高中生物學“穩(wěn)態(tài)與平衡”的分析及教學策略

程濤　李翔

［摘 要］穩(wěn)態(tài)與平衡觀是《普通高中生物學課程標準（2017年版）》提出的重要生命觀念之一。建立穩(wěn)態(tài)與平衡觀，有助于學生認識動態(tài)的穩(wěn)態(tài)與相對的平衡。文章具體分析高中生物學教材中的穩(wěn)態(tài)與平衡事實，并提出相應教學策略，旨在幫助學生把握穩(wěn)態(tài)與平衡的實質，樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

［關鍵詞］穩(wěn)態(tài)與平衡觀；生命觀念；教學策略

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2024）08-0075-04

自《普通高中生物學課程標準（2017年版）》頒布以來，“生命觀念”核心素養(yǎng)逐步進入生物學教師的眼簾。生命觀念是最基本、最重要的生物學學科核心素養(yǎng)，具體是指對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關系或特性進行解釋后的抽象，是人們經(jīng)過實證后的觀點，是能夠理解或解釋生物學相關事件和現(xiàn)象的意識、觀念和思想方法［1］。穩(wěn)態(tài)與平衡觀是生命觀念之一。生命系統(tǒng)是具有調節(jié)能力的穩(wěn)態(tài)與平衡系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)是動態(tài)的，平衡是相對的。生命系統(tǒng)所處的環(huán)境是變化的，意味著生命系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與平衡必然不是靜態(tài)的、絕對的，只有通過調節(jié)才能實現(xiàn)相對穩(wěn)定與平衡。高中生物學教材從分子、細胞、個體、群體等多個層面向學生展示了生命系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與平衡。本文具體分析高中生物學教材中的穩(wěn)態(tài)與平衡事實，提出相應的教學策略，幫助學生把握穩(wěn)態(tài)與平衡的實質，樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

一、分子與細胞層面的穩(wěn)態(tài)與平衡

分子與細胞層面的穩(wěn)態(tài)屬于微觀層次，體現(xiàn)在細胞組成成分的種類及比例、生化反應的速率以及細胞的相關生理過程等。只有當組成細胞的物質維持穩(wěn)態(tài)，才能使細胞的結構與功能維持穩(wěn)態(tài)。

（一）原癌基因與抑癌基因表達的穩(wěn)態(tài)

細胞癌變是細胞不正常的生命歷程，除由病毒癌基因造成外，細胞癌基因突變或者異常表達也會導致癌變。原癌基因與抑癌基因是細胞內的兩類基因，在正常細胞中原癌基因表達水平低，負責調節(jié)細胞周期，控制細胞生長和分裂的進程，發(fā)生突變或者過量表達會引起細胞增殖異常、分化失控、走向癌變，轉化為癌基因。抑癌基因具有抑制細胞的生長和增殖或者促進細胞凋亡的作用，其突變或者過量表達導致蛋白質失活，也可能引起細胞癌變。在細胞生長、增殖和分化的過程中，原癌基因起正向調節(jié)作用，而抑癌基因起負向調節(jié)作用，二者相互制約，維持細胞相對穩(wěn)定的正常生命歷程，若任何一方發(fā)生突變，則會打破原有的平衡，使細胞偏離正常的生命活動軌道，走向癌變。

（二）激素分泌的穩(wěn)態(tài)

激素是人和動物體內起調節(jié)作用的一類有機物，當其作用于靶細胞并發(fā)揮作用后會被降解，但含量保持相對穩(wěn)定，原因在于機體可以源源不斷地分泌。此外，部分激素存在分級調節(jié)和反饋調節(jié)，如圖1所示為甲狀腺激素的分級調節(jié)和反饋調節(jié)。外界一些因素（如寒冷、緊張等）會刺激機體產(chǎn)生神經(jīng)沖動并傳到下丘腦，刺激其分泌TRH（促甲狀腺激素釋放激素），TRH運輸?shù)讲⒆饔糜诖贵w，促進垂體分泌TSH（促甲狀腺激素）并作用于甲狀腺，促使甲狀腺分泌TH（甲狀腺激素），這屬于分級調節(jié)［2］。當TH含量升高到一定值時，會抑制下丘腦和垂體分泌TRH和TSH，這屬于反饋調節(jié)。通過分級調節(jié)和反饋調節(jié)可維持甲狀腺激素含量的穩(wěn)態(tài)。機體除甲狀腺激素存在“下丘腦—垂體—甲狀腺軸”這樣的分級調節(jié)外，還存在“下丘腦—垂體—腎上腺皮質（性腺）軸”等，同甲狀腺激素一樣，其含量也維持穩(wěn)態(tài)［3］。

（三）細胞分裂與分化的穩(wěn)態(tài)

多細胞生物體的生長發(fā)育離不開細胞的分裂與分化。細胞分裂增加細胞數(shù)量，是器官生長發(fā)育的基礎。細胞分化增加細胞種類，產(chǎn)生具有特定功能的特化細胞。多細胞動物存在細胞周期調節(jié)因子（如CDK抑制蛋白、有絲分裂激酶等）用以調節(jié)細胞的分裂與分化，而多細胞植物則通過激素調節(jié)細胞的分裂與分化，如在植物組織培養(yǎng)，生長素比例高促進生根，細胞分裂素比例高促進發(fā)芽，通過調節(jié)生長素和細胞分裂素的比例誘導植物的生根發(fā)芽。因此，細胞分裂與分化的協(xié)調是產(chǎn)生不同功能組織與器官的基礎。細胞分裂與分化維持穩(wěn)態(tài)是個體保持正常生命活動的基礎。

二、個體層面的穩(wěn)態(tài)與平衡

人和動物的穩(wěn)態(tài)包括血壓、心率的穩(wěn)態(tài)，滲透壓的穩(wěn)態(tài)以及體溫、血糖等的穩(wěn)態(tài)，這些穩(wěn)態(tài)是通過“神經(jīng)—體液—免疫調節(jié)”網(wǎng)絡實現(xiàn)的。

（一）體溫的穩(wěn)態(tài)

正常情況下，不同性別、不同年齡的人的體溫維持在37 ℃左右，雖然外界溫度一日24小時、一年四季變化較大，但正常人的體溫始終維持相對穩(wěn)定，變化不大，這是通過神經(jīng)—體液調節(jié)實現(xiàn)的，如圖2所示。當外界溫度高于（低于）人體體溫時，會刺激皮膚中相應的感受器使其興奮，產(chǎn)生神經(jīng)沖動傳遞到下丘腦體溫調節(jié)中樞，中樞經(jīng)過分析、處理，通過傳出神經(jīng)使相應效應器作出反應，導致產(chǎn)熱量和散熱量平衡，體溫恢復。除神經(jīng)調節(jié)外，機體還可以通過體液調節(jié)實現(xiàn)散熱量和產(chǎn)熱量平衡，如寒冷時，甲狀腺激素和腎上腺素分泌增多，促進代謝增加產(chǎn)熱。

（二）滲透壓的穩(wěn)態(tài)

滲透壓是內環(huán)境的理化性質之一，是指溶液中溶質微粒對水的吸引力，這里的溶質微粒主要是指無機鹽。溶質微粒的數(shù)量和水含量的關系綜合影響滲透壓的大小。人和動物通過排尿、排汗、排便的方式排出體內的水和無機鹽，此外還可以通過呼氣排出水分，而排尿是排出水和無機鹽最主要的方式。機體通過調節(jié)排尿量來維持體內水和無機鹽的平衡，從而維持滲透壓的穩(wěn)態(tài)。外界環(huán)境會影響內環(huán)境滲透壓的大小，當滲透壓偏離穩(wěn)態(tài)時，機體通過調節(jié)代謝恢復平衡。如圖3所示，飲食過咸、飲水不足或運動失水過多導致滲透壓升高，抗利尿激素分泌增加，促進腎小管和集合管重吸收水，使得尿量減少降低滲透壓恢復穩(wěn)態(tài)［4］。此外，醛固酮激素有吸鈉排鉀保水的作用，維持鈉鉀平衡和水平衡?？梢?，通過神經(jīng)系統(tǒng)和內分泌系統(tǒng)調節(jié)尿量和尿成分可以維持滲透壓穩(wěn)態(tài)。

除神經(jīng)調節(jié)和體液調節(jié)外，免疫調節(jié)對于維持人和動物的穩(wěn)態(tài)與平衡也發(fā)揮著重要的作用。免疫系統(tǒng)具有防御、自穩(wěn)、監(jiān)視的功能。外來病原體的入侵以及自身衰老、病變甚至癌變的細胞會影響機體的穩(wěn)態(tài)，而免疫系統(tǒng)時刻監(jiān)視機體，及時發(fā)現(xiàn)抗原并清除，對于維持機體穩(wěn)態(tài)必不可少。

三、群體層面的穩(wěn)態(tài)與平衡

群體層面的穩(wěn)態(tài)與平衡主要體現(xiàn)在種群環(huán)境容納量即K值的相對穩(wěn)定，群落演替到穩(wěn)定階段后的豐富度、種間關系以及空間結構等的相對穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)的結構（組成成分、營養(yǎng)結構）、生物與環(huán)境的關系等的相對穩(wěn)定。

（一）種群K值的穩(wěn)態(tài)

理想條件下，種群數(shù)量呈現(xiàn)“J”形增長，沒有最大值。但在自然條件下，由于環(huán)境阻力的存在，種群數(shù)量不可能無限增長，因此呈現(xiàn)“S”形增長?！癝”形增長曲線向我們揭示了種群數(shù)量會最終穩(wěn)定在某一個值附近，這個值稱為環(huán)境容納量，又稱為K值。K值是指一定環(huán)境條件下所能維持的種群最大數(shù)量，不是一成不變的，當環(huán)境條件變化時，K值會發(fā)生改變，如圖4中的曲線Ⅰ，當環(huán)境阻力減小時K值會增大，反之如曲線Ⅱ會減小，甚至當環(huán)境發(fā)生劇烈變化時種群數(shù)量會如曲線Ⅲ急劇下降最后為零。由此可見，K值是相對穩(wěn)定平衡的，在原有平衡被破壞后也可以達到新的平衡。

（二）群落的穩(wěn)態(tài)

群落是多個種群的集合體，這些種群間有交流，有聯(lián)系。群落不是一成不變的，而是隨時間推移發(fā)生演替的。群落演替多數(shù)呈現(xiàn)正方向，即物種豐富度逐漸增加，種間關系逐漸復雜，群落結構也逐漸復雜。當群落演替到穩(wěn)定階段時，群落的物種豐富度、種間關系、空間結構都會維持穩(wěn)態(tài)。如種間關系包括捕食、競爭、互利共生、原始合作、寄生等，是經(jīng)過長期自然選擇而形成的，通常具有不可逆性。群落的空間結構與生物特點、環(huán)境情況有關聯(lián)，如森林階段，自下而上依次為“地衣—草本—灌木—喬木”，這種穩(wěn)態(tài)充分利用了各種環(huán)境資源。

（三）生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)

生態(tài)系統(tǒng)是由生物和環(huán)境相互聯(lián)系形成的整體，一個生態(tài)系統(tǒng)其結構與功能是保持相對穩(wěn)定的。生態(tài)系統(tǒng)結構的穩(wěn)定性，一是體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)的各種組成成分的種類和數(shù)量比例保持相對穩(wěn)定上，二是體現(xiàn)在營養(yǎng)結構（食物鏈和食物網(wǎng)）保持穩(wěn)態(tài)上。生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)、消費、分解是穩(wěn)定正常進行的，從而保證了物質總在循環(huán)，能量總在流動，信息不斷傳遞，個體持續(xù)發(fā)展和更新。此外，生態(tài)系統(tǒng)的收支也是相對穩(wěn)定的，一定時間內生產(chǎn)者所制造的供給其他生物利用的有機物總量是相對穩(wěn)定的。

生態(tài)系統(tǒng)之所以保持穩(wěn)態(tài)，是因為具有自我調節(jié)的能力，如當河流受到輕度污染時能通過自身的物理沉降、化學降解和微生物分解消除污染，從而保持穩(wěn)態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)能力和生態(tài)系統(tǒng)的組成成分種類、營養(yǎng)結構的復雜程度有關，種類越多，結構越復雜，自我調節(jié)能力越強，抵抗力穩(wěn)定性越高［5］。當然，任何一個生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)能力都是有限的，當外界干擾程度高于自我調節(jié)能力時，其穩(wěn)定性就會遭到破壞，但生態(tài)系統(tǒng)具有恢復力穩(wěn)定性，經(jīng)過一定時間后可達到新的穩(wěn)態(tài)。

四、“穩(wěn)態(tài)與平衡”的教學策略

高中生物學教材中的穩(wěn)態(tài)與平衡事實滲透到各個章節(jié)，既有微觀也有宏觀，根據(jù)不同的教學內容和教學目標，可以采取不同的教學策略。下面筆者提供三個常見的教學策略。

（一）情境教學法

在平時的教學中，教師可以采用情境教學法，給學生創(chuàng)設真實情境，讓學生在真實情境中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)與平衡事實，樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

例如，在“甲狀腺激素的分級調節(jié)”的教學中，教師可創(chuàng)設問題情境：寒冷條件下，甲狀腺激素分泌會增加嗎？如果會，它會一直增加嗎？對于第一個問題，教師可以給學生提供不同環(huán)境溫度下人體甲狀腺激素的含量數(shù)據(jù)。對于第二個問題，教師可以給學生提供有關呆小癥和甲亢患者的資料。學生通過對真實情境中的問題的分析與思考，認識到人體甲狀腺激素含量會發(fā)生變化，如果過少或過多，就會出現(xiàn)相應的病癥，從而認識到正常人體甲狀腺激素含量是維持相對穩(wěn)定的，寒冷條件下也不會一直增加。

（二）概念圖教學

概念圖展示的是各個概念之間的關系，在教學中教師可幫助學生理解零散的概念，再將零散的概念整合起來，建立概念圖，引導學生了解穩(wěn)態(tài)與平衡事實，樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

例如，在“內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)”的教學中，教師可先讓學生理解內環(huán)境、滲透壓、酸堿度、溫度等概念，再讓學生認識到內環(huán)境的化學成分和理化性質保持穩(wěn)態(tài)，最后讓學生理解內環(huán)境穩(wěn)態(tài)是各器官、系統(tǒng)協(xié)調活動實現(xiàn)的，從而構建有關概念圖（如圖5）。

概念圖的繪制既可以針對某一章節(jié)，也可以針對多個章節(jié)。教師可以通過繪制從分子到細胞到器官（系統(tǒng)）再到個體最后到群體的概念圖，讓學生認識到從微觀層面到宏觀層面均存在穩(wěn)態(tài)與平衡，從而樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

（三）實踐活動教學

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行?！崩碚摻虒W有時候缺乏一定的說服力，而實踐教學往往更加具有說服力。在教學中，教師可設計實踐活動，組織學生進行實踐探究，讓學生認識到生命活動中的穩(wěn)態(tài)與平衡，幫助學生樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

例如，在“內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)”的教學中，教師可以給學生布置測量體溫的任務，讓學生以自己和家人作為研究對象，測量自己和家人一日內的體溫變化。又如在“血糖平衡調節(jié)”的教學中，教師可以將學生進行分組，將各個小組分派到不同的醫(yī)療機構收集有關血糖的數(shù)據(jù)。再如在“種群數(shù)量”的教學中，教師可以安排暑假實踐活動任務，由學生自我分組、選擇調查對象、設計調查方案并進行調查。實踐活動教學能讓學生真正認識到無論是分子與細胞水平還是個人與群體水平，都存在穩(wěn)態(tài)與平衡，提高了學生的科學探究能力，增強了學生學習生物學的興趣。

通過分析發(fā)現(xiàn)，高中生物學教材中存在很多穩(wěn)態(tài)與平衡事實，既有微觀層面也有宏觀層面，各個層面的穩(wěn)態(tài)既有各自獨特的特點又彼此相互聯(lián)系。微觀層面的穩(wěn)態(tài)是宏觀層面的穩(wěn)態(tài)的基礎，宏觀層面的穩(wěn)態(tài)體現(xiàn)微觀層面的穩(wěn)態(tài)。例如，內環(huán)境的組成成分穩(wěn)態(tài)是理化性質穩(wěn)態(tài)的基礎，細胞的結構與功能穩(wěn)態(tài)是個體穩(wěn)態(tài)的基礎。種群數(shù)量保持穩(wěn)態(tài)有利于維持穩(wěn)定的種間關系，而種間關系在維持種群數(shù)量穩(wěn)態(tài)上又有一定的作用。可見，種群穩(wěn)態(tài)又是群落穩(wěn)態(tài)乃至生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的基礎。由于環(huán)境條件的不斷變化以及自身發(fā)展的需要，穩(wěn)態(tài)與平衡永遠是動態(tài)的、相對的，是在一定范圍內波動的，是可以調節(jié)的，當現(xiàn)有的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，則可以通過調節(jié)達到新的穩(wěn)態(tài)，維持新的平衡。在高中生物學教學中，教師需要根據(jù)不同的教學內容與目標，結合實際教學條件，采用不同的教學策略進行教學，讓學生了解教材中的穩(wěn)態(tài)與平衡事實，樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀，并學會運用穩(wěn)態(tài)與平衡觀去解釋、分析生命現(xiàn)象，解決生物學問題，真正理解生命的本質，從而能夠尊重生命、熱愛生命。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］［3］［4］? 朱正威，趙占良.普通高中教科書 生物學 選擇性必修1 穩(wěn)態(tài)與調節(jié)［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［5］? 李振海，李品.高中生物學教學中穩(wěn)態(tài)與平衡觀的培養(yǎng)策略［J］.中學生物教學，2019（合刊1）：15-18.

（責任編輯 黃春香）