靳冬雪 劉恩山

（北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

STEM教育的盛行和美國《下一代科學教育標準》的提出使得課程整合思想受到了廣泛的關(guān)注［1］。因此，跨學科概念作為打破學科界限的共通性知識，與其相關(guān)的學習和教學得到了國際科學教育的高度重視。美國、澳大利亞等多個國家的科學課程標準都對跨學科概念提出了明確的學習要求，以促進學生深入理解科學知識和科學本質(zhì)［2］。系統(tǒng)及系統(tǒng)模型作為跨學科概念之一，體現(xiàn)了人們觀察和研究復雜世界的基本方式，它能幫助學生剖析并深入理解科學現(xiàn)象，進而形成更為連貫的知識框架［3］。實際上，在學生的科學學習中，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。想要學生在學習過程中理解系統(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［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，進而給予學生明確的教學指導。

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識，導致其時常被濫用。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。

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)都沒有認識到燃燒反應中的質(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反應系統(tǒng)當中。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教學期望學生能從“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?，教師在教學中應注意引導學生深入討論系統(tǒng)中的相互作用［3］。學生在理解系統(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。

1.2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定功能 無論在科學學習還是在日常生活中，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，都可作為設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時的切入點［3］。例如，當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說為例，各個生物體之所以呈現(xiàn)為人們當下所見的樣子，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)其預期功能進行設計和制作的，并且為實現(xiàn)功能服務［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?shù)男问酵怀鲈搯栴}下系統(tǒng)的主要特征，從而達到科學解釋或工程學設計的目的［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雜性，從簡單的圖文系統(tǒng)模型到復雜詳盡的計算機模擬，而且模型越精確就越復雜［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，當需要直觀、感性地描述系統(tǒng)時，可選擇圖文形式；當需要定量描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、輸入和輸出時，可選擇數(shù)學形式。無論形式如何，無論應用于科學解釋還是工程學設計，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，研究風險或花費可能會很高［3］。

2.2 系統(tǒng)模型的假設和近似影響其可信度與準確度 系統(tǒng)模型對系統(tǒng)進行了簡化，意味著任何一個系統(tǒng)模型都包括了假設和近似，而這些假設和近似會影響系統(tǒng)模型的準確度和可信度［3］。準確度是指系統(tǒng)模型對原系統(tǒng)的反映程度，準確度越高，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和近似，例如，假設呼吸運動系統(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。盡管這些假設和近似使得模型未能準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，且重復操作能得到相同的結(jié)果，可認為該模型的準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，假設和近似對準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)模型的可信度和準確度之間沒有必然的聯(lián)系，可能存在可信度高但不準確的系統(tǒng)模型，也可能存在準確但可信度低的系統(tǒng)模型［3］。例如，已獲得穩(wěn)定藥理效應的實驗小鼠，由于與人體存在差異，可認為是可信度高但準確度低的系統(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)較少導致結(jié)果間差異較大，會使其成為準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建議

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

3.1 將系統(tǒng)模型作為學生理解概念的認知工具 系統(tǒng)模型是理解學科核心概念和跨學科概念的有效工具，構(gòu)建并使用模型也是重要的科學實踐活動之一［3］。已有研究表明，以模型為中心進行設計的課程能有效地促使學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)模型作為輔助學生理解概念的認知工具，在課堂教學中引導學生構(gòu)建、評估、修正和應用系統(tǒng)模型，從而梳理具體現(xiàn)象中的組分及相互作用，促進學生理解學科核心概念及系統(tǒng)概念。

3.2 對系統(tǒng)及系統(tǒng)模型概念進行外顯化教學 盡管系統(tǒng)和系統(tǒng)模型在各學科中普遍存在，但學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，將概念明確地展示給學生［14］。課堂上，學生完成探究活動后，需要用自己的語言表達對所學概念的理解，教師則在此基礎上對概念作出直接、正確的解釋［16］。這意味著在構(gòu)建、評估、修正和應用系統(tǒng)模型的課堂中，學生在評估環(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、簡明扼要地將學科核心概念、系統(tǒng)及系統(tǒng)模型的內(nèi)涵展示給學生，再進入系統(tǒng)模型的修正和應用階段?？紤]到系統(tǒng)及系統(tǒng)模型概念十分抽象，且包含多個子概念，學生對其組成和特征的理解應當循序漸進，通過多次、反復的接觸和學習逐步完成［14］。

4 結(jié)語

科學課程有著走向整合的普遍趨勢，而整合需要以學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科概念之一，其在課堂教學中的滲透將推動落實學科間的橫向關(guān)聯(lián)，促使學生掌握更為上位、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對于學生理解的促進作用。同時，也要加強學科間的交流與合作，討論并使用統(tǒng)一的科學術(shù)語對系統(tǒng)及系統(tǒng)模型進行教學，以保證學生在不同學科背景也可獲得對該概念的一致理解［14］。