基于“稳态与平衡观”的跨学科知识在高中生物教学中的应用

刘焕书

(福建省上杭县第一中学 364200)

“稳态与平衡观”是《普通高中生物学课程标准(2017)》中凝炼出的生物学学科核心素养之一——生命观念中的重要内容，是自然科学课程共同的重要概念.通俗的说，稳态即维持相对稳定的状态，而平衡是对立的两个方面或相关的几个方面在数量或质量上均等或大致均等.生命系统是一个稳态和平衡的系统，无论是构成生命的物质还是结构，亦或是个体的数量，在系统的调节下，均需保持相对稳定，否则生命就无法正常进行.所以在高中生物学教学中培养学生牢固形成“稳态与平衡观”，在高中生物复习中利用稳态与平衡的观念来构建相关的知识体系，并且利用稳态与平衡的观念来实现跨学科解决一些实际问题，包括试题，具有重要的意义.

一、基于“稳态与平衡观”的人体水平衡数学模型的建构

在数学上，学生从小学开始就懂得，一个小水池，有一进水口和一个出水口，当进水速度大于出水速率时，水池中的水会越来越多，反之会越来越少；当进水速率与出水速率相当时，水池中的水能保持相对稳定.利用学生这个熟悉、易理解的原理，进行人体水平衡知识的建构.人体内的水分约占体重的50%～60%，相当于水池中的水量，每天水的来源相当于进水口，每天水的排出相当于出水口，当人体水的来源(主要包括饮水、食物中的水、代谢产生的水等)与排出(主要通过肾脏排尿、皮肤排汗、呼吸中的水蒸气和粪便中带走的水等)相当时，人体内的水就能保持相对稳定.由于人体排出的水量的多少主要受水的来源(用a表示)的影响，而排水主要是通过排尿量(用y表示)和排汗量(用x表示)进行；且排尿量的多少又受出汗量的变化而变化.所以可以用一个公式表示它们间大致的关系：y=a-b-x(b代表呼吸中以水蒸气形式和粪便中带走的水量等).

利用建立的水平衡知识数学模型，能较好地系统的理解相关知识和解释有关问题.例如，为什么冬天排尿量相对较多而夏天排尿量较少？如果在人体水的摄入量(a)一定量的情况下，由于冬天气温较低，汗腺分泌汗液(x)较少，所以排尿量(y)值增大，而夏天气温高，人体分泌汗液量大，排尿量就少.

基于“稳态与平衡观”建立水平衡模型，先通过类比推理的方法，利用大家熟悉的数学模型，构建出人体水平衡的知识框架，使人体内水平衡的知识变的直观形象，再进一步分析水平衡的具体过程，总结出简单的公式模型.在此基础上引出人体水平衡的调节.

二、基于“稳态与平衡观”的物理原理的人体体温恒定的知识模型建构

在物理学上，要保持物体温度的相对恒定，必需物体获得的热量等于物体的散热.比如电冰箱、空调和热水器等都大致是这个原理.其实人体体温的恒定也遵循这一理论.健康人的体温能恒定在37℃左右，就是人体的产热量等于散热量.人体热量的来源主要是细胞进行呼吸作用将有机物氧化分解时，可以释放大量热量，特别是骨骼肌和肝脏产热较多；而热量的散失主要通过皮肤进行的，包括毛细血管的散热和皮肤中汗腺分泌汗液的蒸发，此外呼气、排尿和排遗等也会带走一部分的热量.体温恒定的过程如图1所示.

图1

利用此体温恒定的知识模型，可以从相对宏观的角度理解体温调节过程，在寒冷时，骨骼肌和肝脏等代谢加强，产热量增加，同时皮肤毛细血管收缩和汗腺分泌汗液减少，以使散热量减少；炎热时正好相反，以维持体温恒定.利用此知识模型也可解释很多的生物现象，比如，某人因感染病原体而发热，从早上8点到11点体温均持续在38.5℃左右，此时间段内，此人体内的产热量与散热量的关系是怎样？由模型可知，若产热量大于散热量，则体温会升高，若产热量小于散热量，体温会下降；在3h内，体温维持相对稳定，产热量应该与散热量相当.

通过人体体温恒定的教学，帮助学生建立跨学科的概念，反过来，跨学科的的概念的建立，又能加深对人体体温恒定概念的理解，并实现这些跨学科内容的融会贯通，实现深度学习的目标.

三、“稳态与平衡观”视域下跨化学科的碳循环知识体系构建

全球气候变化是全球性的一个严重生态环境问题，二氧化碳是重要的温室气体.在化学上，大气中二氧化碳的浓度能持在0.03%左右，这与生态系统中碳的循环是密不可分的.从平衡的角度看，大气中的二氧化碳主要通过生产者固定成为有机物，包括生物的光合作用和一些微生物的化能合成作用；而二氧化碳的来源主要包括植物和动物在内的生物的呼吸作用和微生物的分解作用，以及化石燃料的燃烧等.大气中CO2浓度的稳态可以用如图2所示模式表示：

图2

由上面CO2的稳态与平衡知识模型可知，在自然生态系统中，一定时间内CO2的固定速率和产生速率大致是同等的，所以CO2浓度能维持相对稳定.此知识模型可以用于解释一些相关现象，例如，与40年前(1980年)相比，现在大气中的二氧化碳浓度为什么明显升高？北半球的冬天，二氧化碳的浓度为什么明显比夏天高？从CO2的固定速率来看，与40年前比，城镇化和人口的增长，植被被大量破坏，光合作用固定的CO2减少；而由于工业化的发展，大量的化石燃料被利用， CO2的释放量大大增加，从而导致大气CO2浓度的上升.同理，与夏天相比，北半球的冬天绝大部分植物落叶进入休眠，即使少数常绿的植物也因温度低、日照时间短，光合速率低，所以CO2固定速率大大下降；进入冬天后，北半球的取暖等，化石燃烧的使用量剧增，CO2释放增加，导致大气CO2浓度上升.

全球气候变暖的原因是一个复杂的问题，分析和解决气候变暖的原因和措施需要多学科的知识，教学中引导学生从跨学科的角度深入思考，积极探究，抓住主要矛盾.大气中CO2浓度的升高，从去路来看，主要是植被的问题，而从来源看主要是化石燃料的利用问题.通过这些跨学科问题的分析，巩固学生对生态系统中物质循环的认识，培养学生的社会责任意识.

四、“稳态与平衡观”在解题中的应用

在教学中，有意识培养学生形成“稳态与平衡观”，用稳态与平衡的观念解决一些实际情境问题，具有非常大的帮助.例如，人教版普通高中课程标准实验教科书生物必修3，第116页：图3是河流生态系统受到生活污水(含大量有机物)轻度污染后的净化过程示意图.

图3

请根据图回答：(1)在该河流的AB段上，溶解氧大量减少的主要原因是什么? (2)水中溶解氧含量在BC段逐渐恢复的主要原因是什么?

类似的问题还很多，基本贯穿在高中生物教学的整个过程中.例如在讲光合作用的过程时，在一定的条件(适宜的光照强度、CO2浓度和温度等)下，叶绿体中的ATP、ADP、三碳化合物(C3)和五碳化合物(C5)的含量是维持相对稳定的.当植株突然置于黑暗环境中(其它条件不变)，短时间内，其中的C3的含量会发生怎样的变化呢？利用稳态与平衡的观点解释就很清晰，首先从C3的来源看，CO2浓度不变，CO2固定形成C3的反应能继续进行；而由于在黑暗环境下，光反应不能进行，ADP无法继续合成ATP，原有少量ATP被消耗后，C3就不能再被还原了.所以C3的含量在短时间内会变多后趋于稳定.

“稳态与平衡观”是生命观念的一项重要内容，也是自然科学课程共有的概念；在学习生物过程中形成稳态与平衡观念是一项必备的品格和关键能力.对于理解生物学科的概念和知识体系的建立，以及分析、理解和解决实际问题具有重要作用.