基于“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”的跨學(xué)科知識(shí)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：穩(wěn)態(tài)與平衡觀是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，是自然科學(xué)課程共有的重要概念.在高中生物知識(shí)體系構(gòu)建和應(yīng)用中，利用跨學(xué)科的共性知識(shí)加深對(duì)生物學(xué)概念的理解，建立穩(wěn)態(tài)與平衡的基本模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)解決生物學(xué)問題的靈活應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)與平衡;跨學(xué)科;高中生物

中圖分類號(hào)：G632 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1008-0333（2021）24-0111-03

收稿日期：2021-05-25

作者簡(jiǎn)介：劉煥書（1972.4-），男，本科，中學(xué)高級(jí)教師，從事生物教學(xué)研究.

基金項(xiàng)目：福建省龍巖市專家工作室教育科研項(xiàng)目課題“高中生物教學(xué)中基于真實(shí)情境學(xué)生解決問題能力培養(yǎng)的研究”，NO. GZZJ2020-009

“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017）》中凝煉出的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一——生命觀念中的重要內(nèi)容，是自然科學(xué)課程共同的重要概念.通俗的說(shuō)，穩(wěn)態(tài)即維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而平衡是對(duì)立的兩個(gè)方面或相關(guān)的幾個(gè)方面在數(shù)量或質(zhì)量上均等或大致均等.生命系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)態(tài)和平衡的系統(tǒng)，無(wú)論是構(gòu)成生命的物質(zhì)還是結(jié)構(gòu)，亦或是個(gè)體的數(shù)量，在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，均需保持相對(duì)穩(wěn)定，否則生命就無(wú)法正常進(jìn)行.所以在高中生物學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生牢固形成“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”，在高中生物復(fù)習(xí)中利用穩(wěn)態(tài)與平衡的觀念來(lái)構(gòu)建相關(guān)的知識(shí)體系，并且利用穩(wěn)態(tài)與平衡的觀念來(lái)實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科解決一些實(shí)際問題，包括試題，具有重要的意義.

一、基于“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”的人體水平衡數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)

在數(shù)學(xué)上，學(xué)生從小學(xué)開始就懂得，一個(gè)小水池，有一進(jìn)水口和一個(gè)出水口，當(dāng)進(jìn)水速度大于出水速率時(shí)，水池中的水會(huì)越來(lái)越多，反之會(huì)越來(lái)越少;當(dāng)進(jìn)水速率與出水速率相當(dāng)時(shí)，水池中的水能保持相對(duì)穩(wěn)定.利用學(xué)生這個(gè)熟悉、易理解的原理，進(jìn)行人體水平衡知識(shí)的建構(gòu).人體內(nèi)的水分約占體重的50%～60%，相當(dāng)于水池中的水量，每天水的來(lái)源相當(dāng)于進(jìn)水口，每天水的排出相當(dāng)于出水口，當(dāng)人體水的來(lái)源（主要包括飲水、食物中的水、代謝產(chǎn)生的水等）與排出（主要通過(guò)腎臟排尿、皮膚排汗、呼吸中的水蒸氣和糞便中帶走的水等）相當(dāng)時(shí)，人體內(nèi)的水就能保持相對(duì)穩(wěn)定.由于人體排出的水量的多少主要受水的來(lái)源（用a表示）的影響，而排水主要是通過(guò)排尿量（用y表示）和排汗量（用x表示）進(jìn)行;且排尿量的多少又受出汗量的變化而變化.所以可以用一個(gè)公式表示它們間大致的關(guān)系：y=a-b-x（b代表呼吸中以水蒸氣形式和糞便中帶走的水量等）.

利用建立的水平衡知識(shí)數(shù)學(xué)模型，能較好地系統(tǒng)的理解相關(guān)知識(shí)和解釋有關(guān)問題.例如，為什么冬天排尿量相對(duì)較多而夏天排尿量較少？如果在人體水的攝入量（a）一定量的情況下，由于冬天氣溫較低，汗腺分泌汗液（x）較少，所以排尿量（y）值增大，而夏天氣溫高，人體分泌汗液量大，排尿量就少.

基于“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”建立水平衡模型，先通過(guò)類比推理的方法，利用大家熟悉的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建出人體水平衡的知識(shí)框架，使人體內(nèi)水平衡的知識(shí)變的直觀形象，再進(jìn)一步分析水平衡的具體過(guò)程，總結(jié)出簡(jiǎn)單的公式模型.在此基礎(chǔ)上引出人體水平衡的調(diào)節(jié).

二、基于“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”的物理原理的人體體溫恒定的知識(shí)模型建構(gòu) ?在物理學(xué)上，要保持物體溫度的相對(duì)恒定，必需物體獲得的熱量等于物體的散熱.比如電冰箱、空調(diào)和熱水器等都大致是這個(gè)原理.其實(shí)人體體溫的恒定也遵循這一理論.健康人的體溫能恒定在37℃左右，就是人體的產(chǎn)熱量等于散熱量.人體熱量的來(lái)源主要是細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用將有機(jī)物氧化分解時(shí)，可以釋放大量熱量，特別是骨骼肌和肝臟產(chǎn)熱較多;而熱量的散失主要通過(guò)皮膚進(jìn)行的，包括毛細(xì)血管的散熱和皮膚中汗腺分泌汗液的蒸發(fā)，此外呼氣、排尿和排遺等也會(huì)帶走一部分的熱量.體溫恒定的過(guò)程如圖1所示.

利用此體溫恒定的知識(shí)模型，可以從相對(duì)宏觀的角度理解體溫調(diào)節(jié)過(guò)程，在寒冷時(shí)，骨骼肌和肝臟等代謝加強(qiáng)，產(chǎn)熱量增加，同時(shí)皮膚毛細(xì)血管收縮和汗腺分泌汗液減少，以使散熱量減少;炎熱時(shí)正好相反，以維持體溫恒定.利用此知識(shí)模型也可解釋很多的生物現(xiàn)象，比如，某人因感染病原體而發(fā)熱，從早上8點(diǎn)到11點(diǎn)體溫均持續(xù)在38.5℃左右，此時(shí)間段內(nèi)，此人體內(nèi)的產(chǎn)熱量與散熱量的關(guān)系是怎樣？由模型可知，若產(chǎn)熱量大于散熱量，則體溫會(huì)升高，若產(chǎn)熱量小于散熱量，體溫會(huì)下降;在3h內(nèi)，體溫維持相對(duì)穩(wěn)定，產(chǎn)熱量應(yīng)該與散熱量相當(dāng).

通過(guò)人體體溫恒定的教學(xué)，幫助學(xué)生建立跨學(xué)科的概念，反過(guò)來(lái)，跨學(xué)科的的概念的建立，又能加深對(duì)人體體溫恒定概念的理解，并實(shí)現(xiàn)這些跨學(xué)科內(nèi)容的融會(huì)貫通，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的目標(biāo).

三、“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”視域下跨化學(xué)科的碳循環(huán)知識(shí)體系構(gòu)建

全球氣候變化是全球性的一個(gè)嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題，二氧化碳是重要的溫室氣體.在化學(xué)上，大氣中二氧化碳的濃度能持在0.03%左右，這與生態(tài)系統(tǒng)中碳的循環(huán)是密不可分的.從平衡的角度看，大氣中的二氧化碳主要通過(guò)生產(chǎn)者固定成為有機(jī)物，包括生物的光合作用和一些微生物的化能合成作用;而二氧化碳的來(lái)源主要包括植物和動(dòng)物在內(nèi)的生物的呼吸作用和微生物的分解作用，以及化石燃料的燃燒等.大氣中CO2濃度的穩(wěn)態(tài)可以用如圖2所示模式表示：

由上面CO2的穩(wěn)態(tài)與平衡知識(shí)模型可知，在自然生態(tài)系統(tǒng)中，一定時(shí)間內(nèi)CO2的固定速率和產(chǎn)生速率大致是同等的，所以CO2濃度能維持相對(duì)穩(wěn)定.此知識(shí)模型可以用于解釋一些相關(guān)現(xiàn)象，例如，與40年前（1980年）相比，現(xiàn)在大氣中的二氧化碳濃度為什么明顯升高？北半球的冬天，二氧化碳的濃度為什么明顯比夏天高？從CO2的固定速率來(lái)看，與40年前比，城鎮(zhèn)化和人口的增長(zhǎng)，植被被大量破壞，光合作用固定的CO2減少;而由于工業(yè)化的發(fā)展，大量的化石燃料被利用， CO2的釋放量大大增加，從而導(dǎo)致大氣CO2濃度的上升.同理，與夏天相比，北半球的冬天絕大部分植物落葉進(jìn)入休眠，即使少數(shù)常綠的植物也因溫度低、日照時(shí)間短，光合速率低，所以CO2固定速率大大下降;進(jìn)入冬天后，北半球的取暖等，化石燃燒的使用量劇增，CO2釋放增加，導(dǎo)致大氣CO2濃度上升.

全球氣候變暖的原因是一個(gè)復(fù)雜的問題，分析和解決氣候變暖的原因和措施需要多學(xué)科的知識(shí)，教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生從跨學(xué)科的角度深入思考，積極探究，抓住主要矛盾.大氣中CO2濃度的升高，從去路來(lái)看，主要是植被的問題，而從來(lái)源看主要是化石燃料的利用問題.通過(guò)這些跨學(xué)科問題的分析，鞏固學(xué)生對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí).

四、“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”在解題中的應(yīng)用

在教學(xué)中，有意識(shí)培養(yǎng)學(xué)生形成“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”，用穩(wěn)態(tài)與平衡的觀念解決一些實(shí)際情境問題，具有非常大的幫助.例如，人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書生物必修3，第116頁(yè)：圖3是河流生態(tài)系統(tǒng)受到生活污水（含大量有機(jī)物）輕度污染后的凈化過(guò)程示意圖.

請(qǐng)根據(jù)圖回答：（1）在該河流的AB段上，溶解氧大量減少的主要原因是什么？ （2）水中溶解氧含量在BC段逐漸恢復(fù)的主要原因是什么？

解決這兩個(gè)問題，首先要明確水中溶解氧的主要來(lái)源是水中藻類等光合作用釋放，而去路主要是水中各種生物的呼吸消耗，特別好氧性細(xì)菌等微生物的耗氧.在污水排入前的河段，藻類等光合作用釋放的氧氣等于或大于各種生物呼吸消耗的氧氣量，水中溶解氧的含量能保持相對(duì)穩(wěn)定.當(dāng)污水排入河流后，水中溶解氧大量減少，也應(yīng)從氧氣的來(lái)源和去路兩個(gè)角度進(jìn)行分析.從圖3中可看出，污水進(jìn)入后，在AB段藻類含量減少，光合作用釋放的氧氣量減少，而因?yàn)槲鬯泻写罅坑袡C(jī)物，引起好氧性細(xì)菌繁殖急劇增加，消耗大量氧氣，從而導(dǎo)致水中溶解氧含量大量減少.隨著細(xì)菌把大量有機(jī)物分解為CO2和無(wú)機(jī)鹽，使水中NH+4等無(wú)機(jī)鹽離子增加，為藻類的快速繁殖提供了條件，藻類光合作用釋放氧氣量大大增多，另一方面，隨著水中含碳有機(jī)物含量減少，好氧性細(xì)菌逐漸減少，氧氣的消耗量減少，所以在BC段水中溶解氧的含量逐漸恢復(fù).

依循穩(wěn)態(tài)與平衡觀來(lái)進(jìn)行分析解題，思路清晰，目標(biāo)很明確，都是根據(jù)事物的兩個(gè)方面，即來(lái)源與去路進(jìn)行考慮.穩(wěn)態(tài)與平衡觀是各自然科學(xué)課程的共性，對(duì)于學(xué)生理解上沒有太多的障礙，對(duì)于發(fā)展學(xué)生的生命觀念、培養(yǎng)科學(xué)思維具有極大的幫助.在上述例子中，邏輯關(guān)系是非常嚴(yán)密的，污水的排入，水中含碳有機(jī)物劇增，引起好氧型細(xì)菌微生物大量繁殖，分解有機(jī)物產(chǎn)生無(wú)機(jī)鹽，水中NH+4等無(wú)機(jī)鹽離子的增加，又促進(jìn)藻類等植物的繁殖，光合速率增強(qiáng)，釋放氧氣增加，最終使水中溶解氧恢復(fù)并趨于穩(wěn)定.

類似的問題還很多，基本貫穿在高中生物教學(xué)的整個(gè)過(guò)程中.例如在講光合作用的過(guò)程時(shí)，在一定的條件（適宜的光照強(qiáng)度、CO2濃度和溫度等）下，葉綠體中的ATP、ADP、三碳化合物（C3）和五碳化合物（C5）的含量是維持相對(duì)穩(wěn)定的.當(dāng)植株突然置于黑暗環(huán)境中（其它條件不變），短時(shí)間內(nèi)，其中的C3的含量會(huì)發(fā)生怎樣的變化呢？利用穩(wěn)態(tài)與平衡的觀點(diǎn)解釋就很清晰，首先從C3的來(lái)源看，CO2濃度不變，CO2固定形成C3的反應(yīng)能繼續(xù)進(jìn)行;而由于在黑暗環(huán)境下，光反應(yīng)不能進(jìn)行，ADP無(wú)法繼續(xù)合成ATP，原有少量ATP被消耗后，C3就不能再被還原了.所以C3的含量在短時(shí)間內(nèi)會(huì)變多后趨于穩(wěn)定.

“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”是生命觀念的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是自然科學(xué)課程共有的概念;在學(xué)習(xí)生物過(guò)程中形成穩(wěn)態(tài)與平衡觀念是一項(xiàng)必備的品格和關(guān)鍵能力.對(duì)于理解生物學(xué)科的概念和知識(shí)體系的建立，以及分析、理解和解決實(shí)際問題具有重要作用.

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：季春陽(yáng)]