逍遥学能 2014-02-19 10:53
摘要：高中生物课程涉及生命系统的复杂性，高中生物教学系统的一个显著特征也是它的复杂性。复杂性科学的新进展为我们研究高中生物课程与教学系统的复杂性提供了新的视野与方法论。基于复杂性科学的基本观点，高中生物课程涉及生命系统的复杂性主要表现为：生命的非线性、自组织性和系统性。高中生物教学系统的复杂性主要表现为：教学目标的不确定性与非预期性；教学过程的非线性和突现性；教学内容的动态性与生成性；教学方法的无序性与互动性。
关键词：高中生物课程 复杂性 复杂性科学 教学系统
高中生物课程涉及生命系统的复杂性,高中生物教学系统的一个显著特征也是它的复杂性。然而，传统生物课程对生命系统的复杂性和生物教学的复杂性缺乏认识与研究。传统生物课程教学由于采用线性的、还原论的思维方式对教学过程做一种静态的分析，忽视了对于教学过程的发展与变化的理解与研究，缺少对于教学内容的复杂性与不确定性的探讨。近年来，“21世纪的科学”──复杂性科学的兴起，为我们认识和研究高中生物课程与教学系统的复杂性提供了一个全新的方法论视角。
一、复杂性科学及其方法论原则
复杂性科学是20世纪80年代在国外兴起的研究复杂性与复杂系统的综合性科学。复杂性研究的主要目的在于揭示复杂系统内部诸要素之间的相互作用，以及系统与其运行环境之间的相互作用所导致的系统的整体性质和自组织进化机制。复杂性科学研究事物的复杂性，认为“复杂性来自混沌与秩序的边缘，复杂系统的复杂性表现在系统的组分之间或子系统之间，以及系统与系统运行环境之间，有着很强耦合作用，具有难以线性化的非线性性质。”［1］具体地说，复杂性科学揭示了如下方法论原则。［2］
●非线性。形象地讲，“线性”和“非线性”的区别在于：“线性”是指在坐标系上，其图象呈现一条直线，“非线性”是指若用同样的方法来描述一个复杂系统，其图象会是一条曲线。非线性动力学（nonlinear dynamics）指出，在复杂系统中，由于各要素相互联系、彼此影响，任何微小的变化都可能对整个系统产生影响。也就是说，复杂系统的发展具有太多的不确定性，这就使得过去我们所依赖的简单性原则在科学上的理解发生了根本性的变化。
●系统性。传统的科学领域推崇还原论（reductionism），把明显的“整体”还原为具体的部分，并强调这些部分对整体的作用，希望通过了解部分来揭示整体的运作规律。但复杂性科学诞生后，人们发现由于系统在变化过程中经历了突现、非线性变化，整体具备了新的、复杂的特征。与此相应，人们认识事物的视角也由机械、简单向系统、整体论（holism）发展，以揭示复杂系统的新的本质。
●混沌性。所谓混沌（chaos），是指在复杂系统内部，随着非线性的增强而呈现的一种不规则的有序现象，即无序中的有序，是复杂的秩序化。被科学界称为洛伦兹吸引中心的非线形系统“相位空间”图（有时也被称为“鹰眼”或“碟翅”效应问题），被看作是混沌科学的代表。它向人们形象地反映了复杂系统混沌运动的特点：对初始条件的敏感性和内在的不确定性。混沌理论告诉我们，在一个发展的复杂系统中，我们无法预测任一给定时刻的变化，无法预测这种变化何时发生，只知道它会发生，其模式是随机的但体现出一种模式。法国哲学家埃德加·莫兰在其著作中也指出：世界既不可能是纯粹有序的也不可能是纯粹无序的，因为在一个只有无序性的世界里任何事物都将化为乌有而不可能存在，而在一个只有有序性的世界里万物将一成不变，不会有新东西发生。所以，世界的基本特征是有序性和无序性的交集。
●自组织性。1977年诺贝尔化学奖得主普利高津（Ⅰ.Prigoginer）指出，复杂系统再构的转化性变化不会发生在系统平衡或接近平衡的状态之时，而是发生在系统能量大量耗散的过程中。现代主义者认为“熵”的发展是不可抵抗的，是单向的，并逐渐变大以至于能量耗尽而最终消亡。但是在复杂科学视角下的系统具有“逆熵”（negentropy）而进的自组织性，即系统自身要生存，必须发生大量的耗散。复杂系统在大量耗散能量的同时产生新的能量，以维持系统的存在和平衡。
由此可见，复杂科学是对线性的、机械的、还原的现代科学的深刻反思与超越，其关注整体、重视复杂性的主张引起人类思想领域的一次重大革命，这个革命的性质是以整体性的综合思维方式代替原子论和还原性的思维方式。正如一般系统论的创始者贝塔兰菲所言：“它是应一般科学……的需要而对它们进行重新定向。它已经在许多领域中取得了不同程度的成功和成果，并预示了影响重大的新的世界观。”［3］用复杂性的方法论视角来考察高中生物课程与教学问题，无疑对重新认识高中生物课程知识涉及的生命的本质以及高中生物教学的特征，对重建新的教学观具有重要的指导意义。
二、复杂性视野中的高中生物课程知识
高中生物新课程的必修课内容包括以下3个模块：生物1：分子与细胞；生物2：遗传与进化；生物3：稳态与环境。［4］必修部分是现代生物学的核心内容，揭示了生命系统的本质和特征，对于提高学生的生物科学素养具有巨大的作用。从复杂性视角解读这3个模块，“分子与细胞”主要体现了生命的非线性与复杂性；“遗传与进化”主要体现了生命的自组织性；“稳态与环境”主要体现了生命的系统性。
（一）生命的非线性与复杂性
在“分子与细胞”模块中，选取了细胞生物学方面的最基本的知识，是学习其他模块的基础。通过本模块的学习，学生将在微观层面上深入地理解生命的非线性与复杂性本质。了解生命的物质性和生物界的统一性，细胞生活中物质、能量和信息变化的统一，细胞结构与功能的统一，生物体部分与整体的统一，等等。
生命系统的典型特点是非线性，即整体不等于它的部分之和。也就是说，生命系统的行为不能通过简单地迭加构成系统的成分而推导出。这种非线性特征的分子基础是，各种生物分子如基因和蛋白质之间存在着广泛而复杂的相互作用。一个生物个体通常拥有成千上万种基因，例如最简单的单细胞生物酵母就有6千多个基因，而人的基因数量估计在3万个以上；至于基因产物──蛋白质的种类和数量更为庞大。这些生物分子从不孤立地进行活动和执行生物功能，相互之间有着直接或间接的联系。这些联系可能是物理的方式，也可能是化学的方式。正是这些相互作用导致了生物体形形色色的网络，如基因转录调控网络、信号转导网络或代谢网络。因此，生命的所有活动都建立在这些网络的结构和功能之上。
生命现象是复杂的。细胞是生物体结构与生命活动的基本单位。由于分子生物学的发展，细胞生物学的研究也达到了分子水平。分子生物学试图借助于认识构成生命的分子基础如蛋白质和基因等，进而认识细胞或个体的活动规律。虽然分子生物学在近半个世纪取得了极为显著的成就，但是它并没有完全揭示出生命的奥秘。其原因可能在于它研究的生命复杂性层次仅仅处于“线性”思维和还原论水平上，这对于许多生命现象的复杂性是难以解释的。借助于复杂性科学的研究，当代生命科学认识到，生命的复杂性体现在很多方面，比如生物组成成分与结构的复杂性，组分之间的相互作用的复杂性，细胞生化代谢途径和信号传导过程的层次与次序的复杂性，生命系统与环境相互作用形成适应性的复杂性，细胞癌变与衰老的复杂原因，等等。当代生命科学运用复杂性理论来解释这些问题，引入了很多新名词来描述这些复杂性，比如自组织、自稳态、涌现、开放性系统、网络总和等等。在此基础上开发出的新兴的生命科学分支显示出生命科学最新的发展趋势，如功能基因组学、蛋白质组学、数学生物学、系统生物学等。［5］
（二）生命的自组织性
在“遗传与进化”模块中，选取减数分裂与受精作用、DNA分子结构及其遗传基本功能、遗传和变异的基本原理等知识，主要是从细胞水平和分子水平阐述生命的延续性（自复制）和自组织性；选取现代生物进化理论和物种形成等知识，主要是阐明生物进化的过程和原因。从复杂科学的视角看，遗传与进化是生命的本质特征之一。当代人工生命研究者根据复杂性科学与系统科学的观点，认为生命的主要特征是：（1）自复制；（2）进化；（3）自适应。超循环理论的创始人艾根（M.Eigen）曾经指出在生物学界有三条“经典的”生命标准：［6］（1）自我复制──以保存生命信息，尽管有平稳的破坏；（2）变异性和选择──以扩大信息量，为某种价值标准造成某种倾向；（3）代谢作用=自由能流──以补偿平稳的熵产生。艾根认为，这些标准肯定是必要的，但对于描述“生命”现象，它们未必是充分的。我们认为，艾根从系统科学和复杂性科学的视角看问题，探讨了生命的功能和信息方面的特征。强调了生命是自复制、自适应、自组织的开放信息系统，它具有进化、对环境作出反应、不断自我更新的属性，这对于理解生命的本质有积极意义。总之，复杂性科学帮助人们冲破了过去对生命本质认识的局限性，使人们从系统的角度、开放性的角度、信息论的角度重新审视生命。
（三）生命的系统性
在“稳态与环境”模块中，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活动的本质。从复杂科学的视角看，“稳态与环境”模块中的知识结构是按照系统思想建构的。它反映了生命的系统性和调控性。稳态是生命系统的一种状态，指个体内环境理化性质的相对恒定的状态，存在于生命的各个层次上，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，都处于稳态。生命系统的稳态实际上是一种动态平衡。一方面这种稳态由于内部代谢过程和外部环境因素的影响而不断遭到破坏，另一方面，通过一定的反馈调节机制，又使生命系统恢复新的平衡。生命系统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发展的。以生态系统为例，生态系统是一个开放系统，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我调节能力，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。总之，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”模块以“系统”这个本体论的概念为核心概念，以“稳态”“环境”和“调节”三个科学概念把生物个体水平和生态水平的要素、行为、稳定和发展等逻辑问题统一了起来。［7］
三、复杂性视野中的高中生物教学特征分析
从复杂性科学的视角看，高中生物教学是一个由教学目标、教学过程、教学内容、教学方法等要素构成的复杂的开放性系统，它具有如下一些复杂性特征。
（一）教学目标的不确定性与非预设性
从复杂性科学的视角看高中生物教学系统，我们将会发现，生物教学目标具有不确定性与非预设性。教学过程中总会有大量不期而遇的问题，学生的差异和思维是难以预料的，课堂中的“非标准思维”甚至会完全打乱原有的教学设计，使预先设计的教学目标无法完成。教学中还大量存在着偶发事件，它们是“教育过程中的偶然、个案、情境，得不到‘规律’的支持。但它集中体现了教育的‘复杂性’”。“教学过程的真正推进及最终结果，更多由课的具体行进状态，以及教师当时处理问题的方式决定。从这个意义上可以说，一个教师虽然教同一门课，面对同一批学生，但他在每节课上所处的具体情况和经历的过程都并不相同，每一次都是唯一的、不可重复的、丰富而具体的综合。”［8］
教学目标的不确定性与非预期性的根本原因在于，教学系统是涉及人（教师与学生）的系统。人作为一种具有高级思维能力和复杂情感的社会化动物，是一个非线性系统，这个系统中存在着大量不确定因素。例如，学生认知结构变量、学生的学习动机、学习策略的选择，以及教师自身的情感因素、教师对教材的呈示方式、教师所采用的教学策略等都存在着复杂的多维的关系。特别是随着学生在课堂教学中角色与地位的改变，学生将逐步由教学的“边缘”走向教学的“中心”，教学目标将随着人的身份的变化而变化，那种预设的教学目标将会变成教学展开与发展的一种束缚和阻碍，所以说，在复杂性思维的视野中，教学目标必然是不确定性和非预设性的。
（二）教学内容的动态性与生成性
从复杂性科学的视角来看，生物教学活动具有动态生成性。教学的动态生成性“是指在师生交往互动的教学活动中，教师以即时出现的有价值、有创见的问题和情境或观点为契机，善于调整或改变预先的教学设计，挖掘学生的潜能，引发学生深入思考，充分展现学生的个性，从而达成或拓展教学目标，使教学获得成功。”［9］所谓教学内容的生成性，就是指教学内容不是给定的，而是在弹性的教学预设前提下，在教学双边活动中，在特定的教学环节的特定教学情境中，师生自主构建教学活动，并以探究、体验、体悟、思辨的方式自主建构教学内容。换句话说，是指学生在与环境（包括文本）的对话中主动建构教学内容，因而教学必定是一种师生共同参与生成新知的过程，是一种师生共同建构和创生意义的体验性过程，是一个师生积极合作和对话交流不断实现“视界融合”的过程。这种动态生成的课程内容应具有探究性，应减少单一性增加问题性，减少确定性增加情境性，提供探究的空间与资源，以促进学生进行科学探究，进而培养学生的探究能力和创新精神。为了体现教学内容的生成性，高中生物新教材强调实验，倡导在生物教学中开展探究性学习 ，为此，在高中生物新教材中，实验内容占的课时数大大超过了传统生物教材的课时数。实验内容遍及各章节，实验涉及的具体方法有生物技术、理化技术、观察、测量、比较、计算等。而且，高中生物新教材中的实验大多数是探索性实验。教材提供操作程序和图，但不说结论，由学生独立操作进行研究，通过讨论得出结论，自主建构知识。
（三）教学过程的非线性和突现性
课堂教学是一个非线性系统，课堂教学中一个偶发事件或对教学目标的微小偏离，都会导致教学系统的巨大变化，这就是非线性系统所特有的初始条件敏感性。教学过程的非线性特征，要求教师在教学设计时要认真研究教学内容和学生的初始条件，精心设计教学过程的每一步骤、每一环节及过渡，及时、灵活地调整教学方案，保证教学总体目标的达成。其次，教学必须考虑学生的实际情况，针对学生的个性，创造性地运用各种方法，以期取得最佳的教学效果。
传统教学认为教学过程是一种教师主导下的学生掌握知识的认知活动，它是按教师预先设计好的程序平稳地进行的活动。复杂性科学对教学过程提出了全新的变革，即复杂思维下教学过程不再是一种平稳过渡的形态，而成为一种不断自我超越的过程，这就要求在教学过程中持有一种突现思维。突现是事物从一个发展阶段过渡到另一个新阶段的交接点，是事物发生状态变化的关键点。普利高津认为 高中地理，复杂系统再构的转化性变化不会发生在系统平衡或接近平衡的状态时，而是发生在系统能量大量耗散的过程中。在课堂教学过程中，由于教师、学生、课程以及教学环境都是复杂的、不确定的系统，在其发展过程中都会有不同的突现点出现，教师应该根据课程和学生的特点，对这些突现点加以重视、发现、利用与设置，以保证教学的连贯性，并引导学生自己发现和创新。［10］
（四）教学方法的无序性与互动性
在复杂性科学看来，教学过程与方法既是有序的，又是无序的。所谓教学方法的无序性，是指教学活动中师生、生生之间的既独立又依赖的互动、交流、思维的碰撞与共生、共享关系，导致了教学的管理、程序、秩序、纪律等偏离常规，从而表现出易变性、无规律性、随机性和偶然性。教学方法的无序性主要来自课程教学中随机性事件和人与人的互动性。“教学过程由师生之间和生生之间的互动构成，而人的复杂性使主体间进行信息交流时可能会出现障碍，也使教学过程蕴含了一些偶然的、不可预见之因素，从而导致了‘无序’的必然存在。”［11］教学中的人际互动主要“包括教师与全体、部分或个别学生之间的不同性质的互动，也包括学生个体间、个体与小组或全班、小组与小组间多边和不同性质的互动”。［12］总之，无论是师生互动还是生生互动，都是为了教学的理解和课程的生成，正是由于教学中复杂的人际互动，才使教学方法表现出无序性，正是通过这种人际互动，才能达到交往、合作与沟通，实现视界的“融合”，从而促进知识的建构和学生主体性的生成。
高中生物新教材为了体现互动性，在教材中安排了大量要求师生互动、生生互动的内容。例如，在“问题探讨”“探究性实验”“资料分析”“思考与讨论”等栏目中都特别强调讨论这一环节。许多讨论题本身就是开放性问题，只有通过师生、生生互动与讨论，才能达成共识，促进知识的建构。
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自《课程·教材·教法》2006年第7期