靳冬雪 劉恩山

（北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

STEM教育的盛行和美國《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的提出使得課程整合思想受到了廣泛的關(guān)注［1］。因此，跨學(xué)科概念作為打破學(xué)科界限的共通性知識，與其相關(guān)的學(xué)習(xí)和教學(xué)得到了國際科學(xué)教育的高度重視。美國、澳大利亞等多個國家的科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)都對跨學(xué)科概念提出了明確的學(xué)習(xí)要求，以促進學(xué)生深入理解科學(xué)知識和科學(xué)本質(zhì)［2］。系統(tǒng)及系統(tǒng)模型作為跨學(xué)科概念之一，體現(xiàn)了人們觀察和研究復(fù)雜世界的基本方式，它能幫助學(xué)生剖析并深入理解科學(xué)現(xiàn)象，進而形成更為連貫的知識框架［3］。實際上，在學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)中，小到微觀尺度的原子結(jié)構(gòu)，大到宏觀尺度的天體運動，處處滲透著系統(tǒng)及系統(tǒng)模型的概念。想要學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理解系統(tǒng)及系統(tǒng)模型，需要教師在課堂上對其進行外顯化的教學(xué)［3］。這要求教師首先理解系統(tǒng)的組成、特征、結(jié)構(gòu)與功能，以及系統(tǒng)模型的組成、形式與特征等，進而給予學(xué)生明確的教學(xué)指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)是有關(guān)聯(lián)的物體或元件組成的有秩序整體

無論是自然世界還是人工世界，都十分龐大且復(fù)雜，使得人們無法一次性透徹理解它們的全部內(nèi)容。因此，人們轉(zhuǎn)而研究其中的一部分，再將不同部分的研究成果相結(jié)合，以便更多地理解世界的運轉(zhuǎn)機理?？茖W(xué)家為了方便研究屬于世界整體的一小部分，在概念上人為劃分出了獨立的、用于調(diào)查和研究的單位，并稱之為“系統(tǒng)”［4］。例如，為了理解生物體的結(jié)構(gòu)和功能，科學(xué)家將細胞作為“系統(tǒng)”進行研究；為了理解構(gòu)成世界的微粒，科學(xué)家將原子作為系統(tǒng)，并研究發(fā)現(xiàn)了核內(nèi)電子與原子核的關(guān)系等。

1.1 系統(tǒng)包括邊界、組分及組分間的相互作用 術(shù)語“系統(tǒng)”在日常生活中十分常見，但由于對定義缺乏清晰的認(rèn)識，導(dǎo)致其時常被濫用。實際上，系統(tǒng)是有關(guān)聯(lián)的物體或元件組成的有秩序整體，包括邊界、組分及組分間的相互作用［3］。系統(tǒng)的模式圖如圖1所示，本文將具體闡釋系統(tǒng)的組成和特征。

圖1 一般系統(tǒng)的模式圖［5］

1.1.1 系統(tǒng)的邊界 凡是系統(tǒng)均具有邊界［6］。邊界能將待研究的系統(tǒng)和無關(guān)條件分隔開來，以區(qū)分哪些因素是系統(tǒng)內(nèi)的，哪些因素是系統(tǒng)外的。邊界的劃分促使人們將注意力集中到系統(tǒng)內(nèi)的因素，觀察其中某種特定的變化或影響［7］。邊界客觀存在，但不一定有形［6］。例如，動物細胞的細胞膜作為其邊界是有形的，可在顯微鏡下觀察到，而森林生態(tài)系統(tǒng)的邊界并不具有明確的可觀察形態(tài)。此外，不同系統(tǒng)的邊界對系統(tǒng)外環(huán)境的開放程度不同［6］。例如，封閉的生態(tài)缸僅能與環(huán)境交換能量，光能的輸入和熱能的輸出，并不涉及物質(zhì)的交換；動物細胞能通過細胞膜與環(huán)境進行物質(zhì)、能量和信息的交流，但這種交流是選擇性的；森林生態(tài)系統(tǒng)也能與環(huán)境進行物質(zhì)、能量和信息的交流，但其邊界的開放程度更大，甚至無法屏蔽干擾生態(tài)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的因素的輸入，例如，人為引起的森林火災(zāi)。

任何系統(tǒng)都是從環(huán)境中相對劃分出來的，邊界的界定取決于研究目的［6，8］。例如，關(guān)注植物細胞中蛋白質(zhì)的合成與分泌時，邊界可界定為該細胞的細胞膜，但關(guān)注光合作用的過程時，邊界則界定為葉綠體的外膜。由此可發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的界定具有相對性，一個系統(tǒng)中可包含若干子系統(tǒng)，而這個系統(tǒng)同時也可作為更大系統(tǒng)中的子系統(tǒng)［7］。例如，植物細胞中包含葉綠體、線粒體等子系統(tǒng)，而該植物細胞同時又作為子系統(tǒng)被包含在整株植物的大系統(tǒng)中。由于邊界的劃分是相對的，因而不會造成不同系統(tǒng)之間相互排斥，相反，不同系統(tǒng)之間可以存在交叉［7］。例如，人體的下丘腦作為高級中樞，屬于神經(jīng)系統(tǒng)，但下丘腦同時能分泌抗利尿激素等，因此也屬于內(nèi)分泌系統(tǒng)。在科學(xué)研究中，能在多大程度上將系統(tǒng)隔離（劃分）出來，或能在多大程度上控制外部條件對系統(tǒng)的影響，對研究設(shè)計和研究結(jié)果的解釋十分重要［3］。歷史上，人們在很長一段時間內(nèi)都沒有認(rèn)識到燃燒反應(yīng)中的質(zhì)量守恒，是因為未將生成物中的氣體包含在所研究的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)中。與此類似，“腐能生蠅” 結(jié)論的得出也是因為將產(chǎn)卵的蒼蠅劃分在了所研究的系統(tǒng)之外。

1.1.2 系統(tǒng)中的組分與相互作用 系統(tǒng)包含不同的組分，最少為2 種，原則上存在包含無窮多組分的系統(tǒng)［6］。這些具有多樣性和差異性的組分相互依賴、相互補充、相互制約，不存在與其他組分毫無關(guān)聯(lián)的孤立組分［6］。以森林生態(tài)系統(tǒng)為例，生產(chǎn)者、消費者、分解者及非生物成分作為組分，它們之間相互作用，使得物質(zhì)、能量、信息在系統(tǒng)內(nèi)流動：這些組分間相互依賴，每個組分或依賴其他組分的功能，或?qū)ζ渌M分的功能有所貢獻，例如，植物依賴動物釋放的CO2進行光合作用，而動物也依賴植物釋放的O2進行呼吸作用；同時，這些組分之間也相互制約，例如，某種被捕食者數(shù)量增多時，其相應(yīng)的捕食者的數(shù)量也隨之增多，從而抑制該被捕食者數(shù)量的繼續(xù)增多，以免引起系統(tǒng)組分比例的失衡，即通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

系統(tǒng)的組分之間必須相互關(guān)聯(lián)［6］，否則只是不同物體或元件的堆砌，更不能稱之為系統(tǒng)。正是這些組分間的相互作用，使系統(tǒng)具有“整體大于部分之和”的特點。系統(tǒng)是有關(guān)聯(lián)的組分構(gòu)成的整體，具有整體的結(jié)構(gòu)、整體的特性、整體的行為、整體的狀態(tài)、整體的功能，一旦系統(tǒng)分解，相互作用消失，這些整體的特征也將不復(fù)存在［6］。系統(tǒng)所具備的整體特征并不能在各組分中得到體現(xiàn)，甚至可能會與其組分的特征和行為十分不同［3］。例如，碳、氫、氧原子并不具有甜味，但相互關(guān)聯(lián)并組合成為葡萄糖之后，便具有了甜味的屬性，而葡萄糖一旦分解，甜味的屬性也會隨之消失。因此，在面對陌生的系統(tǒng)時，即使了解了系統(tǒng)中各組分的性質(zhì)及組分間相互作用的規(guī)律，也很難完全推知系統(tǒng)所具備的整體特征［6］。

理解組分間的相互作用對于理解系統(tǒng)十分關(guān)鍵?？茖W(xué)教學(xué)期望學(xué)生能從“系統(tǒng)的角度”思考和分析問題，而所謂“系統(tǒng)的角度”，意味著想要理解系統(tǒng)中的一個組分，需要充分考慮到它與其余組分是如何相互作用的；想要理解系統(tǒng)整體，需要充分考慮所有組分是如何相互作用的［7-8］?？傊?，教師在教學(xué)中應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生深入討論系統(tǒng)中的相互作用［3］。學(xué)生在理解系統(tǒng)后，可進而理解用于解釋世界的基本定律、理論和模型［4］。

1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能互為因果 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，是指系統(tǒng)各組分及組分間相互作用的總和［6］。而系統(tǒng)的功能，是指對系統(tǒng)輸入的轉(zhuǎn)換，具體來講，是指系統(tǒng)通過其結(jié)構(gòu)，將輸入轉(zhuǎn)化為有益于系統(tǒng)外事物存續(xù)與發(fā)展的輸出的行為［6，9］。以森林生態(tài)系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中動物呼吸釋放的CO2作為系統(tǒng)自行產(chǎn)生的輸入，與系統(tǒng)外輸入的CO2一起，進入系統(tǒng)內(nèi)綠色植物的光合作用，并輸出O2；這些O2的輸出一部分用于系統(tǒng)內(nèi)生物體的呼吸作用，一部分則輸出到系統(tǒng)外，供其他生命體使用。在人工設(shè)計的系統(tǒng)中，輸入與輸出間的轉(zhuǎn)換，即系統(tǒng)的功能體現(xiàn)得尤為明顯。以人工飼養(yǎng)的蜂群為例，當(dāng)蜜源（輸入）的數(shù)量或品質(zhì)提高，經(jīng)過蜂群系統(tǒng)采集和加工（系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)）后，蜂蜜（輸出）的數(shù)量或品質(zhì)也會發(fā)生變化。因此，設(shè)計系統(tǒng)時需要充分考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、輸入和輸出，即系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系，以期最大程度實現(xiàn)目標(biāo)。

1.2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定功能 無論在科學(xué)學(xué)習(xí)還是在日常生活中，結(jié)構(gòu)決定功能十分普遍。例如，細胞膜上的糖蛋白使細胞具有信息交流的功能；自行車的中軸和鏈條等使自行車具有傳動功能。因此，人們可通過設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)特定的功能［3］。如前所述，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是各組分及組分間相互作用的總和，因此，設(shè)計系統(tǒng)時也將從組分和組分間的相互作用入手。無論自然系統(tǒng)還是人工系統(tǒng)，組分的形狀、數(shù)量、制作材料的特性等，以及組分間相互作用的方式，都可作為設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時的切入點［3］。例如，當(dāng)需要提升自行車的行駛速度時，可通過去除非必要部件或更換低密度材料的方式實現(xiàn)減重，也可通過改變鏈條與不同大小的前、后齒輪盤之間的配合從而實現(xiàn)提速。

1.2.2 系統(tǒng)的功能決定結(jié)構(gòu) 人們已經(jīng)了解，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將決定其功能。但當(dāng)人們轉(zhuǎn)換思維，思考“這些結(jié)構(gòu)為什么要以這樣的方式存在？ ” 時，就會發(fā)現(xiàn)功能對于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有決定作用。以達爾文的自然選擇學(xué)說為例，各個生物體之所以呈現(xiàn)為人們當(dāng)下所見的樣子，是經(jīng)過了自然選擇的結(jié)果，那些能促進個體生存和發(fā)展的性狀被保留了下來，即功能決定了結(jié)構(gòu)。功能決定結(jié)構(gòu)是人工系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是根據(jù)其預(yù)期功能進行設(shè)計和制作的，并且為實現(xiàn)功能服務(wù)［9］。

因此，綜上所述，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能互為前提、互為因果［9］，功能可用結(jié)構(gòu)進行解釋，結(jié)構(gòu)也可用功能進行解釋［3］。

2 系統(tǒng)模型是描述和理解系統(tǒng)的有效工具

當(dāng)人們需要理解一個系統(tǒng)或?qū)⑾到y(tǒng)的含義傳達給他人時，可借助系統(tǒng)模型這項非常有效的工具［3］。系統(tǒng)模型根據(jù)研究問題對系統(tǒng)進行了必要的簡化，用適當(dāng)?shù)男问酵怀鲈搯栴}下系統(tǒng)的主要特征，從而達到科學(xué)解釋或工程學(xué)設(shè)計的目的［3，6］。

2.1 系統(tǒng)模型包括邊界、組分及組分間的相互作用 盡管系統(tǒng)模型對系統(tǒng)所傳達的信息進行了壓縮，但其必須包括邊界、組分及組分間的相互作用［3］，只是其中的組分和相互作用都根據(jù)研究問題進行了簡化。并且，對于同一個系統(tǒng)，當(dāng)研究問題不同時，構(gòu)建的系統(tǒng)模型也不同。例如，關(guān)注細胞內(nèi)分泌蛋白的合成和運輸時，系統(tǒng)模型將以細胞膜為邊界，重點描述細胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體、高爾基體、囊泡等，以及這些組分間用于合成和運輸?shù)鞍踪|(zhì)的相互作用；當(dāng)關(guān)注細胞的增殖時，系統(tǒng)模型仍以細胞膜為邊界，但是將重點描述核仁、核膜、染色體、紡錘體等組分及這些組分間的相互作用。

系統(tǒng)模型具有不同的形式和復(fù)雜性，從簡單的圖文系統(tǒng)模型到復(fù)雜詳盡的計算機模擬，而且模型越精確就越復(fù)雜［3，10］。系統(tǒng)模型形式的選 擇以有效傳遞系統(tǒng)的信息為目的，例如，當(dāng)需要直觀、感性地描述系統(tǒng)時，可選擇圖文形式；當(dāng)需要定量描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、輸入和輸出時，可選擇數(shù)學(xué)形式。無論形式如何，無論應(yīng)用于科學(xué)解釋還是工程學(xué)設(shè)計，系統(tǒng)模型都需要包括邊界、組分及組分間的相互作用。系統(tǒng)模型可很好地預(yù)測一個系統(tǒng)的行為，或檢測系統(tǒng)功能的問題，如果沒有事先用系統(tǒng)模型進行試驗，而是直接進行調(diào)查，研究風(fēng)險或花費可能會很高［3］。

2.2 系統(tǒng)模型的假設(shè)和近似影響其可信度與準(zhǔn)確度 系統(tǒng)模型對系統(tǒng)進行了簡化，意味著任何一個系統(tǒng)模型都包括了假設(shè)和近似，而這些假設(shè)和近似會影響系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確度和可信度［3］。準(zhǔn)確度是指系統(tǒng)模型對原系統(tǒng)的反映程度，準(zhǔn)確度越高，說明模型中的邊界、組分、相互作用與原系統(tǒng)越接近。可信度是系統(tǒng)模型在相同條件下進行重復(fù)所得結(jié)果間的相關(guān)性，可信度越高，說明系統(tǒng)模型的行為越穩(wěn)定［11］。不過，系統(tǒng)模型可信度和準(zhǔn)確度的高低不是絕對的，而是取決于模型的用途［3］。

以圖2所示的呼吸運動模型為例，鐘形罩作為邊界，氣球、玻璃管、橡皮膜分別代表系統(tǒng)中的組分，即肺、氣管、膈肌，橡皮膜的下拉與上推會使氣球隨之吸入或排出氣體，從而表示呼吸運動系統(tǒng)中各組分間的相互作用。該模型進行了多處假設(shè)和近似，例如，假設(shè)呼吸運動系統(tǒng)中未包含胸廓內(nèi)部除肺、氣管、膈肌以外的結(jié)構(gòu)（例如心臟）；將實際情況中的右肺大于左肺近似為兩肺大小相等。盡管這些假設(shè)和近似使得模型未能準(zhǔn)確反映呼吸運動系統(tǒng)的真實結(jié)構(gòu)，但考慮到該模型的用途是解釋膈肌運動引起肺容積的變化，且重復(fù)操作能得到相同的結(jié)果，可認(rèn)為該模型的準(zhǔn)確度和可信度均較高。相比之下，自行制作的簡易生態(tài)瓶中，假設(shè)和近似對準(zhǔn)確度和可信度有較大的影響，例如，該系統(tǒng)模型容易崩潰，即使重復(fù)操作，也難以獲得相同的結(jié)果。

圖2 呼吸運動系統(tǒng)模型［12］

系統(tǒng)模型的可信度和準(zhǔn)確度之間沒有必然的聯(lián)系，可能存在可信度高但不準(zhǔn)確的系統(tǒng)模型，也可能存在準(zhǔn)確但可信度低的系統(tǒng)模型［3］。例如，已獲得穩(wěn)定藥理效應(yīng)的實驗小鼠，由于與人體存在差異，可認(rèn)為是可信度高但準(zhǔn)確度低的系統(tǒng)模型；在隨機抓取彩色小球以模擬性狀分離比的實驗中［13］，對小球的抓取盡管是完全隨機的，但若抓取次數(shù)較少導(dǎo)致結(jié)果間差異較大，會使其成為準(zhǔn)確度高但可信度低的系統(tǒng)模型。

3 系統(tǒng)及系統(tǒng)模型概念的課堂教學(xué)建議

學(xué)生對跨學(xué)科概念的理解依賴于課程和教學(xué)的支持［14］。為了將系統(tǒng)及系統(tǒng)模型概念融入到理科課堂中，教師在進行教學(xué)設(shè)計時可參考以下2 個方面的建議，以給予學(xué)生明確的指導(dǎo)。

3.1 將系統(tǒng)模型作為學(xué)生理解概念的認(rèn)知工具 系統(tǒng)模型是理解學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念的有效工具，構(gòu)建并使用模型也是重要的科學(xué)實踐活動之一［3］。已有研究表明，以模型為中心進行設(shè)計的課程能有效地促使學(xué)生識別并解釋自然界水循環(huán)中的組分及相互作用［15］。該課程中，教師首先組織學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)模型解釋其對水循環(huán)的初步理解，之后學(xué)生通過探究活動收集數(shù)據(jù)或證據(jù)，以評估該系統(tǒng)模型是否清晰地解釋了水循環(huán)過程中的組分與相互作用，發(fā)現(xiàn)其中可能存在的問題和不足。這樣，學(xué)生在評估環(huán)節(jié)后對水循環(huán)建立了新的理解，再由教師引導(dǎo)他們修正先前所構(gòu)建的系統(tǒng)模型，并將修正后的系統(tǒng)模型應(yīng)用到實際情境中，解釋水循環(huán)相關(guān)的現(xiàn)象，以鞏固對概念的理解。因此，教師可將系統(tǒng)模型作為輔助學(xué)生理解概念的認(rèn)知工具，在課堂教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建、評估、修正和應(yīng)用系統(tǒng)模型，從而梳理具體現(xiàn)象中的組分及相互作用，促進學(xué)生理解學(xué)科核心概念及系統(tǒng)概念。

3.2 對系統(tǒng)及系統(tǒng)模型概念進行外顯化教學(xué) 盡管系統(tǒng)和系統(tǒng)模型在各學(xué)科中普遍存在，但學(xué)生的理解并不會因此自發(fā)形成，而是需要教師進行外顯化地指導(dǎo)，將概念明確地展示給學(xué)生［14］。課堂上，學(xué)生完成探究活動后，需要用自己的語言表達對所學(xué)概念的理解，教師則在此基礎(chǔ)上對概念作出直接、正確的解釋［16］。這意味著在構(gòu)建、評估、修正和應(yīng)用系統(tǒng)模型的課堂中，學(xué)生在評估環(huán)節(jié)建立并表述出其對概念的新的理解后，教師需要直接地、簡明扼要地將學(xué)科核心概念、系統(tǒng)及系統(tǒng)模型的內(nèi)涵展示給學(xué)生，再進入系統(tǒng)模型的修正和應(yīng)用階段。考慮到系統(tǒng)及系統(tǒng)模型概念十分抽象，且包含多個子概念，學(xué)生對其組成和特征的理解應(yīng)當(dāng)循序漸進，通過多次、反復(fù)的接觸和學(xué)習(xí)逐步完成［14］。

4 結(jié)語

科學(xué)課程有著走向整合的普遍趨勢，而整合需要以學(xué)科間的共通性作為中心［17］。系統(tǒng)及系統(tǒng)模型作為重要的跨學(xué)科概念之一，其在課堂教學(xué)中的滲透將推動落實學(xué)科間的橫向關(guān)聯(lián)，促使學(xué)生掌握更為上位、更具統(tǒng)一性的觀點。教師要透徹理解系統(tǒng)及系統(tǒng)模型的內(nèi)涵，重視構(gòu)建系統(tǒng)模型的實踐活動及外顯化教學(xué)對于學(xué)生理解的促進作用。同時，也要加強學(xué)科間的交流與合作，討論并使用統(tǒng)一的科學(xué)術(shù)語對系統(tǒng)及系統(tǒng)模型進行教學(xué)，以保證學(xué)生在不同學(xué)科背景也可獲得對該概念的一致理解［14］。