利用多角度论题 培养学生系统思维能力

祝嫦巍

[摘 要]随着生命科学的快速发展，信息量迅速增加，学科分支变得越来越精细。可以尝试将细胞生物学的课堂授课内容进行整理，引入核心概念构建知识框架；在教学过程中引入多层次或多角度的论题，利用这些论题将部分知识内容进行整合。这一方面能让学生利用概念把握规律，对于“细胞”作为一个有机整体，在时间和空间上的动态过程有更深入的理解和掌握；另一方面也可以逐步拓宽学生的思维领域，培养学生的系统思维能力。

[关键词]细胞生物学；系统思维；核心概念；知识框架；多角度论题

[中图分类号] G645 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）06-0013-05

一、系统思维

系统科学是20世纪人类社会最重要的科学成果之一，其核心思想就是系统思维（Systems thinking）[1]。系统思维的概念是在20世纪20年代南非政治家史末资（Jan Christiaan Smuts）的整体论（Holism），以及20世纪40年代奥地利生物学家贝塔朗菲（Karl Ludwig von Bertalanffy）提出的一般系统理论（General systems theory）基础上延伸发展而来。系统思维通过考察系统中各个部分组件之间的连接及其相互作用的关系，理解整体系统，进而找出问题所在。系统思维也试图解释为何一个小部件的改变或者一个远距离事件的发生，最终可以导致一个复杂系统的显著改变；系统内一个区域事件的改变可以影响到另一个区域事件的发生。系统内部的信息组织交流在不同层面上发生，可以产生不一样的影响。目前，认为系统思维可以适用于各个领域，如物理学、生物学、社会学、经济学、工程科学、人类健康及医药科学等[2][3][4]。

随着实验科学的发展，人们越来越依赖于实验数据以及数学计算的方法来获得知识和信息。而这些处理方法实际上大多最终归于线性方法或者仅能得出唯一的结论。同时，由于系统的复杂性，从功能主义的整体性进行科学研究还存在一定的困难。这就使得真个系统的整体性在不知不觉中被忽略。而还原论（Reductionism）作为一种化繁为简的研究方法，尤其在生物学的研究中取得了极大的成就。从分子生物学的角度探讨生命的本质，以及生命的规律和机制，可以将生物学的研究推向一个崭新的阶段。但是还原论的胜利并不意味着它解释了生物体的有机性與整体性，生物体的整个系统并不是单个有机分子的简单叠加，而是一个开放的、有序的、有组织、有层次的结构。

虽然整体论和还原论的争论由来已久，但目前的生物学研究中两种策略并不是对立的，而是互补的[5][6]。无论是整理论还是还原论，人们企图理解自然界的愿望是一致的，只是不同观念下的表现不同而已。当今的科学发展也表明，单一的整体论是直观的、猜测性的、缺乏科学依据；而单纯的还原论也只能将我们的认识停留在零碎的事物表面上，缺乏整体观点，只见树木不见森林。因此，在研究中两种观点都是需要的，他们是互补的。

二、细胞生物学教学现状

生命科学在20世纪得到了极大的发展。随着研究内容的不断深入，研究技术极大改进，研究领域也不断拓宽。科学朝着多元化、精细化的方向发展，各个分支学科的研究也越来越细致深入。大学本科生命科学的专业学科分类越来越细化。过去一个生物系或生科院被分为若干部门或学院，而每一个部门或学院的课程只专注于相关的领域。这也是还原论胜利的一种表现。不可否认，对某一领域的专注研究更容易产生有意义的发现和有价值的应用研究成果，这也是现代科学研究的总趋势。而且随着研究内容的拓宽，信息量的迅速增加，一个人也很难同时掌握多个专业学科的系统知识。而此时我们也应该注意到，正是由于科学复杂性的增加，对各个学科分支的接口以及对整体系统的关注有着极其重要的意义。

细胞生物学是生命科学的基础，也是一门综合性的前沿科学。细胞生物学研究与教学内容可分为细胞结构与功能和细胞生命活动两大部分[7]，而它们之间是不可分割的。虽然分子生物学阐述了构成细胞的基础物质（蛋白质、核酸等）的结构和功能，但细胞本身不能孤立存在，它与环境间的各种因子相互关联。细胞的生命过程本身就是一个多层次的事件，而由于其结构与功能的相关性，这又是一个多角度的问题，同时细胞的生命活动是随着时间改变的动态过程。因此，细胞生物学的教学不仅是单纯地描述细胞的各部分结构组成以及相应的功能，同时阐述作为一个有机体，其生长、发育、分化、凋亡等各种生命活动的过程和调控机制。因此，建立细胞体系的整体概念对于细胞生物学的学习和相关知识要点的掌握非常重要，同时这也有助于学生对大自然和生命本质的理解。

文字书籍是平面的。与此相矛盾的是，细胞是一个三维立体结构。因此文字教程很难展示细胞的三维立体结构，更难表述这个三维立体结构随时间变化的动态过程。这是目前教材建设和课程讲授的一个难题。目前，所有的本科细胞生物学课程以及教材[8][9]只能将内容分成章节，逐一讲述。教师在教学过程中由于受到教材中章节划分的影响，容易忽略细胞生物学的整体性。而学生由于初次接触陌生的知识，很难在短时间内将各部分内容融合为有机的整体。因此，在授课过程中存在诸多难点，如细节多、知识点分散、前后连贯性和逻辑性不强等，还会导致学生记忆、理解的困难，严重者可能会造成学生学习的恐惧心理或者导致学生自暴自弃。

在我国，大学教育实行的是专业教育，旨在培养掌握一定专业知识和技能的专门人才。素质教育虽然被强调很多年，但目前整体的教育环境，以及现行的教育体制、结构、人才培养模式以及教学内容、教学方法上都与培养现代化建设需要的创新人才有较大差距[10][11]。但是教育环境不是通过某个教师或某个学校的努力就可以在短时间内改变的，这也是素质教育一直停留在口号阶段的主要原因。虽然教育环境不尽如人意，但“融素质教育于专业教育中”一直是高等教育努力的方向，我们应培养具有积极的人生观和价值观、良好的自我学习能力、面对问题敢于思考和勇于突破的创新性人才。

人类大脑对于信息的处理加工是一个自然的过程，虽然我们现在还不能从生物学本质上解释这个过程是如何发生的。但是我们有能力将我们感受到的点点滴滴的信息和知识与我们过去的知识经验联系在一起，形成新的、更大的数据系统或者认知体系[12]，进而逐渐形成经验和能力，以及人生观和价值观。这也是教育和学习可以在人类社会开展的一个本质原因。也就是说，即使没有刻意的引导，学生也能进行自我学习，并在长时间的思考过程中总结经验、发现规律。问题在于这样的学习过程，信息量积累速度非常慢，学生用来总结经验所花的时间也会非常长。此时我们看到教育的意义所在，由于有学校和教师的存在，其可以为学生提供更多的知识信息的来源，在一系列强化训练和教师的引导下，学生可以迅速积累知识，认清事物之间的联系，缩短认识时间，积累经验，提高系统思维能力[13][14]。教育和学习是一个事物的两个方面。在这个过程中，教师的作用是提供系统的、丰富的知识，而学生的任务是将尽可能多的知识“化为己有”，形成个人的经验和价值体系。而“如何教”和“如何学”则最终体现为学习效果。

三、细胞生物学授课内容整合

我们尝试将细胞生物学的课堂授课内容进行整理，引入核心概念构建知识框架，将教学中相对分散的知识点进行归类，帮助学生建立系统的知识体系。同时在教学过程中引入多层次或多角度的论题，利用这些论题将不同章节的知识内容进行串联，从整体的角度理解和认识细胞这一复杂的有机体系。核心概念简单明了，可以让学生利用概念把握学习规律，这不仅有利于学生对书本知识的掌握，同时也有利于培养学生的自学能力。同时随着知识的学习，这不仅可以逐步拓宽学生的思维领域，让学生认清事物之间的逻辑关系，还能培养学生系统思维的能力。

（一）知识框架的构建

我们使用的教材是翟中和主编的《细胞生物学》（第4版）。这是一本非常优秀的教材，内容涵盖细胞生物学的各个方面，既有详细的内容讲述，也含有大量的研究进展。书中采用大量的实验照片，动画图片的制作也非常精良，这对学生建立想象空间以及对细胞体系的理解是非常有益的。因此，我们没有改变授课内容，而是尝试性地将内容进行归类整合，提出核心概念，引导学生把握规律，在基本概念的基础上添枝加叶，既有对系统的宏观认识，同时随着学生知识的增加，他们也可以逐渐把握细节。

如前所述，细胞生物学的研究对象是细胞，而细胞是一个复杂的三维立体结构，并随时间发生改变。其涉及范围广，知识点多，细节复杂，初学者较难驾驭掌控。最初将知识进行整合的目的是减轻学生对细胞生物學学习的恐惧心理。本书共17章内容，学生在拿到教材的时候，内心的感受就如我们第一眼看到最复杂的中国地图一样，无从下手。我们在思考如何进行教学的时候，简单明了的省份图给了我们一些启示。我们可以将复杂的细胞生物学内容进行区域划分，并使用几个核心概念对该区域内容进行命名，以便学生进行归类查找。我们的做法是在“细胞生物学”这个大的、整体的概念下，选择利用几个简洁明了的核心概念概括细胞生物学的研究学习内容（如表1），在教学过程中强调对核心概念的认识和理解。从而使学生能够在整体上对细胞生物学进行掌控学习。这既能理清脉络，也不会让学生因为烦琐复杂的细节丧失学习信心。同时，强调各个核心概念之间的连接和相关性，能使学生在把握全局核心的基础上，对知识细节进行深入学习。

在操作过程中我们发现这样做的确可以降低学习的复杂性，增强学生对知识学习的掌控感，有助于增强学生的自信，并且更能在整体上让学生理解和掌握细胞生物学的知识内容。同时，这样做还有助于培养学生的系统思维能力。一旦学生能够掌握这种思维方式和学习方式，对于生物学其他课程的学习也有一定的帮助作用。事实上，随着科学的发展，信息量的增大，教师不可能教会学生学习每个知识细节，教师应培养和锻炼学生的自学能力。因此，应搭建学习框架，培养学生的思维能力，让学生能够沿着框架自我攀爬，同时逐渐引导学生掌握规律，把握方向，让学生逐步走向自我拓展学习和终身的教育学习。

在这个框架下工作不仅有利于学生在宏观上把握细胞生物学的知识，对于教师的课堂授课也是有益的。尤其对于新教师，这些概念框架可以加快教师对授课内容的整体把握，针对学生的专业背景、教学要求进行适当的调整，因地制宜地开展教学工作。知识框架的搭建方式可以有很多种，概念的引入也可以是多角度、多层次的。目前，这部分工作仍在探索过程中，究竟哪些名称概念能够更加清晰明了地构建一个体系框架，既有助于学生理解细胞和生命，也能为学生以后的自我拓展学习搭建平台，还不得知。

（二）多层次多角度论题的设计

细胞是个多层次非线性的复杂体系，通常情况下，一个细胞事件的发生会引起一系列的反应，涉及多个组织器官的功能执行以及相互间的协调工作。诺贝尔奖得主Thomas Südhof说：Timing is everything。用以形容细胞内各种功能执行的精准，以及基因表达调控的严格。但由于学生单线思维的习惯以及知识体系的限制，对于“细胞的表型是基因在时间和空间上有序表达的结果”这样的语句仅仅停留在字面意思的理解。因此，我们在课堂授课内同中增设了涉及多个章节知识点的讨论题目，将相关内容进行串联，帮助学生构建细胞内的三维立体结构，同时训练他们的多角度、多层次的系统思维能力。因为细胞本身是一个有机整体，各章节的内容都可以通过某些线索相互关联。授课教师可以根据课堂以及学生的具体情况对题目进行灵活调整，题目可大可小，在此仅举几例。

膜泡运输：此部分为教材中第8章第2节的内容，书中主要介绍三种有被小泡（COPⅡ、COPⅠ、网格蛋白）的组装及其介导的转运途径。以此为出发点可以进行不同主题范围的拓展讨论。按照膜泡运输的过程将讨论内容分为几个部分，包括货物的被选择、膜泡的组装、膜泡的运输、在靶细胞器的停留、囊泡膜及相关蛋白的回收等。而物质运输系统同时依赖于细胞骨架与马达蛋白的功能执行，并消耗能量。这是一个涉及多个细胞器的功能相互协调的工作，同时也是一个随时间变化的动态的过程性事件。这个事件可以将教材中第4、6、7、8、10等章节相关的知识点进行联系。这一方面可以帮助学生理解和掌握教材中的各个知识点，另一方面这个事件也可以帮助学生形成“时间和空间有序性”的概念，这对于理解细胞和生命的本质有着重要意义。

另外，也可以在细胞结构体系的不同的层次上进行讨论：1.脂类、蛋白质等大分子物质的结构及其特性是各种细胞事件发生的物质结构基础；2.在真核细胞内，形成了以膜为基础的，具有特定结构和功能的细胞器，而膜的流动性和自组装特性也是进行生命活动的前提；3.在特定的时间和空间内，具有特定功能的蛋白质与生物膜相互作用，或蛋白质与蛋白质相互作用，完成细胞器的特定功能；4.各个细胞结构体系间的相互协调与配合，表现出整体细胞的生命活动；5.所有的过程都是被精准调控的。

癌症：这是一个热门话题。与这个话题有关的关键词非常多，比如信号转导、细胞周期、细胞凋亡、细胞分化、DNA损伤修复、干细胞、基因突变、免疫应答等。这在教材中也对应于多个章节的内容，教师可以引导学生进行不同角度的讨论。多角度的讨论可以逐步加强学生对“调控网络”的认识。细胞内部的信息就像一个庞大的数据库，基因与表型间不仅存在一对一的关系，也还有一对多、多对多等多种关系。教材中第314页图14-图16总结了与肿瘤发生相关的细胞信号调控因子参与的各种信号通路。第9章细胞信号转导中也介绍了目前研究较多的与肿瘤发生相关的信号通路，关于肿瘤的研究进展迅速，教师可以选取一些最新的研究发现和研究进展，与不同章节的相关内容进行关联讨论。同时肿瘤也是一个生活话题，有很多话题可以加入讨论内容，这既可以丰富学生的知识，开拓学生的视野，也可以加强学生的文献检索和阅读能力。

进化：细胞的起源与进化是一个非常有意思也是一个难度很大的课题。教材中虽未辟出专门的章节进行讲述，但在很多地方提及相关内容。例如第2章中古细菌的相关内容以及病毒的进化，第6章中线粒体与叶绿体的起源与进化等。以当今的科技手段，细胞的起源仍是一个无法考证的问题，但进化的观点已经被接受，其思想也深入社会生活的各个领域。我们在第1章和第2章相关内容讲述的同时强调进化的概念，因为进化是细胞具有统一性的前提，也是生物多样性的基础。同时进化是一个可以将整个生物系统进行关联的概念，讨论的范畴也可以从分子到细胞，再到有机体，再到整个生态系统的变化。

四、结束语

无论是用核心概念构建知识框架还是设计跨章节内容的论题，我们强调细胞作为一个有机体所具有的系统性和宏观性，在讲述知识的同时引导培养学生建立系统思维的能力。随着学习的不断深入，学生逐渐掌握学习和思考的方法，将逐渐增加的知识细节填充到相应的概念框架中，不断地将信息进行归纳总结，形成自己的认知体系。通过多角度论题的讨论，可以让学生逐渐改变过去 “以题目为纲领进行背诵”的学习习惯，形成“以问题为导向进行思考”的习惯，逐步改善学生过去的因果关系定论和线性的思维方式，让学生形成全面的、整体的系统思维模式。

细胞生物学是一门基础科学，其研究内容的范围非常广阔。近年来随着技术的不断发展，细胞生物学的研究进入了一个新的阶段，新的成果不断涌现。这对于发培养学生对生物学的研究兴趣，以及对生命的认识都有极大的帮助，但这也在某种程度上增加了学生学习的难度。虽然在中学期间学生已经获得很多的生物学基础知识，但专业的、系统的学习细胞生物学的知识仍是首次。因此，作为生物学基础课，我们强调基本概念、基础知识和基本理论的学习。而教材是学生学习过程中的第一手材料，因此我们的工作紧紧围绕教材的内容进行编排，使其更加概念化，但不脱离教材，让学生既能了解概念，同时也能在书中找到详细的描述。在此基础上，引入部分的学科发展的前沿和最新的研究成果，引导学生将研究成果与已有的知识和理论相结合进行思考，从而提出新的问题和假设。

进入21世纪以来，科学以更快的速度发展，学科分支越来越细，学科间的交叉变得越来越网络化。在科学变得越来越复杂的情况下我们该如何开展教学工作？各种专业改革、课程整合，各种教学手段和教学方法，包括网络课程、翻转课堂、PBL教学等都在进行不断摸索尝试[15][16][17]，以适应当今科技的发展和教学的需求。然而一门课程的学习时间是短暂的，无法教会学生所有的知识点。而学习的过程是终身的，因此要帮助学生建立自我学习的良好习惯。通过优化教学内容，构建知识框架，逐步培养学生的系统思维能力，这对于学生以后继续深入学习，或向其他专业学科进行拓展学习都是有帮助的。但目前仅就细胞生物学这门课程而言，究竟使用哪些概念构建知识框架更有利于全面概括细胞生物学的教学研究内容，这仍是一个值得深入探讨的问题。

还原论和整体论之争，无论谁胜谁负，都不会减少人类理解自然界的企图和愿望。事实上，这两种理论在我们的工作生活中是辩证统一、互补通融的。正如近年来“组学（Omics）”研究的兴起[18][19]，人们又开始逐步将视线转到对整体系统变化的研究中，而这样的研究一方面需要对大数据进行分析处理，另一方面仍要对单个基因以及蛋白功能進行研究。正所谓“大处着眼，小处着手”。同样的道理可以借用到教育教学中。培养具有积极的人生观、良好的自我学习能力、敢于思考和勇于突破的创新性人才，需要站在一个全局的高度，进行整体的思考和谋划。而改变则是要从点点滴滴的小事做起。学习习惯和思维模式的改变是困难的，创新的能力也不等于奇思妙想。这是靠努力和时间，一点点累积的结果。而我们现在的大学生普遍缺乏系统思考的能力。大学生很容易只顾眼前利益，忽视长远发展，面对复杂问题“只见树木不见森林”，不能从全局出发解决问题[20]。这也是造成大学生人力供给与社会需求不匹配的一个重要原因。这就要求我们的高等教育工作者要付出更多的思考和努力，在“传道授业解惑”的同时，引导学生积极思考，让学会自我学习，学会收集整理信息，学会从海量的信息中“抽丝剥茧”提出问题。

人类是具有逻辑思维能力的。我们可以将已有的知识经验进行总结，并按照一定的方式进行推理加工，最终形成个人的价值和观点。思维能力存在个体差异，针对相同的信息，每个人的关注点不一样，对信息的加工处理方式也不同，这最终导致个体的行为差异。这部分可能与基因相关，是我们不能改变的。但同时我们也应该注意到环境与基因的相互作用，这也是教育的意义所在。对于大学生来说，大学是他们思维系统和价值体系形成的重要阶段。因此，在大学期间进行系统思维能力的培养至关重要。而教师在这个环节中的作用不仅是提醒学生培养思维能力的重要性，同时还要设计情境，引导学生在情境中体会系统思维的意义。

知识信息的高速发展给高等教育提出了更高的要求。在复杂的科学面前该如何进行教学，如何构建一个逻辑性强的、相对完整的知识体系，如何将复杂的事物清晰明了地展现给学生，这是一个复杂的问题。针对不同学校、不同专业、不同学生，方法可能是多种多样的。例如，目前很多学校都在尝试开展课程整合以及模块化教学[21][22]，其主要目的也是整合概念，搭建平台，减少重复性学习和复杂性学习。其他各种专业改革、教学手段和方法等都在进行不断地摸索尝试，以适应当今科技的发展和人才培养的需求。我们的工作也在不断地尝试和摸索阶段，中间存在很多不足，但其思路和方向获得了师生的肯定，是值得尝试推广的。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：陈 明]