何明祥

初中科學(xué)課程是以對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)、以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為宗旨的綜合課程，內(nèi)容包括“科學(xué)探究”“生命科學(xué)”“物質(zhì)科學(xué)”“地球和宇宙”“科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境”五個(gè)板塊。其中，“科學(xué)探究”“科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境”是目前任何科學(xué)領(lǐng)域的課程都不可或缺的組成部分。全國各地初、高中的理、化、生分科課程，都將這兩個(gè)板塊作為重要的課程內(nèi)容。換句話說，它們是所有科學(xué)領(lǐng)域的課程都應(yīng)該體現(xiàn)并加以落實(shí)的目標(biāo)，而非初中科學(xué)綜合課程所特有的任務(wù)。從這個(gè)意義上說，初中科學(xué)綜合課程的獨(dú)特價(jià)值（或者說優(yōu)勢）也許在于課標(biāo)規(guī)定的課程目標(biāo)之知識(shí)與技能目標(biāo)的第一條——理解自然科學(xué)中統(tǒng)一的概念與原理，從而引導(dǎo)學(xué)生從整體上認(rèn)識(shí)自然界的內(nèi)在統(tǒng)一性。

但是，基于我們?nèi)粘４罅康恼n堂觀察以及對學(xué)生的學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)結(jié)果來看，當(dāng)下的初中科學(xué)教學(xué)在知識(shí)與技能目標(biāo)上還遠(yuǎn)未達(dá)到這樣的綜合高度。當(dāng)然，既然在科學(xué)課程中，將生命科學(xué)與物質(zhì)科學(xué)（暫且不論地球和宇宙科學(xué)）分立為兩塊并行的課程內(nèi)容，說明兩者之間在某種層面上存在著各自不同的運(yùn)行原理和規(guī)律，甚至一些獨(dú)特的學(xué)科思想。而作為科學(xué)教師，首先要領(lǐng)悟它們各自的基本原理和思想，因?yàn)橹挥姓驹谶@一基礎(chǔ)之上，達(dá)到一定的認(rèn)知高度，才能獲得寬廣的科學(xué)視野，進(jìn)而形成對自然界統(tǒng)一性的認(rèn)識(shí)。而當(dāng)下的科學(xué)教師，從專業(yè)結(jié)構(gòu)看，在其求學(xué)生涯中普遍缺少生物學(xué)專業(yè)的系統(tǒng)訓(xùn)練，致使在面對生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)容的教學(xué)時(shí)，缺少生物學(xué)的基本思想，更難以從科學(xué)統(tǒng)一性的高度來理解生命。

不過，由于生命世界的復(fù)雜性，對于初中階段的學(xué)生來說，生命的一些最本質(zhì)的原理和思想難以用簡潔的方式予以呈現(xiàn)，譬如物質(zhì)科學(xué)常?？梢赃M(jìn)行量化，而生命的復(fù)雜性使得量化十分困難（不是不能，而是復(fù)雜，多半是統(tǒng)計(jì)學(xué)上的量化），結(jié)果使得生物學(xué)的知識(shí)顯得很瑣碎，缺少良好的結(jié)構(gòu)，并以事實(shí)性知識(shí)為主。許多教師就此認(rèn)為生物學(xué)缺少普遍適用的原理與規(guī)律，處處都是例外，什么結(jié)論都難下，甚至覺得生物無理可講。所以在課堂上，生命科學(xué)與物質(zhì)科學(xué)多是以兩種不同的思維方式和話語體系來進(jìn)行教與學(xué)的，生命科學(xué)的教學(xué)方式明顯缺乏以邏輯推理為主要特征的理科屬性。但是我們必須明確，既然這個(gè)生物世界歷經(jīng)億萬年的進(jìn)化后能夠在這個(gè)星球上生存下來，必然是有道理的。不管是大到生態(tài)系統(tǒng)，還是小到細(xì)胞，也無論是它們的結(jié)構(gòu)還是功能，都有其存在的合理性。生物終究是“物”，是物一定有“理”，而這“理”就是生物科學(xué)的基本原理和思想。這些基本的原理和思想在近幾年嘉興市的科學(xué)學(xué)業(yè)考試卷中也得到了一定的體現(xiàn)。在此結(jié)合幾個(gè)典型試題，跟大家探討一下初中科學(xué)中有關(guān)生物學(xué)的若干基本原理和思想。

一、生命是一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)

例1 （嘉興市2011年學(xué)業(yè)考試卷第27題第二小題）植物的光合作用和呼吸作用強(qiáng)度可以用單位時(shí)間內(nèi)吸收或釋放二氧化碳的量來表示。如圖表示某植物在恒溫30℃時(shí)，處于不同光照強(qiáng)度下在單位時(shí)間內(nèi)對二氧化碳的吸收或釋放量。

（1）（略）。

（2）環(huán)境溫度對植物的光合作用和呼吸作用都會(huì)產(chǎn)生影響，原因是溫度會(huì)影響活細(xì)胞中的 。

這個(gè)問題命題組的預(yù)測難度是0.65，但實(shí)際檢測的難度達(dá)到了0.30，遠(yuǎn)超預(yù)期。而將這個(gè)問題放在生物學(xué)的視野下，其實(shí)是非?；A(chǔ)、簡單的問題，尤其是題目已將“溫度會(huì)影響活細(xì)胞中的”這樣帶有明顯提示性的字句放在空格前時(shí)，答案“酶的活性”幾乎就可以脫口而出了。從考后與教師的交流情況看，對這個(gè)問題的難度評(píng)價(jià)，專業(yè)背景不同的教師看法完全不同，有生物專業(yè)背景的教師普遍認(rèn)為這是一個(gè)容易題。

那么，這樣一個(gè)原以為可以“脫口而出”的問題最后卻難倒了七成的考生，原因何在？教師們給出的說法是：因?yàn)榻滩闹辉诤粑饔玫姆磻?yīng)式上標(biāo)注酶這個(gè)條件，而在光合作用的反應(yīng)式上標(biāo)注的條件是葉綠體，而試題中將兩種作用放在一起來分析，于是這樣一個(gè)基礎(chǔ)問題，學(xué)生（包括許多教師）就覺得難以回答了。

其實(shí)，生物體內(nèi)各種復(fù)雜的生命活動(dòng)都是以在各種酶的催化下進(jìn)行的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的，一個(gè)生物體或生物體中的一個(gè)細(xì)胞，本質(zhì)就是一個(gè)復(fù)雜而精密的物質(zhì)變化系統(tǒng)，正是細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜的物質(zhì)及其伴隨的能量變化，才會(huì)有不息的生命活動(dòng)和多樣的生命現(xiàn)象。這是生物學(xué)的基本原理與思想之一。

當(dāng)然，生物體的這種物質(zhì)變化是十分復(fù)雜的，變化反應(yīng)的底物或者產(chǎn)物往往是性質(zhì)十分穩(wěn)定的大分子有機(jī)物，且反應(yīng)是在生物體內(nèi)這種溫和條件下高效地進(jìn)行，這就離不開各種具有高效催化能力的酶。如在光合作用中，在可見光的推動(dòng)下，在常溫常壓下，使水裂解放出氧氣，并將簡單的二氧化碳合成復(fù)雜的有機(jī)物，同時(shí)將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在有機(jī)物中，這樣的物質(zhì)和能量變化必須在葉綠體光合膜系統(tǒng)上的各種酶的催化下才能進(jìn)行。要完成這樣的復(fù)雜變化，人類現(xiàn)有的技術(shù)水平仍是望塵莫及。與此相對，通過光合作用合成的有機(jī)物以及儲(chǔ)存的能量，要被各種生命活動(dòng)利用，就必須經(jīng)過細(xì)胞的呼吸作用。此時(shí)性質(zhì)極其穩(wěn)定的有機(jī)物（如糖類）在常溫常壓下，在微米尺度的線粒體內(nèi)氧化分解，且分解時(shí)能量的轉(zhuǎn)化效率達(dá)40%左右（現(xiàn)在最先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)化效率還只有25%左右），這同樣體現(xiàn)了生物這個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)的精妙之處。

其實(shí)，即便是我們大腦中的各種思維、心理活動(dòng)，本質(zhì)上都是物質(zhì)的變化及伴隨其中的能量轉(zhuǎn)化過程。所謂的意識(shí)、精神、心理活動(dòng)，都是大腦生理活動(dòng)的結(jié)果，是物理、化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。所以2011年版初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)將生物部分的主題2“生物的新陳代謝”改為“生物體內(nèi)的物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換”，其實(shí)就是為了體現(xiàn)生物科學(xué)與物質(zhì)科學(xué)的統(tǒng)一性，突顯了新陳代謝的本質(zhì)——生命體就是一個(gè)物質(zhì)變化系統(tǒng)。

事實(shí)上，上個(gè)世紀(jì)伊始，隨著生物化學(xué)和遺傳學(xué)的迅猛發(fā)展，各種生命現(xiàn)象紛紛被在分子和細(xì)胞水平上用物理、化學(xué)的變化原理加以解釋。通過研究生物體內(nèi)各個(gè)部分的物理、化學(xué)作用，完全可以解釋生物體的各種功能和現(xiàn)象，即生命科學(xué)也好，物質(zhì)科學(xué)也罷，基本的物質(zhì)與能量的運(yùn)行原理是一致的，差異性主要在于復(fù)雜程度和空間尺度的不同。唯一例外的是當(dāng)我們需要知道這些生命功能的起源時(shí)，必須加入獨(dú)立于物理、化學(xué)的原理，這就是用于解釋生物進(jìn)化的自然選擇學(xué)說。

二、生命具有不斷進(jìn)化與適應(yīng)能力

例2 （嘉興市2014年學(xué)業(yè)考試卷第14題）長期的自然選擇，使生物在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能等各個(gè)方面都表現(xiàn)出適應(yīng)性。如與靜脈相比，人體四肢的動(dòng)脈一般分布在較深的地方，這是對下列何者的適應(yīng)（ ）

A.動(dòng)脈的血壓高 B.動(dòng)脈中流的是動(dòng)脈血

C.動(dòng)脈的管壁厚 D.動(dòng)脈中的血流速度慢

此題的預(yù)測難度是0.60，實(shí)測難度為0.54，看上去還算正常，但就本題所考查的作為生物科學(xué)主干與核心知識(shí)“進(jìn)化與適應(yīng)”的要求來說，放在這樣一個(gè)試題情境下，相關(guān)思維要求并不高。

其實(shí)，生活在自然界的任何生物都無法擺脫自然選擇的魔手，自然選擇以及由此產(chǎn)生的結(jié)果——生物的進(jìn)化與適應(yīng)，是生物學(xué)的又一基本思想和原理，且自然選擇不僅對生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能起作用，甚至對生物的行為、心理等所有方面都起作用。而生物進(jìn)化的終極目標(biāo)是適應(yīng)環(huán)境，使種族更多地延續(xù)下去，以盡可能多地占領(lǐng)生存資源。拿此題的情境來說，與靜脈相比，動(dòng)脈之所以分布在身體較深的地方，原因在于動(dòng)脈是接受心臟泵出的血液，受到的血壓遠(yuǎn)比經(jīng)過毛細(xì)血管后的靜脈高，因此一旦受傷破裂就可能造成血液的大量流失而危及生命。同樣，動(dòng)脈的管壁厚、彈性大也是對血壓高的適應(yīng)，而跟里面的血液性質(zhì)及流速無關(guān)。而動(dòng)脈這樣的分布與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對于遠(yuǎn)古時(shí)期隨時(shí)都可能會(huì)發(fā)生各種傷害的古人來說尤為重要。

大家都曾聽過這樣一個(gè)段子。一個(gè)記者問放羊娃：“你放羊干嗎呢？”“賺錢呢！”“那賺錢干嗎呢？”“娶婆姨呢！”“娶婆姨干嗎呢？”“生娃咧！”“生娃干嗎咧？”“放羊呢！”人們在戲說這個(gè)段子時(shí)充滿了對放羊娃的嘲笑，作為一個(gè)“社會(huì)人”這樣的生命輪回確實(shí)沒有意義，但從人的生物屬性看卻是符合邏輯的，延續(xù)下去才是它的最終目標(biāo)。

不過，盡管現(xiàn)在的科學(xué)教材對生物的進(jìn)化以及達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說有專門的介紹，但在教師中還是存在著不少的誤讀。

從亞里士多德開始，一直到拉馬克構(gòu)建的第一個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)化假說，都認(rèn)為進(jìn)化的歷程就像個(gè)階梯，生物進(jìn)化被視為是一個(gè)從低到高一級(jí)一級(jí)向上攀升的過程，而人類就位于這個(gè)階梯的頂端。但是，達(dá)爾文的進(jìn)化論并不認(rèn)為進(jìn)化具有確定的方向，進(jìn)化是由變異而生的，這種變異通過自然選擇作用而適應(yīng)變化著的環(huán)境，而環(huán)境的變化總體來說是多方向的，因此生物進(jìn)化也是多向的?；蛘吒_切地說，進(jìn)化的路徑像一棵大樹，各個(gè)物種只是進(jìn)化樹上的不同分支，人類只是位于其中的一個(gè)分支而已。

所以，“進(jìn)化是一個(gè)由簡單到復(fù)雜、由低等到高等、由水生到陸生”這樣帶有明確方向性的說法也是值得推敲的。譬如，真核生物要比原核生物復(fù)雜，脊椎動(dòng)物要比無脊椎動(dòng)物復(fù)雜。而進(jìn)化史上，真核生物和脊椎動(dòng)物確實(shí)要比原核生物和無脊椎動(dòng)物晚出現(xiàn)，都是由它們進(jìn)化來的，但是直到今天，原核生物和無脊椎動(dòng)物并沒有被真核生物和脊椎動(dòng)物所取代，它們同時(shí)在不同的分支上進(jìn)化。事實(shí)上，盡管現(xiàn)有的原核生物（如細(xì)菌）要比真核生物原始，但它們的種類之多、數(shù)目之巨、對環(huán)境適應(yīng)能力之強(qiáng)，卻是真核生物所難以企及的。所以，從結(jié)構(gòu)、功能或生活環(huán)境來對現(xiàn)存生物作高低級(jí)的比較恐怕并不科學(xué)，因?yàn)檫M(jìn)化大樹有無數(shù)的分支，很難說哪個(gè)枝頭更高。

此外，我們還需明確，自然選擇的威力在于長期的累積效應(yīng)，它使生物體獲得某種適應(yīng)性時(shí)，并非是一蹴而就的，而是通過千百年的逐代選擇之后慢慢形成的。例如，由于生產(chǎn)力的發(fā)展，現(xiàn)代人類的營養(yǎng)水平大大改善，而體力支出大大下降，于是常常出現(xiàn)營養(yǎng)過剩，引發(fā)諸如“三高”等各種所謂的富貴病，那為什么人體沒有進(jìn)化出能夠排出各種多余營養(yǎng)的機(jī)能呢？那是因?yàn)槿祟愖哉Q生之日起一直過著饑寒交迫的生活，我們才剛剛開始過上營養(yǎng)過剩這種“好日子”。所以富含能量的糖類、脂類等營養(yǎng)物質(zhì)所具有的甜味和香味對我們總是充滿著誘惑。

達(dá)爾文的進(jìn)化論誕生之后，對生物現(xiàn)象的研究由博物學(xué)變成了科學(xué)，生物科學(xué)由此誕生。它不僅為生物學(xué)奠定了基礎(chǔ)，而且還確保了生物學(xué)的獨(dú)立地位。因?yàn)楸M管生物體本身的運(yùn)行機(jī)理都可以用物理、化學(xué)的手段來研究，并用物理、化學(xué)的原理作出解釋，但生物體的這些運(yùn)行機(jī)理是怎么來的，只有進(jìn)化論才能給出答案。

三、生命存在多樣性

例3 （嘉興市2013年學(xué)業(yè)考試卷第2題）研究人員近日宣布，他們以裸藻為主要原料成功生產(chǎn)出塑料。裸藻是一類兼具動(dòng)物和植物特點(diǎn)的單細(xì)胞生物，之所以把它稱為“裸藻”，原因是與其他的藻類細(xì)胞相比，它的細(xì)胞沒有（ ）

A.細(xì)胞壁 B.細(xì)胞膜 C.細(xì)胞質(zhì) D.細(xì)胞核

細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能是生物學(xué)中最基礎(chǔ)的內(nèi)容之一，因?yàn)榧?xì)胞是生命的基本單位。盡管題干材料比較新穎，但命題組的預(yù)測難度還是比較樂觀的0.8，可實(shí)際檢測的難度為0.65。假如試題是直接設(shè)問“植物細(xì)胞不同于動(dòng)物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)是什么”，那肯定是個(gè)送分題。但在這樣的試題情境下之所以會(huì)有這樣的難度，原因恐怕是學(xué)生對生物具有多樣性這一基本思想認(rèn)識(shí)不足，認(rèn)為藻類屬于植物，植物就一定有細(xì)胞壁。

在生物學(xué)中，要給出定義或得出結(jié)論總要留有余地，原因就是生物具有多樣性。生物多樣性的原因在于其生存環(huán)境是多樣的和復(fù)雜的，生物經(jīng)過自然選擇進(jìn)化出不同的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能等來適應(yīng)其多樣的環(huán)境。即便生活在相同的環(huán)境里，生物也可以用不同的方式去適應(yīng)。譬如，在同樣的環(huán)境中，一些植物開花后能吸引昆蟲幫它傳粉，另一些植物的花則適于由風(fēng)力來傳粉；在蟲媒花中，有的是因花色艷麗吸引昆蟲，有的是因花的氣味吸引昆蟲。環(huán)境的多樣化以及生物變異的不定向性，最后必然導(dǎo)致生命形式的多樣化，這使得“非此即彼”的思維方式在生物學(xué)中往往會(huì)顯得過于簡單和機(jī)械。

其實(shí)，這個(gè)星球上的生物種類之多、生命形式之繁雜實(shí)在出乎我們的想象。目前有文獻(xiàn)記載的生物約有175萬種，但究竟還有多少物種沒被發(fā)現(xiàn)？這個(gè)問題仍然困擾著生物學(xué)家們?？茖W(xué)家的預(yù)測少至300萬，多至1億。事實(shí)上，現(xiàn)在每年會(huì)有1.5萬個(gè)新的物種被發(fā)現(xiàn)，并且這一發(fā)現(xiàn)速度還沒有減緩的趨勢。但是同時(shí)，每年約有5萬種生物從這個(gè)地球上消失，而消失的原因多半源于我們?nèi)祟惖幕顒?dòng)。

其實(shí)，生物科學(xué)發(fā)展到今天，對于諸如“生命是什么”“生命的起源是什么”“這個(gè)地球上有多少物種”這樣一些看似最為基本的問題都還難以作出準(zhǔn)確回答，而這正是生物復(fù)雜性的體現(xiàn)。但是，盡管生命世界還有許多奧秘有待解開，但生命本身并不神秘，因?yàn)樯鼪]有超越自然，生命的運(yùn)行原理沒有超越一般的科學(xué)法則。