科学课程中的若干生物学原理和思想
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初中科学课程是以对科学本质的认识为基础、以提高学生科学素养为宗旨的综合课程，内容包括“科学探究”“生命科学”“物质科学”“地球和宇宙”“科学、技术、社会、环境”五个板块。其中，“科学探究”“科学、技术、社会、环境”是目前任何科学领域的课程都不可或缺的组成部分。全国各地初、高中的理、化、生分科课程，都将这两个板块作为重要的课程内容。换句话说，它们是所有科学领域的课程都应该体现并加以落实的目标，而非初中科学综合课程所特有的任务。从这个意义上说，初中科学综合课程的独特价值（或者说优势）也许在于课标规定的课程目标之知识与技能目标的第一条――理解自然科学中统一的概念与原理，从而引导学生从整体上认识自然界的内在统一性。
但是，基于我们日常大量的课堂观察以及对学生的学业评价结果来看，当下的初中科学教学在知识与技能目标上还远未达到这样的综合高度。当然，既然在科学课程中，将生命科学与物质科学（暂且不论地球和宇宙科学）分立为两块并行的课程内容，说明两者之间在某种层面上存在着各自不同的运行原理和规律，甚至一些独特的学科思想。而作为科学教师，首先要领悟它们各自的基本原理和思想，因为只有站在这一基础之上，达到一定的认知高度，才能获得宽广的科学视野，进而形成对自然界统一性的认识。而当下的科学教师，从专业结构看，在其求学生涯中普遍缺少生物学专业的系统训练，致使在面对生物学领域内容的教学时，缺少生物学的基本思想，更难以从科学统一性的高度来理解生命。
不过，由于生命世界的复杂性，对于初中阶段的学生来说，生命的一些最本质的原理和思想难以用简洁的方式予以呈现，譬如物质科学常常可以进行量化，而生命的复杂性使得量化十分困难（不是不能，而是复杂，多半是统计学上的量化），结果使得生物学的知识显得很琐碎，缺少良好的结构，并以事实性知识为主。许多教师就此认为生物学缺少普遍适用的原理与规律，处处都是例外，什么结论都难下，甚至觉得生物无理可讲。所以在课堂上，生命科学与物质科学多是以两种不同的思维方式和话语体系来进行教与学的，生命科学的教学方式明显缺乏以逻辑推理为主要特征的理科属性。但是我们必须明确，既然这个生物世界历经亿万年的进化后能够在这个星球上生存下来，必然是有道理的。不管是大到生态系统，还是小到细胞，也无论是它们的结构还是功能，都有其存在的合理性。生物终究是“物”，是物一定有“理”，而这“理”就是生物科学的基本原理和思想。这些基本的原理和思想在近几年嘉兴市的科学学业考试卷中也得到了一定的体现。在此结合几个典型试题，跟大家探讨一下初中科学中有关生物学的若干基本原理和思想。
一、生命是一个物质系统
例1 （嘉兴市2011年学业考试卷第27题第二小题）植物的光合作用和呼吸作用强度可以用单位时间内吸收或释放二氧化碳的量来表示。如图表示某植物在恒温30℃时，处于不同光照强度下在单位时间内对二氧化碳的吸收或释放量。
（1）（略）。
（2）环境温度对植物的光合作用和呼吸作用都会产生影响，原因是温度会影响活细胞中的 。
这个问题命题组的预测难度是0.65，但实际检测的难度达到了0.30，远超预期。而将这个问题放在生物学的视野下，其实是非常基础、简单的问题，尤其是题目已将“温度会影响活细胞中的”这样带有明显提示性的字句放在空格前时，答案“酶的活性”几乎就可以脱口而出了。从考后与教师的交流情况看，对这个问题的难度评价，专业背景不同的教师看法完全不同，有生物专业背景的教师普遍认为这是一个容易题。
那么，这样一个原以为可以“脱口而出”的问题最后却难倒了七成的考生，原因何在？教师们给出的说法是：因为教材只在呼吸作用的反应式上标注酶这个条件，而在光合作用的反应式上标注的条件是叶绿体，而试题中将两种作用放在一起来分析，于是这样一个基础问题，学生（包括许多教师）就觉得难以回答了。
其实，生物体内各种复杂的生命活动都是以在各种酶的催化下进行的复杂的化学反应为基础的，一个生物体或生物体中的一个细胞，本质就是一个复杂而精密的物质变化系统，正是细胞内发生的复杂的物质及其伴随的能量变化，才会有不息的生命活动和多样的生命现象。这是生物学的基本原理与思想之一。
当然，生物体的这种物质变化是十分复杂的，变化反应的底物或者产物往往是性质十分稳定的大分子有机物，且反应是在生物体内这种温和条件下高效地进行，这就离不开各种具有高效催化能力的酶。如在光合作用中，在可见光的推动下，在常温常压下，使水裂解放出氧气，并将简单的二氧化碳合成复杂的有机物，同时将光能转化为化学能储存在有机物中，这样的物质和能量变化必须在叶绿体光合膜系统上的各种酶的催化下才能进行。要完成这样的复杂变化，人类现有的技术水平仍是望尘莫及。与此相对，通过光合作用合成的有机物以及储存的能量，要被各种生命活动利用，就必须经过细胞的呼吸作用。此时性质极其稳定的有机物（如糖类）在常温常压下，在微米尺度的线粒体内氧化分解，且分解时能量的转化效率达40%左右（现在最先进的内燃机的转化效率还只有25%左右），这同样体现了生物这个物质系统的精妙之处。
其实，即便是我们大脑中的各种思维、心理活动，本质上都是物质的变化及伴随其中的能量转化过程。所谓的意识、精神、心理活动，都是大脑生理活动的结果，是物理、化学反应的产物。所以2011年版初中科学课程标准将生物部分的主题2“生物的新陈代谢”改为“生物体内的物质与能量转换”，其实就是为了体现生物科学与物质科学的统一性，突显了新陈代谢的本质――生命体就是一个物质变化系统。
事实上，上个世纪伊始，随着生物化学和遗传学的迅猛发展，各种生命现象纷纷被在分子和细胞水平上用物理、化学的变化原理加以解释。通过研究生物体内各个部分的物理、化学作用，完全可以解释生物体的各种功能和现象，即生命科学也好，物质科学也罢，基本的物质与能量的运行原理是一致的，差异性主要在于复杂程度和空间尺度的不同。唯一例外的是当我们需要知道这些生命功能的起源时，必须加入独立于物理、化学的原理，这就是用于解释生物进化的自然选择学说。
二、生命具有不断进化与适应能力
例2 （嘉兴市2014年学业考试卷第14题）长期的自然选择，使生物在形态、结构、功能等各个方面都表现出适应性。如与静脉相比，人体四肢的动脉一般分布在较深的地方，这是对下列何者的适应（ ）
A.动脉的血压高 B.动脉中流的是动脉血
C.动脉的管壁厚 D.动脉中的血流速度慢
此题的预测难度是0.60，实测难度为0.54，看上去还算正常，但就本题所考查的作为生物科学主干与核心知识“进化与适应”的要求来说，放在这样一个试题情境下，相关思维要求并不高。
其实，生活在自然界的任何生物都无法摆脱自然选择的魔手，自然选择以及由此产生的结果――生物的进化与适应，是生物学的又一基本思想和原理，且自然选择不仅对生物的形态、结构、功能起作用，甚至对生物的行为、心理等所有方面都起作用。而生物进化的终极目标是适应环境，使种族更多地延续下去，以尽可能多地占领生存资源。拿此题的情境来说，与静脉相比，动脉之所以分布在身体较深的地方，原因在于动脉是接受心脏泵出的血液，受到的血压远比经过毛细血管后的静脉高，因此一旦受伤破裂就可能造成血液的大量流失而危及生命。同样，动脉的管壁厚、弹性大也是对血压高的适应，而跟里面的血液性质及流速无关。而动脉这样的分布与结构特点对于远古时期随时都可能会发生各种伤害的古人来说尤为重要。
大家都曾听过这样一个段子。一个记者问放羊娃：“你放羊干吗呢？”“赚钱呢！”“那赚钱干吗呢？”“娶婆姨呢！”“娶婆姨干吗呢？”“生娃咧！”“生娃干吗咧？”“放羊呢！”人们在戏说这个段子时充满了对放羊娃的嘲笑，作为一个“社会人”这样的生命轮回确实没有意义，但从人的生物属性看却是符合逻辑的，延续下去才是它的最终目标。
不过，尽管现在的科学教材对生物的进化以及达尔文的自然选择学说有专门的介绍，但在教师中还是存在着不少的误读。
从亚里士多德开始，一直到拉马克构建的第一个系统的进化假说，都认为进化的历程就像个阶梯，生物进化被视为是一个从低到高一级一级向上攀升的过程，而人类就位于这个阶梯的顶端。但是，达尔文的进化论并不认为进化具有确定的方向，进化是由变异而生的，这种变异通过自然选择作用而适应变化着的环境，而环境的变化总体来说是多方向的，因此生物进化也是多向的。或者更确切地说，进化的路径像一棵大树，各个物种只是进化树上的不同分支，人类只是位于其中的一个分支而已。
所以，“进化是一个由简单到复杂、由低等到高等、由水生到陆生”这样带有明确方向性的说法也是值得推敲的。譬如，真核生物要比原核生物复杂，脊椎动物要比无脊椎动物复杂。而进化史上，真核生物和脊椎动物确实要比原核生物和无脊椎动物晚出现，都是由它们进化来的，但是直到今天，原核生物和无脊椎动物并没有被真核生物和脊椎动物所取代，它们同时在不同的分支上进化。事实上，尽管现有的原核生物（如细菌）要比真核生物原始，但它们的种类之多、数目之巨、对环境适应能力之强，却是真核生物所难以企及的。所以，从结构、功能或生活环境来对现存生物作高低级的比较恐怕并不科学，因为进化大树有无数的分支，很难说哪个枝头更高。
此外，我们还需明确，自然选择的威力在于长期的累积效应，它使生物体获得某种适应性时，并非是一蹴而就的，而是通过千百年的逐代选择之后慢慢形成的。例如，由于生产力的发展，现代人类的营养水平大大改善，而体力支出大大下降，于是常常出现营养过剩，引发诸如“三高”等各种所谓的富贵病，那为什么人体没有进化出能够排出各种多余营养的机能呢？那是因为人类自诞生之日起一直过着饥寒交迫的生活，我们才刚刚开始过上营养过剩这种“好日子”。所以富含能量的糖类、脂类等营养物质所具有的甜味和香味对我们总是充满着诱惑。
达尔文的进化论诞生之后，对生物现象的研究由博物学变成了科学，生物科学由此诞生。它不仅为生物学奠定了基础，而且还确保了生物学的独立地位。因为尽管生物体本身的运行机理都可以用物理、化学的手段来研究，并用物理、化学的原理作出解释，但生物体的这些运行机理是怎么来的，只有进化论才能给出答案。
三、生命存在多样性
例3 （嘉兴市2013年学业考试卷第2题）研究人员近日宣布，他们以裸藻为主要原料成功生产出塑料。裸藻是一类兼具动物和植物特点的单细胞生物，之所以把它称为“裸藻”，原因是与其他的藻类细胞相比，它的细胞没有（ ）
A.细胞壁 B.细胞膜 C.细胞质 D.细胞核
细胞的结构和功能是生物学中最基础的内容之一，因为细胞是生命的基本单位。尽管题干材料比较新颖，但命题组的预测难度还是比较乐观的0.8，可实际检测的难度为0.65。假如试题是直接设问“植物细胞不同于动物细胞的结构是什么”，那肯定是个送分题。但在这样的试题情境下之所以会有这样的难度，原因恐怕是学生对生物具有多样性这一基本思想认识不足，认为藻类属于植物，植物就一定有细胞壁。
在生物学中，要给出定义或得出结论总要留有余地，原因就是生物具有多样性。生物多样性的原因在于其生存环境是多样的和复杂的，生物经过自然选择进化出不同的形态、结构、功能等来适应其多样的环境。即便生活在相同的环境里，生物也可以用不同的方式去适应。譬如，在同样的环境中，一些植物开花后能吸引昆虫帮它传粉，另一些植物的花则适于由风力来传粉；在虫媒花中，有的是因花色艳丽吸引昆虫，有的是因花的气味吸引昆虫。环境的多样化以及生物变异的不定向性，最后必然导致生命形式的多样化，这使得“非此即彼”的思维方式在生物学中往往会显得过于简单和机械。
其实，这个星球上的生物种类之多、生命形式之繁杂实在出乎我们的想象。目前有文献记载的生物约有175万种，但究竟还有多少物种没被发现？这个问题仍然困扰着生物学家们。科学家的预测少至300万，多至1亿。事实上，现在每年会有1.5万个新的物种被发现，并且这一发现速度还没有减缓的趋势。但是同时，每年约有5万种生物从这个地球上消失，而消失的原因多半源于我们人类的活动。
其实，生物科学发展到今天，对于诸如“生命是什么”“生命的起源是什么”“这个地球上有多少物种”这样一些看似最为基本的问题都还难以作出准确回答，而这正是生物复杂性的体现。但是，尽管生命世界还有许多奥秘有待解开，但生命本身并不神秘，因为生命没有超越自然，生命的运行原理没有超越一般的科学法则。