劉煥書

(福建省上杭縣第一中學(xué) 364200)

“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017)》中凝煉出的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一——生命觀念中的重要內(nèi)容，是自然科學(xué)課程共同的重要概念.通俗的說，穩(wěn)態(tài)即維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而平衡是對(duì)立的兩個(gè)方面或相關(guān)的幾個(gè)方面在數(shù)量或質(zhì)量上均等或大致均等.生命系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)態(tài)和平衡的系統(tǒng)，無論是構(gòu)成生命的物質(zhì)還是結(jié)構(gòu)，亦或是個(gè)體的數(shù)量，在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，均需保持相對(duì)穩(wěn)定，否則生命就無法正常進(jìn)行.所以在高中生物學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生牢固形成“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”，在高中生物復(fù)習(xí)中利用穩(wěn)態(tài)與平衡的觀念來構(gòu)建相關(guān)的知識(shí)體系，并且利用穩(wěn)態(tài)與平衡的觀念來實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科解決一些實(shí)際問題，包括試題，具有重要的意義.

一、基于“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”的人體水平衡數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)

在數(shù)學(xué)上，學(xué)生從小學(xué)開始就懂得，一個(gè)小水池，有一進(jìn)水口和一個(gè)出水口，當(dāng)進(jìn)水速度大于出水速率時(shí)，水池中的水會(huì)越來越多，反之會(huì)越來越少；當(dāng)進(jìn)水速率與出水速率相當(dāng)時(shí)，水池中的水能保持相對(duì)穩(wěn)定.利用學(xué)生這個(gè)熟悉、易理解的原理，進(jìn)行人體水平衡知識(shí)的建構(gòu).人體內(nèi)的水分約占體重的50%～60%，相當(dāng)于水池中的水量，每天水的來源相當(dāng)于進(jìn)水口，每天水的排出相當(dāng)于出水口，當(dāng)人體水的來源(主要包括飲水、食物中的水、代謝產(chǎn)生的水等)與排出(主要通過腎臟排尿、皮膚排汗、呼吸中的水蒸氣和糞便中帶走的水等)相當(dāng)時(shí)，人體內(nèi)的水就能保持相對(duì)穩(wěn)定.由于人體排出的水量的多少主要受水的來源(用a表示)的影響，而排水主要是通過排尿量(用y表示)和排汗量(用x表示)進(jìn)行；且排尿量的多少又受出汗量的變化而變化.所以可以用一個(gè)公式表示它們間大致的關(guān)系：y=a-b-x(b代表呼吸中以水蒸氣形式和糞便中帶走的水量等).

利用建立的水平衡知識(shí)數(shù)學(xué)模型，能較好地系統(tǒng)的理解相關(guān)知識(shí)和解釋有關(guān)問題.例如，為什么冬天排尿量相對(duì)較多而夏天排尿量較少？如果在人體水的攝入量(a)一定量的情況下，由于冬天氣溫較低，汗腺分泌汗液(x)較少，所以排尿量(y)值增大，而夏天氣溫高，人體分泌汗液量大，排尿量就少.

基于“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”建立水平衡模型，先通過類比推理的方法，利用大家熟悉的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建出人體水平衡的知識(shí)框架，使人體內(nèi)水平衡的知識(shí)變的直觀形象，再進(jìn)一步分析水平衡的具體過程，總結(jié)出簡(jiǎn)單的公式模型.在此基礎(chǔ)上引出人體水平衡的調(diào)節(jié).

二、基于“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”的物理原理的人體體溫恒定的知識(shí)模型建構(gòu)

在物理學(xué)上，要保持物體溫度的相對(duì)恒定，必需物體獲得的熱量等于物體的散熱.比如電冰箱、空調(diào)和熱水器等都大致是這個(gè)原理.其實(shí)人體體溫的恒定也遵循這一理論.健康人的體溫能恒定在37℃左右，就是人體的產(chǎn)熱量等于散熱量.人體熱量的來源主要是細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用將有機(jī)物氧化分解時(shí)，可以釋放大量熱量，特別是骨骼肌和肝臟產(chǎn)熱較多；而熱量的散失主要通過皮膚進(jìn)行的，包括毛細(xì)血管的散熱和皮膚中汗腺分泌汗液的蒸發(fā)，此外呼氣、排尿和排遺等也會(huì)帶走一部分的熱量.體溫恒定的過程如圖1所示.

圖1

利用此體溫恒定的知識(shí)模型，可以從相對(duì)宏觀的角度理解體溫調(diào)節(jié)過程，在寒冷時(shí)，骨骼肌和肝臟等代謝加強(qiáng)，產(chǎn)熱量增加，同時(shí)皮膚毛細(xì)血管收縮和汗腺分泌汗液減少，以使散熱量減少；炎熱時(shí)正好相反，以維持體溫恒定.利用此知識(shí)模型也可解釋很多的生物現(xiàn)象，比如，某人因感染病原體而發(fā)熱，從早上8點(diǎn)到11點(diǎn)體溫均持續(xù)在38.5℃左右，此時(shí)間段內(nèi)，此人體內(nèi)的產(chǎn)熱量與散熱量的關(guān)系是怎樣？由模型可知，若產(chǎn)熱量大于散熱量，則體溫會(huì)升高，若產(chǎn)熱量小于散熱量，體溫會(huì)下降；在3h內(nèi)，體溫維持相對(duì)穩(wěn)定，產(chǎn)熱量應(yīng)該與散熱量相當(dāng).

通過人體體溫恒定的教學(xué)，幫助學(xué)生建立跨學(xué)科的概念，反過來，跨學(xué)科的的概念的建立，又能加深對(duì)人體體溫恒定概念的理解，并實(shí)現(xiàn)這些跨學(xué)科內(nèi)容的融會(huì)貫通，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的目標(biāo).

三、“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”視域下跨化學(xué)科的碳循環(huán)知識(shí)體系構(gòu)建

全球氣候變化是全球性的一個(gè)嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題，二氧化碳是重要的溫室氣體.在化學(xué)上，大氣中二氧化碳的濃度能持在0.03%左右，這與生態(tài)系統(tǒng)中碳的循環(huán)是密不可分的.從平衡的角度看，大氣中的二氧化碳主要通過生產(chǎn)者固定成為有機(jī)物，包括生物的光合作用和一些微生物的化能合成作用；而二氧化碳的來源主要包括植物和動(dòng)物在內(nèi)的生物的呼吸作用和微生物的分解作用，以及化石燃料的燃燒等.大氣中CO2濃度的穩(wěn)態(tài)可以用如圖2所示模式表示：

圖2

由上面CO2的穩(wěn)態(tài)與平衡知識(shí)模型可知，在自然生態(tài)系統(tǒng)中，一定時(shí)間內(nèi)CO2的固定速率和產(chǎn)生速率大致是同等的，所以CO2濃度能維持相對(duì)穩(wěn)定.此知識(shí)模型可以用于解釋一些相關(guān)現(xiàn)象，例如，與40年前(1980年)相比，現(xiàn)在大氣中的二氧化碳濃度為什么明顯升高？北半球的冬天，二氧化碳的濃度為什么明顯比夏天高？從CO2的固定速率來看，與40年前比，城鎮(zhèn)化和人口的增長(zhǎng)，植被被大量破壞，光合作用固定的CO2減少；而由于工業(yè)化的發(fā)展，大量的化石燃料被利用， CO2的釋放量大大增加，從而導(dǎo)致大氣CO2濃度的上升.同理，與夏天相比，北半球的冬天絕大部分植物落葉進(jìn)入休眠，即使少數(shù)常綠的植物也因溫度低、日照時(shí)間短，光合速率低，所以CO2固定速率大大下降；進(jìn)入冬天后，北半球的取暖等，化石燃燒的使用量劇增，CO2釋放增加，導(dǎo)致大氣CO2濃度上升.

全球氣候變暖的原因是一個(gè)復(fù)雜的問題，分析和解決氣候變暖的原因和措施需要多學(xué)科的知識(shí)，教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生從跨學(xué)科的角度深入思考，積極探究，抓住主要矛盾.大氣中CO2濃度的升高，從去路來看，主要是植被的問題，而從來源看主要是化石燃料的利用問題.通過這些跨學(xué)科問題的分析，鞏固學(xué)生對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí).

四、“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”在解題中的應(yīng)用

在教學(xué)中，有意識(shí)培養(yǎng)學(xué)生形成“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”，用穩(wěn)態(tài)與平衡的觀念解決一些實(shí)際情境問題，具有非常大的幫助.例如，人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書生物必修3，第116頁：圖3是河流生態(tài)系統(tǒng)受到生活污水(含大量有機(jī)物)輕度污染后的凈化過程示意圖.

圖3

請(qǐng)根據(jù)圖回答：(1)在該河流的AB段上，溶解氧大量減少的主要原因是什么? (2)水中溶解氧含量在BC段逐漸恢復(fù)的主要原因是什么?

類似的問題還很多，基本貫穿在高中生物教學(xué)的整個(gè)過程中.例如在講光合作用的過程時(shí)，在一定的條件(適宜的光照強(qiáng)度、CO2濃度和溫度等)下，葉綠體中的ATP、ADP、三碳化合物(C3)和五碳化合物(C5)的含量是維持相對(duì)穩(wěn)定的.當(dāng)植株突然置于黑暗環(huán)境中(其它條件不變)，短時(shí)間內(nèi)，其中的C3的含量會(huì)發(fā)生怎樣的變化呢？利用穩(wěn)態(tài)與平衡的觀點(diǎn)解釋就很清晰，首先從C3的來源看，CO2濃度不變，CO2固定形成C3的反應(yīng)能繼續(xù)進(jìn)行；而由于在黑暗環(huán)境下，光反應(yīng)不能進(jìn)行，ADP無法繼續(xù)合成ATP，原有少量ATP被消耗后，C3就不能再被還原了.所以C3的含量在短時(shí)間內(nèi)會(huì)變多后趨于穩(wěn)定.

“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”是生命觀念的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是自然科學(xué)課程共有的概念；在學(xué)習(xí)生物過程中形成穩(wěn)態(tài)與平衡觀念是一項(xiàng)必備的品格和關(guān)鍵能力.對(duì)于理解生物學(xué)科的概念和知識(shí)體系的建立，以及分析、理解和解決實(shí)際問題具有重要作用.