深度学习实现系统论视域下稳态与平衡观的建立

吴开其　张晋

摘要 在系统论视域下，借助高阶思维产生、知识结构化、变式、迁移和应用的深度学习，从而建立适合稳态与平衡分析的开放系统模型，并在模型统摄下使得稳态与平衡观得到显性化地内生、演绎、外延和丰富。

关键词 深度学习 系统论 稳态与平衡 生命觀念

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

深度学习是学习科学发展的自然产物，其强调学习的内涵、品质和深度，这与“核心素养”关注的必备品格和关键能力一脉相承。稳态与平衡观是生物学学科核心素养中重要的生命观念，这一抽象的大观念建立自然离不开深度学习。鉴于“稳态与平衡”重点分析对象是生命系统，为此结合系统论观点，对高中生物学相关内容进行凝练，通过教学实践呈现以下复习方案。

1 “高阶思维与结构化”：建立开放系统模型

稳态与平衡观需要将生命系统放在与外界环境的相互作用中来理解，要理解不同生命系统内部的自动调节机制实现系统的动态平衡。在必修3的第一课学习中，教师可将学生对生物学产生的相应问题放在开放系统中进行分析，并试着建立有助于生物学问题分析的开发系统模型。

1.1 触发思考

教师引导学生回顾“生物体维持pH稳定机制”的实验：向缓冲溶液中滴加盐酸溶液，溶液pH减小得很少。教师将该实验及问题情景用图像独立出来，即在实验某一时刻，向试管中缓冲液里逐滴滴加一定量的HC1溶液，溶液中H⁺浓度的变化情况应该是怎样，要求学生结合所学的化学知识进行解释，鼓励学生采用跨学科知识解决此问题。

1.2 类比推理

教师鼓励学生大胆类比：若将人体的内环境液体看作是一个缓冲体系，当身体乳酸增多使得H'浓度增加到相同量，H⁺浓度变化又是怎样？引导学生结合所学知识分析，并让学生在黑板上画出H⁺浓度变化曲线。

1.3 理解批判

教师引导学生思考类比推理的科学性：联想饭后人体血糖浓度变化情况，推理剧烈运动造成的身体内H⁺浓度变化曲线，并进行修正。教师给出提示：一方面内环境中某种成分的增加是渐变的过程，体内生化反应复杂且缓慢;另一方面，内环境的成分应该处于动态平衡，即经过调节后某成分水平应该是围绕某个水平在一定范围内波动，类似于发高烧时温度升高是一过程，且经过调节后，人体体温最后会围绕37℃在一定范围内波动。

1.4 综合建模

经过前面的铺垫，学生能体会到内环境作为开放系统，起到的缓冲作用。教师再引导学生从系统内部组成和关系和系统内部和外界关系进行构建一个开放系统模型，如图1所示。接着，引导学生综合分析：若将内环境视为一个开放系统，则其特点有哪些？可从内部组成、内部要素或子系统之间的关系网络、内环境与外界其他系统或要素的关系分析。由此，让学生体会到内环境乃至内环境内外各种开放系统，进而让学生自主展开对建构的开放系统模型演绎的深度学习。

2 “结构化与变式”：模型统摄下稳态与平衡观显性内生和演绎

借助上述所建立的开放系统模型，结合系统论中与稳态与平衡紧密相关的基本原理和基本规律，如整体性原理、系统的开放性原理、系统的稳定性原理、结构与功能先关律、信息反馈律、演化与突变律和竞争协同律等，进一步分析其他生命系统。

2.1 对细胞生命系统稳态与平衡分析

①分析细胞的内部要素或子系统及功能。例如，说出遗传物质、蛋白质、线粒体、核糖体和内质网等，并能说出其功能，再围绕生物膜与细胞器，细胞核、染色体及基因，细胞质基质及细胞骨架三个方面，总结这些结构的组成和特点。

②分析细胞系统内部存在的关系。例如，通过中心法则构建出的基因、蛋白质等之间的关系;又如，按照物质和能量流动结合光合作用和呼吸作用，梳理出叶绿体和线粒体之间关系。

③分析细胞与其他系统或要素之间关系。例如，首先让学生回顾细胞与细胞之间的3种信息交流方式，再让学生举例说明信息分子作用于靶细胞发生的调控，如激素作用于靶细胞，神经递质作用于突出后膜。

④分析细胞系统及其要素的演变。例如，整个细胞系统整体进行着等演变，也离不开遗传物质对细胞增殖、分化、凋亡、衰老的调控。基因突变而引起的细胞癌变也说明稳定的开放系统会发生突变。

2.2 对个体生命系统稳态与平衡的分析

①分析构成个体的内部要素或系统及其功能，如呼吸、消化、循环、神经、免疫、内分泌等系统配合实现的神经调节、体液调节、免疫调节。

②分析个体系统内部存在的关系，以体温调节和渗透压调节为例，重点复习机体稳态维持的调节机制神经一体液一免疫调节网络。

③分析个体与其他外界系统或要素之间关系，重点复习外界因素影响机体稳态失衡和导致相应神经、体液、免疫失调。例如，外界温度对机体平衡的影响，射线、致癌物质、类激素食品、毒品等对个体的影响，细菌、花粉、灰尘、感冒病毒、HIV病毒对个体稳态的影响。

④分析个体系统及其要素的演变，主要涉及发育生物学内容，分析个体从受精卵、性成熟个体、死亡的过程，完成生长、发育和繁殖活动。由于高中新版教材没有将其作为重点，教师可作适当补充。

2.3 对生态系统稳态与平衡的分析

①分析构成生态系统的内部要素或系统及功能。一方面，分析生态系统内部的一些子系统及其特征，如种群系统的组成特征和数量上的动态平衡，群落的组成及空间结构。另一方面，从生态系统的组成生成者、消费者、分解者和非生物的物质和能量分析。

②分析生态系统内部系统或要素存在的关系。一方面主要分析子系统种群数量变化的影响因素，子系统群落内部群落之间的关系。另一方面主要借助生态系统成分之间物质、能量和信息的交换，分析生态系统组成之间的关系。

③分析生态系统与其他系统的关系，让学生站在生物圈的角度思考“同一个地球”和“只有一个地球”的话题即可。

④分析生态系统及其要素的演变，可以从生态系统整体在时间和空间的演变，从基因频率、生物进化角度分析其要素变化，从生物进化历程角度纵向分析各时期生态系统多样性的改变等角度分析。

3 “迁移与应用”：外延并丰富稳态与平衡观

从深度学习看，“迁移”是经验的扩展与提升，其存在于学习活动的闭合处，是学习开始的端点：“应用”是将内化了的知识经验操作化、直接化过程，将符号转为实体、从抽象到具体的过程，既是上一个环节学习结果在此处的“应用”，又通过“应用”开启着新的学习。教学过程需要将问题持续深入，在深度学习中实现学习进阶，从而推动“核心素养”培养螺旋式前行。教师可延伸以下几个例子。

3.1 关于话题“癌变”的理解

①从系统论角度正视癌变，细胞的癌变视作整个细胞系统发生的质性突变，突变是系统发展变化的一种基本形式，系统发生稳态“失稳”是一种普遍现象。

②细胞癌变是系统要素层次的基因发生突变，体现内部要素对整个系统稳态的影响。

③诱导癌变的因素是什么，外界因子怎样诱导基因发生突变的是进一步研究的关键。

更重要的是，课堂复习中，教师可引发学生深度思考，癌细胞的研究和治疗从要素到系统，从影响到基因到信息分子再到细胞功能，中间的存在的一系列联系。其实，在这样复习过程中潜移默化地让学生形成系统分析生物学问题的观念，结合应用话题“癌变”，强调“细胞信号转导”研究重要性，让“有志之士”形成高级学习动机。

3.2 对话题“衰老死亡”的理解

一方面，首先从系统的整体分析。系统的稳定不是绝对意义的平衡，系统整体乃至内部总有起落，衰老死亡是个体系统的正常演化。个体系统作为开发系统，其维持稳定必然和外界进行着物质和能量的交换，从受精卵开始有序地进行代谢发育成个体，建立起机体内部更复杂有序的联系，表现出“嫡负”的过程，“违背”一般规律。而机体走向衰老和死亡，来源于尘土归于尘土，再从有序到无序，表现“嫡增”的过程，所以衰老死亡可视为一般规律。另一方面，从整体与内部要素之间关系分析，衰老和死亡与遗传物质之间必然有联系，人类在衰老死亡面前，应该有所作为，从哪些角度入手研究。结合这三节课，学生应该有启示，同时提出关于该话题的一些问题。例如，细胞衰老与个体衰老之间有关系吗？IPS人工诱导多功能干细胞能实现“再生”吗？

3.3 对“绿水青山就是金山银山”的理解

①将个体、群落作为生态系统中的子系统分析，一方面会受整个生态系统的影响，另一方面会主动影响生态系统的稳态。

②课堂中从系统相似原理入手，将生态系统比作个体系统，对于个体来说，稳态健康就是金钱，那对于生态系统来说生态系统的稳定就是金山银山，有稳态才能实现可持续发展。

③从个体、人类会受整个生态系统的影响来说，生态系统的稳态是个体、人类的保障，当生态系统失衡，如出现大量沙漠化、雾霾以及“温室效应”形成，这些会严重影响个体、人类的稳态和健康。

④从个体、人类会主动影响生态系统的稳态角度来说，人类维持生态系统稳定应积极作为，怎样改善或修复己经破坏的生态系统，人类作用发挥到怎样程度，怎样发挥：一方面从生态系统获取资源，破坏绿水青山，一方面又创造绿水青山，怎样实现这个平衡，关系到自然科学和社会科学，以此引发学生思考。

4 本系列課程教学的启示

①大观念的建立需要学科教学有机融合。“稳态与平衡观”属于高中生物学科核心素养“生命观念”的重要部分，其建立过程是对生命现象及相互关系或特性进行解释后的抽象。比如，笔者在此稳态与平衡的基础上再度融合物理的“楞次定律”，将该定律的“来阻去留”与化学的“减弱不抵消”和生物的“缓冲趋于稳定”一并呈现。

②深度学习重在形成观念。深度学习重在建立观念，而不是一味的增加难度。也许多年后，学生会把所谓的“考点”基本忘记。但像“生命系统以开放的姿态与外界环境的相互作用，不同生命系统内部的自动调节机制实现系统的动态平衡”这样一个基本观念将长期存在于头脑深处，并以此指导探究其他生命活动规律，解决实际自然科学乃至社会学问题。

③深度学习需要科学思维的参与。深度学习作为高级认知方式，目的是形成学科的生命观念，而生命观念又是科学思维的产物，因此深度学习离不开科学思维。生命观念形成过程可视为科学思维进行从个别到一般，从分类到归纳，从归纳到综合，从具体到抽象上位凝练的过程。这个过程也是用生命观念指导进一步探究生活规律，解决实际问题，不断演绎、不断解释现象、不断批判、不断修正观念的过程。

④系统论有助于整个生命观念建立。细细回读教材，发现似乎每一个章节都在围绕着系统论在说着生命中的稳态与平衡。在系统论视域下体会“稳态与平衡”的同时，其实也在不断强调结构与功能、物质与能量、进化与适应。也就是说，生命观念的建立以系统的角度分析很有必要。