生命等现实生活问题上的价值，这是生命科学概念在更高层次上的应用。
4有效整合相关概念，引导学生对概念的迁移
马克思主义群众概念非常注重“改造世界”。马克思强调群众要在“认识世界”基础上深刻地掌握理论的武器。他在《<黑格尔法哲学批判>导言》中指出:“理论只要彻底”，就可以“说服人”，就可以“掌握群众”，而“理论一经掌握群众”，就会“变成物质力量”。马克思将理论与实践高度统一，对群众概念进行了补充和完善，表明了马克思主义群众概念具有强大的内在实践逻辑性。马克思在领导工人农民为了自身物质利益斗争的过程中，其思想和立场也发生了巨大转变，成功转成为革命民主主义，为其群众概念的实践性发现了人数最多的同盟军，马克思主义群众概念的生成正是建立在对现实物质世界的关注上。由于马克思长期和底层群众深入交往，因此，马克思刚开始是“同情”劳苦大众，再到对他们具有“无法割舍的情感”，因而他的阶级立场也发生了巨大的改变。他提出，正是因为社会中不同人群占有“物质利益”的不同，社会发生分化，简单化为贫富两个阶级，而对物质利益的追求，是决定人们最深层次思想和行动的本质动机和动力。
(二)马克思主义群众概念的人民性
人民性是马克思主义群众概念产生的哲学理论源泉，正是因为马克思观察到了，“历史活动是群众的事业，随着历史活动的深入，必将是群众队伍的扩大”，他才提出人民群众历史主体论的唯物史观，“马克思主义从人民群众是历史的创造者的唯物史观出发，合乎逻辑地认定工人阶级和广大人民群众是社会的主体”，批判并抛弃了把“绝对精神、“自然人”、“自我意识”和“唯一者”作为世界主体的哲学思想。所以，马克思主义群众概念立足于人民群众历史主体论的立场，表现出鲜明的人民性，坚持人民群众在历史发展中处于关键性的主体地位，强调了人民群众必须是社会发展的决定性力量。在马克思主义群众概念的人民性上看来，人民群众才是历史的创造者，是社会历史发展的决定性力量。当然，马克思主义群众概念关心的主体，不是抽象的、先验的，而是“现实的个人”。这样的主体具有“社会性”的内在本质规定性，而这种本质规定性的建构基础就是社会生产关系和历史发展的社会实践。因此，马克思主义群众概念最终要将实践主体指向一种总体性主体的承担者，就是先进生产力的代表一无产阶级。他提出，“其余的阶级都随着大工业的发展而日趋没落和灭亡，无产阶级却是大工业本身的产物”。可以看出，马克思主义群众概念在其客观性上表现为一种社会关系和社会形态，主观性上表现为人对于历史发展的主体地位，在基础上，马克思主义确立了群众概念的人民性。
1.核心概念的界定
既然进行生物学核心概念教学具有多重教育意义,那么,什么是核心概念,目前对于这一问题尚未有统一的认识。美国课程专家埃里克森(Erickson)认为,核心概念是指居于学科中心,具有超越课堂之外的持久价值和迁移价值的关键性概念、原理或方法。这些核心概念具有广阔的解释空间,源于学科中的各种概念、理论、原理和解释体系,为学科领域的发展提供了深入的视角,还为学科之间提供了联系[2]。戴伊(Day)指出,核心概念是某个知识领域的中心,虽然不是所有人都接受了这些知识,但它们却获得了广泛的应用,而且这些知识还能经得起时间的检验。费德恩(Feden)等人则认为,核心概念是一种教师希望学生理解并能在忘记其非本质信息或周边信息之后,仍然能应用的概念性知识,并且强调核心概念必须清楚地呈现给学生[3]。
生物学核心概念处于学科中心位置,包括对生命基本现象、规律、理论等的理解和解释,对学生学习生物学及相关科学具有重要的支撑作用。它是人们对某一类生物学问题本质特征的概括。例如“细胞是由物质分子组成的,不同的物质承担着不同的功能”,就是在分析了组成细胞的不同物质分子后,概括出来的本质认识。而蛋白质之所以称为“生命活动的主要承担者”,又是在分析了蛋白质分子结构多样性原因和逐渐了解生命活动无时无刻不与蛋白质相关,以及和其他组成物质相比较后抽象和概括出来的核心概念。
需要说明的是,对“蛋白质是生命活动的主要承担者”这一核心概念的理解,并不是一成不变的。它在本节内容中属于核心概念,而从整个单元来看却不是核心概念。因此,对某一核心概念的界定,会因不同的学段、不同的学习范围而发生变化。
2.核心概念的特征
当直接甄别和界定核心概念有困难时,我们不妨换个角度思考:核心概念有什么特征,我所确定的核心概念具备这些特征吗?
核心概念是在一般概念的基础上提炼出来的,因此它可以统摄一般概念,能够揭示学科知识的本质和学科知识之间的联系,具有统整学科知识的功能。因此,生物学核心概念应该具有以下特征。
第一,居于学科知识的中心。蛋白质分子不仅参与构建了细胞这座生命大厦,而且在细胞代谢、分裂、分化、癌变、凋亡、遗传、细胞间的信息交流等各项生命活动中扮演着重要角色。可以说,“蛋白质是生命活动的主要承担者”这一核心概念贯穿了三个必修模块。
第二,是形成新知识的“生长点”。学生一旦建立起“蛋白质是生命活动的主要承担者”的概念,就容易形成科学地分析问题和解决问题的思路及方法。例如,细胞分化过程中,细胞的形态、结构、功能之所以发生了稳定性差异,是因为分化细胞中产生了组织特异性蛋白质。
第三,具有思维训练价值。组成蛋白质的氨基酸序列具有多样性,使得蛋白质的空间结构变化多端;而蛋白质只有维持特定的空间结构才能行使特定的生物学功能。因此,空间结构的多样性赋予了蛋白质多种多样的生物学功能,足以承担起丰富多彩的生命活动。可见,生物学核心概念是在许多一般概念的基础上加以分析、综合、抽象、概括出来的,它的形成过程需要综合的思维能力。
二、建构生物学核心概念的策略与程序
1.建构核心概念的策略
与“蛋白质是生命活动的主要承担者”有关的一般概念和事实见图1。
(1)事实和感性认识是建构概念的基础
“应为学生的学习设计怎样的学习路径?”“哪些生活经验有助于学生理解和建构核心概念?”笔者在研读《标准》和教材的基础上,找寻学生“最近发展区”,决定采取以“肽键”为线索、以实验为先导,围绕“肽键”认识蛋白质多样的结构与功能相适应的教学策略,尝试对“组成细胞的分子”这类比较枯燥乏味的内容进行探究式教学,帮助学生在相关生物学事实和一般概念的基础上,构建相应的核心概念。
新课伊始,用什么样的导言既能贴近学生生活又能直切主题?思前想后,笔者决定以问题“早晨大家都吃了什么?”(鸡蛋、面包、牛奶)“为什么要吃鸡蛋、喝牛奶?”(含蛋白质多)“怎么能证明鸡蛋和牛奶中含有蛋白质呢?”导入新课,然后,逐一在装有等量清水、蛋清、牛奶、豆浆和淀粉液的试管中滴加3滴双缩脲试剂,当试管中液体变色后,又问学生“哪个液体含有蛋白质?”学生脱口而出“蛋清、牛奶和豆浆”。学生的答案虽然正确,但是细致分析,它并不是通过实验结果得出的,而是凭借先入为主的生活经验(前概念)判断出来的。教师不能被这种假象所蒙蔽,于是追问“怎么知道蛋清、牛奶、豆浆中还有蛋白质?”(试管中的颜色发生了变化)“清水和淀粉液与双缩脲试剂结合后也有颜色变化呀!”(学生无语……)
教师利用“蛋白粉溶液+双缩脲试剂产生紫色反应”为“标准”,解释双缩脲试剂能识别蛋白质结构中的“肽键”,并形成紫色化合物(络合物)。用这支试管的颜色与其他各试管的颜色比较,说明蛋清、牛奶和豆浆中含有蛋白质。随后,紧紧围绕“什么是‘肽键’?
;“‘肽键’在哪儿?”“肽键’和蛋白质是什么关系?”开展后续的教学。
上述教学处理,既能很好地利用感性和直观材料,帮助学生在事实的基础上建构新概念,又能体现生物学科作为理科的教学特色。
(2)充分的学习体验有助于构建相应的概念
生物课程期待着学生主动参与学习过程,在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识,养成理性思维的习惯,形成积极的科学态度,发展终身学习的能力。在传统教学中,教师往往忽略学生的学习体验过程,“一言堂”比比皆是,且过于关注琐碎的知识内容。其实,学生 不需要记忆那些细枝末节的信息或孤立的事实,而是需要从大量事实和学习的体验中,理解其中的规律,形成相应的概念和原理,并能将这些概念和原理迁移应用于新情境中。
例如:在认识氨基酸结构特点时,先用类比方法,引导学生理解蛋白质与淀粉一样,也是由小分子物质构成的多聚体,即氨基酸是蛋白质的基本单位。而后出示三种氨基酸结构简式(见图2),请学生说出它们的异同,概括出氨基酸的通式。随后,让学生辨认四种不同类型氨基酸的氨基、羧基和R基。最后,展示20种氨基酸的结构简式,明确氨基酸的不同主要是R基不同,R基的结构特点决定着氨基酸的特性。
又如:在认识“肽键”时,先让学生观看氨基酸“脱水缩合”课件(动画),然后让他们说出“肽键”是怎样形成的,在哪里形成的以及组成。以此逐渐认识经“脱水缩合”形成二肽、三肽和多肽的概念。
还有,在认识蛋白质分子结构多样性的原因时,先提出问题“20种氨基酸能够合成多少种蛋白质呢?”学生在不知如何回答的情形下,出示两种“九肽”的氨基酸组成:①半胱氨酸—酪氨酸—异亮氨酸—谷氨酰胺—天冬酰胺—半胱氨酸—脯氨酸—亮氨酸—甘氨酸;②半胱氨酸—酪氨酸—苯丙氨酸—谷氨酰胺—天冬酰胺—半胱氨酸—脯氨酸—精氨酸—甘氨酸。让学生分析这两种“九肽”的区别,并认识到虽然都是“九肽”,由于氨基酸种类和排列顺序不同,其生理功能完全不同,①是催产素,②是加压素。再利用“镰刀型细胞贫血症”的实例,说明由570多种氨基酸组成的血红蛋白,只要有一个氨基酸发生错误,就会造成蛋白质空间结构发生变化,功能也发生改变——携氧能力大大下降。在充分的事实面前,学生会逐渐认识到,组成蛋白质分子的氨基酸种类、数目、排列顺序和肽链盘曲、折叠方式的不同,都是决定蛋白质分子结构多样性的原因,进而理解蛋白质功能多样性的原因。
实践证明,让学生经历充分的学习体验,可以使他们在主动学习的过程中,加深对事实的观察和分析,逐渐体会事实背后所蕴含的深刻生物学原理和本质,进而顺利地建构科学概念。
(3)建构概念的意义在于新情境下的应用
概念放在一定的应用情境下才会显得生动和有意义。对于教师来说,帮助学生建构知识框架,形成正确的概念固然重要,但是,如果把这些概念“束之高阁”也就失去了原本意义。所以,构建概念重在应用。
例如:学生形成了“具有一定空间结构的蛋白质,才能有生物学功能”的基本概念后,可继续提问:“生鸡蛋含有蛋白质,煮熟的鸡蛋呢?”学生经过思考后,答出蛋白质变性问题。教师追问:“蛋白质变性后,是否还属于蛋白质[提供论文和论文的服务]呢?”教师演示:加热试管中的蛋清后用双缩脲试剂检验,结果为“紫色”,说明熟鸡蛋仍是蛋白质,因为“肽键”还在!继续比较“生蛋清”和“熟蛋清”的“紫色”,发现“熟蛋清”比“生蛋清”深。引导学生分析:加热改变了蛋白质的空间结构,暴露更多的“肽键”与双缩脲试剂反应后颜色加深。
通过这个环节的设计,学生对“肽键”是蛋白质特有的结构,认识更加深刻。与此同时,还学会了在新的问题情境下,利用概念解决问题的方法。
2.建构核心概念的程序
掌握核心概念需要学生主动建构,而非依靠教师的机械灌输。因此需要一套有效的教学程序。北京教育学院的胡玉华教授以图解的形式作了如下页图3所示说明[4]。
笔者依据上述教学程序对“蛋白质”一节进行了教学实践,收到了良好的教学效果,见下页图4所示。
三、建构生物学核心概念的反思与体会
生物学科核心概念教学涉及生物一般学概念、生物学重要概念和生物学核心概念的理解，高中生物教师必须掌握这些概念，并帮助学生构建生物学核心概念体系。
一、概念界定
对于概念的定义，《现代汉语词典》解释为“思维的基本形式之一，反映客观事物的一般的、本质的特征。人类在认识过程中，把所感觉到的事物的共同特点抽出来，加以概括，就成为概念”[1]。由此可见，概念是人脑对客观存在归纳推理分析得出的，共同具有某些特性或属性的事件、物体或现象的抽象概括。生物学概念是人脑对客观生物学对象归纳推理分析得出的，共同具有某些特性或属性的生物学事件、物体或现象的抽象概括。生物学重要概念是处于学科的中心位置的，它包括对学科的基本现象、基本规律、基本理论的理解和解释，对学科及相关科学具有重要的支撑作用的概念。生物学核心概念即那些能够展现当代生物学科图景的概念，这样的概念可以统摄学科的一般概念和重要概念，揭示学科概念之间的联系，具有统整学科知识的功能。
二、概念、重要概念、核心概念三者之间的关系
新课程标准要求通过学生核心概念体系的建立使学生形成生物学科观念。在具体的教学中我们可以运用生物学一般概念建构重要概念，通过重要概念建构核心概念。由于核心概念包含重要概念，原理、理论的基本理解和解释，重要概念居于处于学科的中心位置的一批概念，它包括对学科的基本现象、基本规律、基本理论的理解和解释，对学科及相关科学具有重要的支撑作用，可见生物学核心概念是生物学重要概念的上位概念，重要概念是生物学一般概念的上位概念。
三、高中生物核心概念教学
教师在备课时，先通读教材，熟练地掌握教科书的全部内容，了解全书的结构体系。《普通高中课程标准实验教科书》采用模块结构体系，如必修部分包括“分子与细胞”、“遗传与进化”和“稳态和环境”三个模块。模块是一个相对独立的综合化的学习单元，模块设计突出了单元“章”之上更集中和更上位的生物学主题。教学时可以把每个模块又具体地分为若干学科主题，在针对具体模块建立一般概念、重要概念和核心概念体系。例如把必修一“分子与细胞”的教学内容分为“确立细胞是最基本的生命系统”（第一章）、“分析细胞物质组成”（第二章）、“论证细胞是系统”（第三章）、“论证细胞是生命系统”（第四五章）和“系统的发生发展和消亡”五个学科主题。每一个学科主题可以确立一个核心概念，这样必修一就可以确立五个核心概念，如下：
（1）细胞是最基本的生命系统，生命系统既有统一性，又有多样性；
（2）细胞是由物质分子组成的，不同的物质具有不同的作用；
（3）细胞是物质分子的有机结合体，细胞的各种结构既分工又合作；
（4）细胞的生命活动需要物质和能量的推动；
（5）细胞有一个发生、发展、变化的过程，甚至还能够发育成一个新的个体（即细胞具有全能性）。
其次，教师要对每一个核心概念进行细化，将上位的核心概念拆分为若干重要概念，例如把“必修一”第一章的核心概念“细胞是最基本的生命系统，生命系统既有统一性，又有多样性”拆分如下：
（1）细胞是最基本的生命系统，生命系统既有统一性，又有多样性。
（2）细胞是生物体的结构和功能的基本单位。
（3）能够独立完成生命活动的系统叫做生命系统。
（4）原核细胞是组成原核生物的细胞。这类细胞主要特征是没有以核膜为界的细胞核，同时也没有核膜和核仁，只有拟核，进化地位较低。
（5）真核细胞指含有真核（被核膜包围的核）的细胞。其染色体数在一个以上，能进行有丝分裂。
再次，教师以梳理出的重要概念为教学目标进行教学设计，在进行教学设计时要思考这些重要概念是以哪些生物学概念或生物学事实来支撑的，学生是否已经掌握这些概念。例如在进行必修一第一张第一节“走进细胞”的教学设计时教师就要回想学生在初中教材中学过的相关的重要概念，如下：
（1）细胞是生物体结构和功能的基本单位。
（2）动物细胞、植物细胞都具有细胞膜、细胞质、细胞核和线粒体等结构，以进行生命活动。
（3）相比于动物细胞，植物细胞具有特殊的细胞结构，例如叶绿体和细胞壁。
（4）细胞能进行分裂、分化，以生成更多的不同种类的细胞用于生物体的生长、发育和生殖。
（5）一些生物由单细胞构成，一些生物由多细胞构成。
（6）多细胞生物具有一定的结构层次，包括细胞、组织、器官和生物个体。
教师要思考学生在初中学过并掌握了的这些重要概念与高中要形成的重要概念之间的联系，利用这些概念帮助学生进行概念同化和掌握新概念。
四、结语
目前，研究者们通过一般概念和核心概念构建生物学核心概念体系，生物学核心概念相对于一般概念在数量上是远远小于一般概念的，朱晓琳在研究中筛选出生物必修部分的核心概念为15个[2]，可见在高中生物学教学过程中生物学核心概念往往需要较长时间才能形成，而不是一节课或是几节课就能构建的。所以在教学过程中有必要提出通过一般概念概念、重要概念和核心概念构建生物学核心概念体系。
【中图分类号】B014 【文献标识码】A【摘要】广谱哲学在马克思主义哲学的基础上以辩证结构主义为建构思想，运用现代结构型数学方法，对传统哲学概念和命题进行了规范化处理，是使传统哲学获得现代科学形态的一种新尝试。广谱哲学的研究方法是结构分析法和结构数学法，它是把哲学概念、命题抽象为满足一定公理的形式结构，然后用相应的数学结构来刻划的新的研究方法。
【关键词】广谱哲学 研究对象 建构思想 研究方法
【中图分类号】B014 【文献标识码】A
广谱哲学是1996年由我国学者张玉祥教授提出的一门新型交叉学科，它融哲学、数学、系统科学为一体，在坚持马克思主义哲学基本原理的基础上以辩证结构主义为建构思想，运用现代结构型数学方法，对传统哲学概念和命题进行了规范化处理（即所谓的广义公理化、模型化、数学化和程序化的处理），是对传统哲学在现代科学基础上的继承和创新。
广谱哲学的“广谱”二字的直接含义是“广泛的知识系列”，目的是突出哲学应有的普适性。其本意是坚持马克思主义哲学关于“哲学是自然、社会和思维一般规律的概括和总结”的观点，即“普遍规律说”，它也是对多年流行的关于哲学的“意识形态说”、“社会科学说”、“人学说”等的一种匡正。当然，广谱哲学不仅在名称上坚持了哲学的普适性，而且在研究对象、建构思想和研究方法上均贯彻了“广谱性”。
广谱哲学的研究对象
广谱哲学要解决的基本问题是两对基本矛盾，即哲学命题的普遍性与精确性的矛盾、哲学方法的非程序化与程序化的矛盾。①第一对矛盾是说，哲学命题具有最高的普遍性，即具有世界观或宇宙观的性质，但难以精确地表达，例如难以用数学语言来刻划。从逻辑上说，这是因为概念的内涵和外延是反变关系，即一个概念的内涵越少（反映的事物的属性越少），则它的外延就越宽（反映的事物的个数就越多），反之亦然。以“医科大学”和“大学”两个概念为例，“医科大学”的内涵比“大学”的内涵多，因而，“医科大学”的外延比“大学”的外延窄。哲学概念是内涵最少的概念，因此它的外延也就最宽，由哲学概念组成的命题的外延也就最宽，它们横跨自然、社会乃至思维诸领域。哲学概念和命题内涵最少，即舍弃了具体事物的具体特征，只保留了事物的最一般的性质，因此难以确切化、精确化。可见，所谓哲学命题的普遍性与精确性的矛盾，实质上是概念的内涵与外延的反变关系这对矛盾在哲学上的反映。
为了解决哲学命题的普遍性与精确性的矛盾，历史上曾有一些杰出的哲学家和数学家做过认真尝试。例如法国哲学家、数学家笛卡尔曾希望用几何学的公理方法、代数学的模型化方法描述哲学问题、英国哲学家霍布斯在哲学数学化问题上与笛卡尔有着惊人一致的观点、德国哲学家、数学家莱布尼茨曾构想一种“普遍的代数”刻划哲学问题②、英国数学家、哲学家罗素则用数理逻辑方法把哲学问题划归为逻辑问题③，等等。他们之所以没有取得预想的成功，有哲学和数学两方面的原因。
在哲学上，笛卡尔摇摆于唯物主义和唯心主义之间（这本身就是矛盾的），不可能抽象出几条协调一致、没有矛盾的公理（一组数学化的前提）。
在数学上，笛卡尔时代数学的最高成就是他创立的解析几何。但哲学问题既没有几何形状，也没有数量关系，因此，哲学问题数学化是不可能的。莱布尼茨为“普遍的代数”（实为数理逻辑）奠定了基础，但最终没有建成。
罗素把哲学的本质看成是逻辑，这本身就是非常偏颇的，何况数理逻辑直到今天本质上仍是形式逻辑，无法刻划辩证法问题。罗素及其后继者维特根斯坦、卡尔纳普等人还把逻辑局限于经验的、实证的范围内，否定“形而上学”（即超出经验、实证范围之外的学问），更是不可取的。因为在一定的意义上，没有“形而上学”（超出经验、现象、实证之外的学问）就没有哲学。
广谱哲学认为马克思主义哲学是各种哲学中相对成熟、正确的哲学，从而把它作为自己研究的背景参照系。广谱哲学运用结构分析的方法，找出哲学概念、命题的稳定的结构内核，确定这些结构内核的前提条件，形成公理（系统），然后用结构型数学（非数量型的数学）予以刻划。例如客观存在（辩证唯物主义称为物质）的概念，要满足“能够为人的意识所反映”又“不依赖于人的意识”两个条件。通过结构分析，第一个条件“能够为人的意识所反映”被抽象为“可映像公理”，可用数学上的“映射”概念来刻划。第二个条件“不依赖于人的意识”，通过结构分析被抽象为“等价性公理”，可用数学上的“等价类”刻划。通过这两个公理，可以推出“单叶客观性定理”、“多叶客观性定理”等重要结论，它们对坚持和发展唯物主义的本体论、认识论、真理观等，均具有重要的意义④。
广谱哲学要解决的第二对矛盾是哲学方法的非程序化与程序化的矛盾。这对矛盾是说，通常的所谓哲学方法是没有程序的，即没有先干什么、后干什么的先后顺序和步骤。这就是哲学上常讲的“世界观也就是方法论”。例如说：任何客观事物都有现象和本质两个方面，且本质决定现象，现象反映本质。这是世界观，然后用这个观点看世界，就要求“要透过现象看本质”，这就叫世界观转化成了方法论。这其实是视角的转换，即从本体论的视角转向了认识论的视角，但如何“透过现象看本质”并没有可操作的程序。由于不是所有的人都具有“洞察”事物本质的能力的，因此，在不丧失哲学原理的最高普遍性的前提下，为哲学原理建立可操作的程序就是很有必要的。
广谱哲学解决哲学方法程序化的基础是前述第一对矛盾的解决，即在对哲学概念、命题“结构分析+结构数学化”的基础上，对获得的哲学概念、命题的形式结构（数学化的结构内核）按顺序展开。例如要建立上述的“透过现象看本质”的程序，先要通过结构分析和结构数学刻划，确定所谓事物的本质是同类事物的共有性质（这需要较复杂的论证），因此从现象到本质是从某个事物的等价类（现象集合）到该等价类某个公共性质（本质）的同态映射，即我们有某个广义投影，使得该投影是个常映射（常映射是个数学概念，它是一种特殊的二元关系）。把这个过程按步骤写下来，就成为一个不失一般性的“透过现象看本质”的程序。
按照上述解决两对基本矛盾的思想和方法，广谱哲学为辩证唯物主义哲学的大部分概念、命题或原理建立了数学模型和程序，并逐渐形成了广谱本体论（相当于辩证唯物主义的物质观、存在论）、广谱联络论（相当于普遍联系观）、广谱阴阳论（相当于辩证矛盾观）、广谱类变论（相当于运动观、发展观和质量互变观）、广谱映像论（相当于认识论、真理观）、广谱价值论（相当于哲学价值观）等六个基本板块，初步实现了哲学问题的广义公理化、广义模型化、广义数学化和广义程序化的“四化”形式。同时，广谱哲学的理论和方法也在中国古典哲学、现代西方哲学、科技哲学、数学、系统科学、管理学、法学、思想政治教育、文艺学、人才学、特色社会主义理论等10余个领域的若干专题上获得了初步的应用，对于推动这些学科向着规范化（即上述的广义“四化”）方向的发展具有重要的推动意义。
广谱哲学的建构思想
为了解决上述两对基本矛盾，经过多年的探索，广谱哲学确立了自己的建构思想，称为辩证结构主义。
结构主义是现代西方哲学中一个影响巨大的学派，它认为万事万物都有自己的稳定结构，正是这个结构使自己成为自己。所谓结构就是“要素集+关系”，它不限于有形结构，因而是广义的。例如，要素集是一堆沙子，它们的关系是重力关系，这就是沙堆的结构。又如要素集是天上星星的集合，它们的关系是万有引力，这就是天体结构（天体系统）。再如要素集是生物的集合，它们之间的关系是食物链关系，这就是生态结构（生态系统）。此外，像人际关系结构、社会结构、概念结构、理论结构、乃至于事件、过程等等，都可以表现为“要素集+关系”的形式。
结构主义的合理内核是，第一，用结构概念的普适性统一地刻划各类事物。如上所述，结构概念对各类事物具有充分的普适性，而哲学命题都是具有最高普适性的问题，因此，哲学问题可以用结构的语言表达，这使哲学问题的研究建立在了一个新的基础上。
第二，用结构的可组合性描述各类事物系统性状的改变。一方面，可以用简单的结构组合生成复杂结构，也可以把复杂结构约化为简单结构。哲学命题也一样，可以把复杂命题分解为若干简单命题，也可以由简单命题的组合生成复杂命题，它们均可以用结构的组合变换来刻划。
第三，用结构的比较方法研究结构之间的关系。当把不同的事物或系统抽象成一定的结构后，常常涉及到结构的比较问题，以确定两个结构的异与同、相似与不相似、简单与复杂等。哲学命题有类似的问题。例如量变质变规律涉及到熵集内等价类的比较问题，现象和本质的关系涉及到同态映射（这里是投影）问题等。
结构主义也有自己的局限性。其一，唯心主义倾向。许多结构主义流派不承认结构是客观存在的反映，而是“心智的产物”。其二，孤立地看待结构，即把结构看成是自满自足的封闭的系统，不考虑它与外部环境的关系。其三，忽视结构的运动、变化。许多结构主义只强调结构的共时性、稳定性，忽略了结构的历时性、流变性。其四，不考虑对结构的控制和改造。既然许多结构主义流派不认为结构是客观存在的反映，而只是人的“心智的构造”，当然谈不上对结构进行控制和改造了。
结构主义的上述缺陷正好是缺乏唯物辩证法精神的结果。因此，广谱哲学把唯物辩证法和结构主义结合起来，形成了自己的建构思想，即辩证结构主义，它可以看成是对传统结构主义的一种改造，也可以看成是唯物辩证法的一种新形态。
辩证结构主义吸取了上述结构主义的合理内核，同时坚持了唯物主义的观点，即把观念上的各种结构看成是客观事物的结构在人脑中的能动反映；他坚持用辩证法的观点观察分析各种结构问题，把结构看成是与外部环境相互作用的、可流变、可转化、可生灭、可调控的，从而可用结构方法描述万事万物的发展、变化与演变。
广谱哲学的研究方法
前面说过，广谱哲学的研究方法是结构分析方法和结构数学方法，其中结构分析法的核心是找出支撑某个概念或命题的稳定的结构，而所谓稳定的结构，是指该结构在不同的语境下具有不变性。例如文化的概念，人们从不同的角度出发，已给出上百个定义，但文化概念有无一个稳定的结构内核。广谱哲学经过系统的分析、比较和抽象、概括，提出文化概念的稳定的结构是“一定价值取向的对象化”。例如，一块石头不是文化，但把这块石头雕刻成一定形状的物品，或刻上一定的文字等，它就成了文化产品。这里“一定形状的物品”、“一定的文字”反映了作者的价值取向，而通过石头这个载体，把作者的价值取向对象化（可观可控化）了。又如人们制订的规章制度、法律法规，也是人们按照一定的价值取向（如对哪些人有利或有害、政策导向等），以文字、纸张或电子影像系统等载体，把人们的价值取向对象化（可观可控化）了。文学艺术作品也一样。不难知道，流行的关于文化概念的上百个定义，均是上述“稳定的结构内核”的特殊表现形式⑤。
同样地，广谱哲学还用结构分析方法揭示了一大批流行的似是而非的概念（如素质、思想、内化、强化、协调、平等、异化等等）的“稳定的结构内核”，澄清了许多模糊和混乱问题。更一般地，广谱哲学运用结构分析方法，揭示了马克思主义哲学、现代西方哲学、中国古典哲学的上百个基本概念、命题和原理的“稳定的结构内核”，为进一步的理论分析和建立模型奠定了基础。
所谓结构数学方法是在上述结构分析基础上，运用“结构型数学”建立数学模型的方法。这里结构分析和结构型数学是对应的，即通过结构分析找到了某个概念、命题的“稳定的结构内核”，再用一定的数学结构把它表达出来。所谓结构型数学就是研究抽象的数学结构的数学，而抽象的数学结构不限于数量关系的结构，它可以是任意事物之间的关系结构。在数学上，抽象的关系结构是建立在任意事物的集合上的。这里举几个简单的例子。当我们说“武则天是女皇”时，是说武则天既是女人（中的一员）又是皇帝（中的一员）。因此，设A是女人的集合，B是皇帝的集合，则“武则天（记为w）是女皇”就成为w∈A∩B。这里没有数量或变量，只有关系结构。其中A∩B是两个集合的“交”运算，符号∈表示武则天是A∩B的一个元素，这是一个隶属关系。又如当我们说“张三和李四是夫妻”时，可以认为是男女各种可能关系（配对、组合）中的一种关系。设A是中国男人的集合，B是中国女人的集合，则A×B就是所有中国男人和所有中国女人可能组合、配对的集合。其中符号“×”叫作笛卡尔直积，A×B的意思是，每次从A中取出一个男人，每次从B中取出一个女人，配成一对，所有可能配对的集合就是A×B。例如A×B中的元素可以是父女关系，可以是叔侄女关系，可以是舅外甥女关系等，而夫妻关系（记为R）只是A×B的一个子集合，即RA×B，其中符号“”表示包含在…里头，这时“张三（记为z），李四（记为l）是夫妻关系”就成为（z，l）∈RA×B，即张三和李四的夫妻关系只是夫妻关系（集合）中的一个元素。在这个例子中，也没有涉及到数量关系，只是给出了两种抽象的结构：夫妻关系RA×B和隶属关系（z，l）∈R。
通过运用上述的结构数学方法，广谱哲学不仅为大量的日常语言概念、人文社会科学概念建立了结构数学模型（也称广义量化模型，以区别于狭义量化模型即数量型模型），也为马克思主义哲学、现代西方哲学、中国古典哲学的上百个概念、命题和原理建立了相应的模型，为进一步的理论分析和数学推演奠定了基础。
结语
总的来说，广谱哲学在三十余年的探索中，逐步确立了自己的研究对象（两对基本矛盾）、适合哲学问题的建构思想（辩证结构主义）和独特的研究方法（结构分析和结构数学方法），开创了哲学研究的一个新方向，打开了哲学研究的一个新视野，取得了一批可供检验的新成果。这对于传统哲学的研究是一个大胆的尝试，值得哲学界、理论界的关注和重视。
（作者单位：华北水利水电大学）
【注释】
①张玉祥：“广谱哲学的基本概念、框架与应用”，《自然辩证法研究》，2006年第7期。
②[美]M・克莱因：《古今数学思想》（第4册），上海科技出版社，1980年，第86页。
③赵敦华：《现代西方哲学新编》，北京大学出版社，2001年，第124页。
生物学科是一门实验性很强的基础学科，新一轮课程改革的进一步深入，对生物学科的教学提出了新的要求，要求“以人为本”，面向全体学生，促进学生素质全面提高；必须以学生为主体，促进学生积极主动、生动活泼地发展，发展学生个性，培养科学的态度、创新精神和实践能力，为其终身发展奠定坚实的基础。生物科学实验是以认识生命运动的本质和规律为目标的实践，它不是盲目的行为，而是在理论指导下的实践活动。科学的思维能力是科学素质的重要方面，而科学素质的培养又是全面实现素质教育的重要内容。在生物教学和实验中，培养学生的科学思维能力和科学素养，从而提高学生的素质，就显得非常重要。本文结合初中生物实验，谈几点关于培
养学生的思维能力的看法。
一、启发学生的思维积极性
兴趣是思维活性的触发剂，求知的需要是学习动机的基础。当学生对某个问题发生兴趣时，就会围绕着这个问题积极地思考起来。但是，单纯由“实验”表面的“魅力”所引起的只是直接的兴趣，如果没有更深层次内涵的吸引，维持不了多久。要想保持学生持久的兴趣，就要善于“创造”种种诱因。比如，从生产实际和学生生活实际引出实验课题，不断明确实验目的意义，不断提出有趣而又有思考性的问题引起学生思考，等等。通过这些手段，及时地把学生的直接兴趣发展为间接兴趣。
思维总是在观察和解决问题的过程中进行的。当一个人产生必须排除困难的需要，或要了解某一问题时，思维就活跃起来。实践证明，有意识地创设发现问题的情境是引导学生积极思维的好方法。我们要善于利用实验中的［观察与思考］、［讨论］等栏目中的问题，以及在辅导实验的教学中用有启发性的问题巧妙地引导和调动学生思维的积极性。
二、帮助学生掌握科学研究的基本过程
科学思维方法的首要问题是明确科学研究的基本过程，即解决问题的程序。
例如，“观察鼠妇活动”的实验设计思路。
首先，通过观察发现问题。为什么在花盆下、石块下等处容易找到鼠妇？这些地方有什么特点？
其次，提出假设（对发现的问题大胆提出猜测和解释）。
1.鼠妇的活动可能与光照条件有关。
2.鼠妇的活动还可能和水分以及其它外界因素有关，等等。
第三步，设计实验，验证假说。在这个阶段，实验的目的任务、方法、材料、装置等等都是根据假设来确定的，所以，实验的理论依据主要是假设（当然还有赖于学生对有关科学知识的掌握情况）。
1.先检验“光照”对鼠妇活动有无影响。
2.为了消除无关变量的干扰，突出自变量，找出自变量和因变量的因果联系，必须创造一个除“光照”以外其它条件均相同的、只有明暗两处相通的场所。把一定数量的鼠妇放在其中，观察鼠妇在明暗两处的数量分布情况。
第四步，分析、讨论实验结果，推导结论验证假设的真伪。
通过“鼠妇实验”，要帮助学生感受和理解科学研究的基本过程：问题假设实验结论。初中所有的生物实验几乎都体现了这条思路，这里不再重复。
科学的“假设”绝不是无根据的凭空捏造，而是要有科学根据的。这种根据来源于头脑中已有的知识，或者来源于别人的研究成果，或者来源于对客观实际的观察。
三、训练学生的思维操作技能
思维操作技能包括分析、综合、比较、抽象和概括等几个步骤。在生物实验中要实现对某生命现象的本质和规律的认识，就要对实验中的感性材料进行一系列的思维操作才能实现。
根据系统论的观点，任何一个生命体或一种生命现象都是由部分、层次、要素组成的开放的有序整体。对于这样一个整体如果囫囵吞枣地研究是无法进行的。只有将其分解，才能一部分一部分地研究，深入其内部，发现其本质。在头脑中把整体分解为部分而进行逐个研究的过程就是分析。比如，在研究“影响鼠妇活动的外部条件”时，必须先把“外部条件”分析成光、水、化学物等单个因子，然后逐一考查和鼠妇活动的关系；在研究“光合作用”时，也是将其分解为原料、条件、产物几部分，而这每一部分又是由次一级的成分组成。为了便于研究还须进行更深层次的分解。所有的科学实验都离不开分析。
综合，在头脑中把生命体的各部分，把生命现象的各个方面和属性联合起来，形成对生命体和生命现象整体的认识，这就是综合。分析和综合是相辅相成、紧密联系的对立统一的关系，它们是思维活动的基础。
比较，是把生物各部分构造、功能和某些属性加以对比，并确定它们之间的异同点。这就为进一步认识生命的本质和规律、进行抽象和概括打下基础。
抽象和概括，是找出各种生物体或各种生命现象中共同的本质的属性，或找出各部分构造之间、功能与构造之间、生物与环境条件之间的因果关系，而抛开次要的、非本质属性和非因果的偶然联系。并且把抽象出来的本质属性、必然联系加以综合形成概念和判断，达到对生物现象的本质和规律的认识。比如，在研究了植物的各种花之后，舍去颜色、形状等次要属性而抽取出都有“花蕊”及担负“有性繁殖”功能这两个最本质的特征，形成花的一般概念，这就是对花的抽象和概括。
分析、综合、比较、抽象和概括等在同一次思维活动中都是共同参与，紧密结合。一般说来，分析、比较、综合是抽象和概括的基础，而抽象和概括是思维的核心。只有通过抽象和概括才能认识事物的本质和发展规律，形成概念和原理，从而达到对事物理性的认识。
四、培养学生思维的逻辑性
思维的逻辑性主要指能正确运用概念、判断、推理的形式进行思维和表达思维的结果。在实验过程中，学生通过观察获得大量具体的、形象直观的感性材料，对这些材料经过思维，抽象和概括出各种生命现象的本质属性和必然联系，再以概念、判断、推理的形式表达出来或贮存起来。生物学中的各种基本概念、规律、原理等都是概念、判断、推理的具体体现。这些就构成了生物学的知识体系。
