高中生物課程內(nèi)容建構(gòu)及“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境” 模塊的分析.doc

1高中生物課程內(nèi)容建構(gòu)及“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的分析作者：余自強(qiáng)摘要普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）在各個(gè)模塊構(gòu)建了新的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系是根據(jù)系統(tǒng)生物學(xué)的思想構(gòu)建的。這個(gè)體系以“系統(tǒng)”為核心概念，以“穩(wěn)態(tài)”、“環(huán)境”和“調(diào)節(jié)”三個(gè)科學(xué)通用概念把生物個(gè)體和系統(tǒng)水平的要素、行為、穩(wěn)定和發(fā)展等問(wèn)題統(tǒng)一起來(lái)，以系統(tǒng)分析及模型和數(shù)學(xué)方法等作為主要方法，具有科學(xué)性和合理性。關(guān)鍵詞高中生物課程“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊知識(shí)結(jié)構(gòu)科學(xué)方法普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）（以下簡(jiǎn)稱為標(biāo)準(zhǔn)）在課程結(jié)構(gòu)上發(fā)生了比較大的變化，其中包括設(shè)置了“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”這個(gè)必修模塊。對(duì)這種新穎的設(shè)計(jì)，有許多教師不理解，也有一些教師從科學(xué)性和合理性方面提出了質(zhì)疑。本文謹(jǐn)就此開展一些討論。一、生物課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系的建構(gòu)1959年，布魯納（JeromeS.Bruner）在教育過(guò)程中提出了他的結(jié)構(gòu)主義課程的思想。他主張：“不論我們選教什么學(xué)科，務(wù)必使學(xué)生理解該學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)就是學(xué)習(xí)事物是怎樣相互關(guān)聯(lián)的”。自此以后，課程內(nèi)容要結(jié)構(gòu)化，成為課程專家的普遍追求。（一）生物課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系改革的必要性傳統(tǒng)的高中生物課程以生命的基本特征來(lái)組織內(nèi)容，這也是傳統(tǒng)的普通生物學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)。但是，我們現(xiàn)在必須考慮兩個(gè)問(wèn)題。一是現(xiàn)代課程論認(rèn)為課程體系要反映學(xué)科體系，但不等同于學(xué)科體系。它除了考慮學(xué)科體系外，還要考慮學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展和社會(huì)需求。生物學(xué)科的內(nèi)容包括由事實(shí)、概念、原理和規(guī)律組成的理論體系，及其隱含的學(xué)科思想和方法。因此，生物課程的內(nèi)容既可以根據(jù)知識(shí)理論體系建構(gòu)，也可以根據(jù)學(xué)科思想和方法建構(gòu)，二者各有其合理性。二是20世紀(jì)后半期發(fā)生的“生物學(xué)革命”，使生物學(xué)的“范式”發(fā)生了改變。庫(kù)恩（T.S.Kuhn）在科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)一書中說(shuō)：“科學(xué)革命以后，教科書和它們提出的歷史傳統(tǒng)必須重寫”。例如，已故陳閱增先生主編的普通生物學(xué)，就打破了傳統(tǒng)的普通生物學(xué)學(xué)科體系，根據(jù)當(dāng)代生命科學(xué)從微觀到宏觀的發(fā)展，“按生命的主要結(jié)構(gòu)層次，從低層到高層安排?！?（二）構(gòu)建生物課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系的思路課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建的依據(jù)，是課程內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系和心理學(xué)方面的關(guān)系。邏輯關(guān)系指學(xué)科知識(shí)之間內(nèi)在的聯(lián)系，心理學(xué)方面的關(guān)系指按照編者所理解的學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展，把課程內(nèi)容加以組織的關(guān)系。對(duì)科學(xué)課程而言，一般的傾向是在高年級(jí)采取邏輯結(jié)構(gòu)的體系，在低年級(jí)以心理學(xué)結(jié)構(gòu)的體系為主。我國(guó)的課程向來(lái)關(guān)注知識(shí)體系，因此構(gòu)建高中生物課程的思路，按我國(guó)的國(guó)情只能取前者。按邏輯關(guān)系構(gòu)建課程體系，又可以有不同的方法，例如：（1）可以按形式邏輯的方法，2確定若干科學(xué)事實(shí)或概念作為邏輯起點(diǎn)，通過(guò)演繹推理構(gòu)建一個(gè)公理化的體系。這種方法在物理、化學(xué)中用得較多，對(duì)生物課程，標(biāo)準(zhǔn)首次將概念列入了課程目標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)中“遺傳與進(jìn)化”模塊的內(nèi)容，也主要以類似的方法構(gòu)建。但由于生命系統(tǒng)的復(fù)雜性和生命現(xiàn)象的不確定性，以形式邏輯構(gòu)建知識(shí)體系只能適用于生物科學(xué)的少數(shù)領(lǐng)域。（2）進(jìn)化論無(wú)疑是生命科學(xué)中最大的一個(gè)統(tǒng)一理論，研究生物進(jìn)化的機(jī)制不僅要追溯漫長(zhǎng)的生命歷史，覆蓋各種生物進(jìn)化現(xiàn)象，并與生命起源承接，還要能對(duì)現(xiàn)今全部的生命現(xiàn)象給出說(shuō)明。我國(guó)在20世紀(jì)50年代，曾在普通高中開設(shè)“達(dá)爾文主義基礎(chǔ)”課程，希圖以進(jìn)化論為框架構(gòu)建生物課程體系。但由于進(jìn)化論遠(yuǎn)未成熟，結(jié)果使生物課程受哲學(xué)的支配而走上非科學(xué)的道路。（3）當(dāng)代生物學(xué)的發(fā)展，形成了系統(tǒng)生物學(xué)（SystemsBiology）。對(duì)生命的本質(zhì)，生物學(xué)界長(zhǎng)期存在活力論和還原論之爭(zhēng)。20世紀(jì)30年代后，科學(xué)界對(duì)生命的本質(zhì)提出了新的認(rèn)識(shí)，就是機(jī)體系統(tǒng)論。1952年，美籍奧地利生物學(xué)家、系統(tǒng)論創(chuàng)始人貝塔朗菲（L.V.Bartalanffy）出版了英文版的生命問(wèn)題現(xiàn)代生物學(xué)思想評(píng)價(jià)，提出了機(jī)體系統(tǒng)論的基本原理：整體原理（組織原理）、動(dòng)態(tài)原理、自主原理。這些原理表明：生物有機(jī)體是一個(gè)獨(dú)特的組織系統(tǒng)，其個(gè)別部分和個(gè)別事件受整體條件的制約，遵循系統(tǒng)規(guī)律；生命有機(jī)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生于連續(xù)流動(dòng)的過(guò)程，具有調(diào)整和適應(yīng)能力；生命有機(jī)體是一個(gè)具有自主活動(dòng)能力的系統(tǒng)2。1968年，貝塔朗菲又在此書的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步寫成一般系統(tǒng)論基礎(chǔ)、發(fā)展、應(yīng)用，創(chuàng)立了系統(tǒng)論，生物學(xué)也由此發(fā)展出“系統(tǒng)生物學(xué)”。系統(tǒng)生物學(xué)的一個(gè)重要方面，就是利用系統(tǒng)概念、系統(tǒng)思想和系統(tǒng)方法來(lái)理解生物學(xué)知識(shí)，重新整合原有的生物科學(xué)知識(shí)體系。這已成為“生物學(xué)革命”的內(nèi)容之一，國(guó)際上稱為“利用系統(tǒng)方法進(jìn)行生物學(xué)革命”?！胺€(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的知識(shí)結(jié)構(gòu)就是以系統(tǒng)生物學(xué)的思想構(gòu)建的。二、“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的知識(shí)結(jié)構(gòu)（一）關(guān)于穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)和環(huán)境穩(wěn)態(tài)的概念最初來(lái)自生理學(xué)。生理學(xué)把維持內(nèi)環(huán)境理化性質(zhì)相對(duì)恒定的狀態(tài)叫做穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)是一種復(fù)雜的、由體內(nèi)各種調(diào)節(jié)機(jī)制所維持的動(dòng)態(tài)平衡：一方面是代謝過(guò)程使內(nèi)環(huán)境理化性質(zhì)的相對(duì)恒定遭到破壞，另一方面是通過(guò)調(diào)節(jié)使平衡恢復(fù)。整個(gè)機(jī)體的生命活動(dòng)正是在穩(wěn)態(tài)不斷受到破壞而又同時(shí)得到恢復(fù)的過(guò)程中得以維持和進(jìn)行。后來(lái)，穩(wěn)態(tài)的概念逐步擴(kuò)展，它不僅被用來(lái)說(shuō)明內(nèi)環(huán)境理化特性的動(dòng)態(tài)平衡，而且人們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞、群落和生態(tài)系統(tǒng)在沒有受到激烈的外界環(huán)境因素影響時(shí)，也都處于類似的狀態(tài)，都可以用穩(wěn)態(tài)這個(gè)概念來(lái)說(shuō)明它們相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的維持和調(diào)節(jié)。穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的概念原來(lái)也來(lái)自個(gè)體水平的生理學(xué)，例如哺乳動(dòng)物體內(nèi)的溫度、滲透壓、pH以及各種電解質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物的濃度都保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，這是在其自身神經(jīng)體液系統(tǒng)調(diào)節(jié)下，隨時(shí)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)的。生態(tài)系統(tǒng)雖然沒有與此類似的調(diào)節(jié)機(jī)制，但也具有一定的抵御環(huán)境壓力保持平衡狀態(tài)的能力。特別是成熟的生態(tài)系統(tǒng)，每年的能量收支大致相等，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)近于“封閉式”，流失極少，系統(tǒng)能相當(dāng)長(zhǎng)久地保持一定的外觀和結(jié)構(gòu)，這些都是穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的結(jié)果。（二）“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊概念體系的建立科學(xué)不同于常識(shí)的特點(diǎn)，首先在于任何一門科學(xué)，都是一個(gè)相對(duì)完整的理論體系，都是一個(gè)知識(shí)系統(tǒng)。從一般形式上看，都是由科學(xué)事實(shí)、基本概念、特定方法、相應(yīng)理論以及應(yīng)3用范例等所構(gòu)成的。以生命的基本特征為框架來(lái)整理和概括生物科學(xué)事實(shí)，雖然具有容易被理解的優(yōu)點(diǎn)，而且從科學(xué)發(fā)展過(guò)程來(lái)看，分門別類地劃分和組織材料，確實(shí)是一切科學(xué)的一項(xiàng)必不可少的任務(wù)，但是科學(xué)事實(shí)本身和若干科學(xué)事實(shí)的簡(jiǎn)單堆砌畢竟還不等于科學(xué)。事實(shí)只有在以系統(tǒng)的概括的形式表現(xiàn)出來(lái)，并且作為概念和規(guī)律的根據(jù)和驗(yàn)證時(shí)，才能夠變成科學(xué)知識(shí)的組成部分。以這樣的觀點(diǎn)來(lái)看標(biāo)準(zhǔn)中“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的內(nèi)容，“3.1植物的激素調(diào)節(jié)”和“3.2動(dòng)物生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)”兩個(gè)單元，提供的是經(jīng)過(guò)整理的科學(xué)事實(shí)，它們是建立科學(xué)理論的基礎(chǔ)和前提。在后續(xù)單元中，“說(shuō)明穩(wěn)態(tài)的生理意義”和“闡明生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”等知識(shí)點(diǎn)，提出了“穩(wěn)態(tài)”的概念；“舉例說(shuō)明神經(jīng)、體液調(diào)節(jié)在維持穩(wěn)態(tài)中的作用”、“概述人體免疫系統(tǒng)在維持穩(wěn)態(tài)中的作用”、“舉例說(shuō)出生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞”等知識(shí)點(diǎn)，提出了“調(diào)節(jié)”和“環(huán)境”的概念?？茖W(xué)概念是由大量科學(xué)事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)材料經(jīng)過(guò)理性加工和提煉而形成的，科學(xué)概念一旦獲得，就會(huì)使人們的認(rèn)識(shí)發(fā)生飛躍，使已有的知識(shí)系統(tǒng)化、理論化。然而，概念雖然重要，但僅有概念還不能形成科學(xué)理論，概念只是理論的邏輯起點(diǎn)。在穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)和環(huán)境概念的后面，還有一個(gè)更核心的概念，就是“系統(tǒng)”。因?yàn)榉€(wěn)態(tài)是系統(tǒng)的狀態(tài)，調(diào)節(jié)是系統(tǒng)的行為，環(huán)境是系統(tǒng)的存在。這樣，“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊就以“系統(tǒng)”這個(gè)本體論概念作為核心概念，以“穩(wěn)態(tài)”、“環(huán)境”和“調(diào)節(jié)”三個(gè)科學(xué)通用概念把生物個(gè)體水平和生態(tài)系統(tǒng)水平的要素、行為、穩(wěn)定和發(fā)展等問(wèn)題統(tǒng)一起來(lái)，并以“描述體溫調(diào)節(jié)、水鹽調(diào)節(jié)、血糖調(diào)節(jié)”、“描述群落的結(jié)構(gòu)特征”、“闡明群落的演替”、“討論某一生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)”等作為這個(gè)理論體系的應(yīng)用范例。需要明確的是，這個(gè)概念體系是隱性而不是顯性的，是運(yùn)用系統(tǒng)生物學(xué)的思想建立的。教材如何編寫，教學(xué)如何進(jìn)行，則需按具體情況而定。三、“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的科學(xué)方法一個(gè)科學(xué)的理論體系，除了科學(xué)事實(shí)、基本概念、相應(yīng)理論和應(yīng)用范例外，還有一個(gè)重要方面是特定方法。“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的科學(xué)方法，主要是系統(tǒng)分析方法以及以模型和數(shù)學(xué)方法為主的邏輯方法。（一）系統(tǒng)分析的思想和方法標(biāo)準(zhǔn)在“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的前言中指出：“本模塊選取有關(guān)生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)與穩(wěn)態(tài)的知識(shí)、生物與環(huán)境的知識(shí)，有助于學(xué)生理解生命運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，了解系統(tǒng)分析的思想和方法，提高對(duì)生命系統(tǒng)與環(huán)境關(guān)系的認(rèn)識(shí)”3，這就明確提出了對(duì)“系統(tǒng)分析的思想和方法”的要求?，F(xiàn)代生物學(xué)的分析性研究已深入到分子、量子水平，但為了揭示生命運(yùn)動(dòng)的奧秘，還必須從生命系統(tǒng)的各個(gè)組成部分的聯(lián)系和相互作用中，從它們和外界環(huán)境的相互聯(lián)系和相互作用中來(lái)了解整體，這就需要進(jìn)行系統(tǒng)分析。系統(tǒng)分析能力是一種非常重要的綜合實(shí)踐能力。例如，植樹造林是中央的號(hào)召，但西北一些地區(qū)年降水量很小，蒸發(fā)量很大，其地下水主要來(lái)自地表下的滲透作用（如熔化的雪水）。在這些地區(qū)植樹，地下水會(huì)因樹木的蒸騰作用而過(guò)量散失，導(dǎo)致水位下降甚至枯竭。于是近年來(lái)中央指示那些地區(qū)要種草。然而，在我國(guó)的中、東部地區(qū)，卻出現(xiàn)了砍樹種草的熱潮。殊不知在高溫多雨地區(qū)，樹的生態(tài)效益要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)草。結(jié)果，一些城市政府部門又不得不規(guī)定綠化至少要有多少比例的喬木和灌木。導(dǎo)致這些失誤的原因就在于缺乏系統(tǒng)分析的思想?，F(xiàn)代系統(tǒng)分析包括定性分析和定量分析，定量分析是基于數(shù)學(xué)工具進(jìn)行的，高中生物學(xué)教育一般只能做定性分析，如同美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)所要求的“學(xué)會(huì)從系統(tǒng)的角度思考和分析問(wèn)題”。具體說(shuō)，就是運(yùn)用系統(tǒng)的概念和系統(tǒng)分析的思想，一方面對(duì)生命系統(tǒng)的要4素、結(jié)構(gòu)、邊界、環(huán)境、性能等系統(tǒng)的基本特征作分析，另一方面對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)及其調(diào)控作分析。以生態(tài)系統(tǒng)為例，其要素指組成成分，即生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者等生物成分和非生物的物質(zhì)和能量；結(jié)構(gòu)包括時(shí)空結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)（食物鏈和食物網(wǎng)）；邊界指系統(tǒng)的范圍，生態(tài)系統(tǒng)是模糊集合，其邊界是一個(gè)模糊概念，根據(jù)研究的需要?jiǎng)澏ǎ画h(huán)境指一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的外部環(huán)境條件，系統(tǒng)與環(huán)境之間具有物質(zhì)、能量和信息的交流，二者相互聯(lián)系、相互影響，并共同組成一個(gè)更大的系統(tǒng)；性能指系統(tǒng)整體的特性和功能，系統(tǒng)的整體特性表現(xiàn)為該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的區(qū)別，系統(tǒng)的功能則反映了系統(tǒng)與外部環(huán)境相互作用的程度，或系統(tǒng)獲取輸入、予以變換而產(chǎn)生輸出的能力。以上這些方面構(gòu)成了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的基本特征。至于系統(tǒng)的狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)都是開放系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)就是生態(tài)平衡狀態(tài)。每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都具有一定的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，在不斷變化的環(huán)境條件下，依靠自我調(diào)節(jié)機(jī)制維持其穩(wěn)態(tài)，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的相對(duì)穩(wěn)定。生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的另一個(gè)重要指標(biāo)是它的生產(chǎn)量，包括輸入、輸出、凈生產(chǎn)量和效率。類似的分析在個(gè)體水平和群體水平均可進(jìn)行?！胺€(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊中的“描述群落的結(jié)構(gòu)特征”、“討論某一生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)”、“闡明群落的演替”、“分析生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的基本規(guī)律及其應(yīng)用”、“闡明生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”、“探討人口增長(zhǎng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響”、“關(guān)注全球性環(huán)境問(wèn)題”等知識(shí)點(diǎn)，以及“利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件模擬人體某方面穩(wěn)態(tài)的維持”、“調(diào)查當(dāng)?shù)刈匀蝗郝渲腥舾煞N生物的生態(tài)位”、“調(diào)查或探討一個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)”、“調(diào)查當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境中的主要問(wèn)題，提出保護(hù)建議或行動(dòng)計(jì)劃”等活動(dòng)建議，都需要滲透和利用系統(tǒng)分析的思想和方法進(jìn)行教學(xué)。（二）數(shù)學(xué)和模型方法的運(yùn)用20世紀(jì)30年代，貝塔朗菲在提出機(jī)體系統(tǒng)論概念的同時(shí)，主張用數(shù)學(xué)和模型方法研究生命現(xiàn)象。1、模型方法標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)國(guó)際科學(xué)教育的發(fā)展，將模型和模型方法列入了課程目標(biāo)。所謂“模型”，是指模擬原型（所要研究的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)或運(yùn)動(dòng)形態(tài)）的形式。它不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本質(zhì)特征4。模型方法是以研究模型來(lái)揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，是邏輯方法的一種特有形式。模型一般可分為物理模型和數(shù)學(xué)模型兩大類，通常說(shuō)的模型即指物理模型。物理模型可以模擬客觀事物的某些功能和性質(zhì)，它包括物質(zhì)模型和思想模型兩類。在高中生物課程中經(jīng)常使用的物質(zhì)模型有實(shí)物模型如生物體結(jié)構(gòu)的模式標(biāo)本，模擬模型如細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型、各種組織器官的立體結(jié)構(gòu)模型等。思想模型是物質(zhì)模型在思維中的引伸，根據(jù)構(gòu)建模型的思想方法的不同，又可以分為兩類：一類是以形象化方法（或稱為意象思維方法）構(gòu)建的具象模型，它是人們?cè)谒季S中通過(guò)對(duì)生物原型的簡(jiǎn)化和純化而構(gòu)思出來(lái)的。具象模型具有一定的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，如DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型、生物膜液態(tài)鑲嵌模型等。它能使研究對(duì)象直觀化，既可以促進(jìn)研究，又可以簡(jiǎn)略描述研究成果，使之便于理解和傳播。另一類是以理想化方法（或稱抽象思維方法）構(gòu)建的模型，是人們抽象出生物原型某些方面的本質(zhì)屬性而構(gòu)思出來(lái)的，例如呼吸作用過(guò)程圖解、光合作用過(guò)程圖解等過(guò)程理想模型，食物鏈和食物網(wǎng)等系統(tǒng)理想模型。這類模型使研究對(duì)象簡(jiǎn)化，在科學(xué)研究中用于計(jì)算推導(dǎo)，引伸觀察和實(shí)驗(yàn)的結(jié)論等方面。在現(xiàn)代生物科學(xué)研究中，模型方法被廣泛運(yùn)用，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的成功就是一個(gè)范例。在生物科學(xué)學(xué)習(xí)中，模型提供觀念和印象。認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為，人的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)既包括概念系統(tǒng)，又包括表象。前者有概念、原理、規(guī)律、理論，后者的成分包含觀念和印象。當(dāng)代不少學(xué)者都主張把表象看作是一種符號(hào)要素，與語(yǔ)言等其他符號(hào)要素一樣具有抽象、概括、組合和再組合的功能，因而能構(gòu)成思維的操作。所以模型提供的觀念和印象，不僅是學(xué)生進(jìn)一步獲取系統(tǒng)知識(shí)的條件，而且是學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的重要組成部分。正因?yàn)槿绱?，美?guó)國(guó)家5科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)把模型和科學(xué)事實(shí)、概念、原理、理論并列為科學(xué)主題的重點(diǎn)，并將構(gòu)建、修改、分析、評(píng)價(jià)模型作為高中學(xué)生的基本科學(xué)探究能力。“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊中有兩個(gè)活動(dòng)建議：“探究水族箱（或魚缸）中群落的演替”和“設(shè)計(jì)并制作生態(tài)瓶”，都是運(yùn)用模型的探究。例如，“設(shè)計(jì)并制作生態(tài)瓶”制作的是一個(gè)活體實(shí)物模型，運(yùn)用這個(gè)模型進(jìn)行的是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的模擬實(shí)驗(yàn)。在科學(xué)研究中，有時(shí)受客觀條件的限制，不能對(duì)某些自然現(xiàn)象進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)，這時(shí)就要人為地創(chuàng)造一定的條件和因素，在模擬的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用活體實(shí)物模型進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)，在生命科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，但具有一定的復(fù)雜性。因?yàn)樽兞枯^多，而且變量之間的關(guān)系，除因果決定性因素外，還存在許多非因果決定性的因素，所以需要作系統(tǒng)分析。就本案例來(lái)說(shuō)，一方面需要對(duì)生態(tài)瓶的組成成分、結(jié)構(gòu)、環(huán)境、性能等作分析，另一方面需要對(duì)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)及其調(diào)控作分析。這對(duì)學(xué)生深入理解生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的基本規(guī)律及其應(yīng)用、生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等等，無(wú)疑具有重要的教育價(jià)值。但也正因?yàn)樯到y(tǒng)的復(fù)雜，所以活體生物模型與實(shí)際事物相比，存在較大差異。這是需要向?qū)W生講清楚的。2、數(shù)學(xué)方法數(shù)學(xué)方法指運(yùn)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表述事物的狀態(tài)、關(guān)系和過(guò)程，并加以推導(dǎo)、演算和分析，以形成對(duì)問(wèn)題的解釋、判斷和預(yù)測(cè)的方法。目前，數(shù)學(xué)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域正起著越來(lái)越重要的作用，甚至醫(yī)生做手術(shù)之前都可以先進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬以預(yù)知各種方案可能出現(xiàn)的后果，再依據(jù)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇手術(shù)方案。數(shù)學(xué)方法在科學(xué)教育中的價(jià)值更是不言而喻，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)學(xué)方法的使用，包括以下4個(gè)方面。（1）定義概念。概念有具體概念和抽象概念之分，具體概念指能通過(guò)直接觀察獲得的概念，即實(shí)物概念，例如細(xì)胞、組織等結(jié)構(gòu)概念，呼吸、遺傳等生理活動(dòng)概念；抽象概念不能通過(guò)觀察習(xí)得，只能通過(guò)下定義才能習(xí)得，例如呼吸作用、新陳代謝等概念。在抽象概念中，有一類是用數(shù)學(xué)式來(lái)定義的。這類定量的概念以數(shù)學(xué)方法揭示事物的本質(zhì)及其發(fā)展變化規(guī)律，為研究工作提供一種簡(jiǎn)明精確的形式語(yǔ)言，具有重要的科學(xué)認(rèn)識(shí)論價(jià)值和方法論價(jià)值。“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊沒有明確要求用數(shù)學(xué)式定義概念，但“列舉種群的特征”這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如果涉及種群密度，年齡結(jié)構(gòu)和性別結(jié)構(gòu)，出生率和死亡率等，那就是用數(shù)學(xué)式定義的概念。（2）對(duì)生命現(xiàn)象的空間關(guān)系和數(shù)量關(guān)系進(jìn)行描述、分析和計(jì)算。例如以條形圖、曲線圖、統(tǒng)計(jì)地圖等來(lái)表現(xiàn)某一生命現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)數(shù)字大小及其變化，這在生物課程中已廣泛應(yīng)用。（3）統(tǒng)計(jì)方法的運(yùn)用。統(tǒng)計(jì)是研究隨機(jī)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性的方法。統(tǒng)計(jì)性規(guī)律在生物界廣泛存在，主要包括兩類。一類是大數(shù)過(guò)程的規(guī)律性，即大量隨機(jī)事件所組成的系統(tǒng)的規(guī)律性，如遺傳性狀傳遞過(guò)程中的規(guī)律。這類問(wèn)題可用描述統(tǒng)計(jì)方法解決。另一類是某些生命系統(tǒng)行為的規(guī)律性，例如生態(tài)系統(tǒng)中某種群數(shù)量的變化及其生滅過(guò)程、生物個(gè)體生態(tài)壽命的預(yù)期分析等，它們是不同條件下生命系統(tǒng)某種行為潛在可能性的數(shù)量估計(jì)，