利用多角度論題 培養學生系統思維能力

祝嫦巍

[摘 要]隨著生命科學的快速發展，信息量迅速增加，學科分支變得越來越精細。可以嘗試將細胞生物學的課堂授課內容進行整理，引入核心概念構建知識框架；在教學過程中引入多層次或多角度的論題，利用這些論題將部分知識內容進行整合。這一方面能讓學生利用概念把握規律，對于“細胞”作為一個有機整體，在時間和空間上的動態過程有更深入的理解和掌握；另一方面也可以逐步拓寬學生的思維領域，培養學生的系統思維能力。

[關鍵詞]細胞生物學；系統思維；核心概念；知識框架；多角度論題

[中圖分類號] G645 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）06-0013-05

一、系統思維

系統科學是20世紀人類社會最重要的科學成果之一，其核心思想就是系統思維（Systems thinking）[1]。系統思維的概念是在20世紀20年代南非政治家史末資（Jan Christiaan Smuts）的整體論（Holism），以及20世紀40年代奧地利生物學家貝塔朗菲（Karl Ludwig von Bertalanffy）提出的一般系統理論（General systems theory）基礎上延伸發展而來。系統思維通過考察系統中各個部分組件之間的連接及其相互作用的關系，理解整體系統，進而找出問題所在。系統思維也試圖解釋為何一個小部件的改變或者一個遠距離事件的發生，最終可以導致一個復雜系統的顯著改變；系統內一個區域事件的改變可以影響到另一個區域事件的發生。系統內部的信息組織交流在不同層面上發生，可以產生不一樣的影響。目前，認為系統思維可以適用于各個領域，如物理學、生物學、社會學、經濟學、工程科學、人類健康及醫藥科學等[2][3][4]。

隨著實驗科學的發展，人們越來越依賴于實驗數據以及數學計算的方法來獲得知識和信息。而這些處理方法實際上大多最終歸于線性方法或者僅能得出唯一的結論。同時，由于系統的復雜性，從功能主義的整體性進行科學研究還存在一定的困難。這就使得真個系統的整體性在不知不覺中被忽略。而還原論（Reductionism）作為一種化繁為簡的研究方法，尤其在生物學的研究中取得了極大的成就。從分子生物學的角度探討生命的本質，以及生命的規律和機制，可以將生物學的研究推向一個嶄新的階段。但是還原論的勝利并不意味著它解釋了生物體的有機性與整體性，生物體的整個系統并不是單個有機分子的簡單疊加，而是一個開放的、有序的、有組織、有層次的結構。

雖然整體論和還原論的爭論由來已久，但目前的生物學研究中兩種策略并不是對立的，而是互補的[5][6]。無論是整理論還是還原論，人們企圖理解自然界的愿望是一致的，只是不同觀念下的表現不同而已。當今的科學發展也表明，單一的整體論是直觀的、猜測性的、缺乏科學依據；而單純的還原論也只能將我們的認識停留在零碎的事物表面上，缺乏整體觀點，只見樹木不見森林。因此，在研究中兩種觀點都是需要的，他們是互補的。

二、細胞生物學教學現狀

生命科學在20世紀得到了極大的發展。隨著研究內容的不斷深入，研究技術極大改進，研究領域也不斷拓寬。科學朝著多元化、精細化的方向發展，各個分支學科的研究也越來越細致深入。大學本科生命科學的專業學科分類越來越細化。過去一個生物系或生科院被分為若干部門或學院，而每一個部門或學院的課程只專注于相關的領域。這也是還原論勝利的一種表現。不可否認，對某一領域的專注研究更容易產生有意義的發現和有價值的應用研究成果，這也是現代科學研究的總趨勢。而且隨著研究內容的拓寬，信息量的迅速增加，一個人也很難同時掌握多個專業學科的系統知識。而此時我們也應該注意到，正是由于科學復雜性的增加，對各個學科分支的接口以及對整體系統的關注有著極其重要的意義。

細胞生物學是生命科學的基礎，也是一門綜合性的前沿科學。細胞生物學研究與教學內容可分為細胞結構與功能和細胞生命活動兩大部分[7]，而它們之間是不可分割的。雖然分子生物學闡述了構成細胞的基礎物質（蛋白質、核酸等）的結構和功能，但細胞本身不能孤立存在，它與環境間的各種因子相互關聯。細胞的生命過程本身就是一個多層次的事件，而由于其結構與功能的相關性，這又是一個多角度的問題，同時細胞的生命活動是隨著時間改變的動態過程。因此，細胞生物學的教學不僅是單純地描述細胞的各部分結構組成以及相應的功能，同時闡述作為一個有機體，其生長、發育、分化、凋亡等各種生命活動的過程和調控機制。因此，建立細胞體系的整體概念對于細胞生物學的學習和相關知識要點的掌握非常重要，同時這也有助于學生對大自然和生命本質的理解。

文字書籍是平面的。與此相矛盾的是，細胞是一個三維立體結構。因此文字教程很難展示細胞的三維立體結構，更難表述這個三維立體結構隨時間變化的動態過程。這是目前教材建設和課程講授的一個難題。目前，所有的本科細胞生物學課程以及教材[8][9]只能將內容分成章節，逐一講述。教師在教學過程中由于受到教材中章節劃分的影響，容易忽略細胞生物學的整體性。而學生由于初次接觸陌生的知識，很難在短時間內將各部分內容融合為有機的整體。因此，在授課過程中存在諸多難點，如細節多、知識點分散、前后連貫性和邏輯性不強等，還會導致學生記憶、理解的困難，嚴重者可能會造成學生學習的恐懼心理或者導致學生自暴自棄。

在我國，大學教育實行的是專業教育，旨在培養掌握一定專業知識和技能的專門人才。素質教育雖然被強調很多年，但目前整體的教育環境，以及現行的教育體制、結構、人才培養模式以及教學內容、教學方法上都與培養現代化建設需要的創新人才有較大差距[10][11]。但是教育環境不是通過某個教師或某個學校的努力就可以在短時間內改變的，這也是素質教育一直停留在口號階段的主要原因。雖然教育環境不盡如人意，但“融素質教育于專業教育中”一直是高等教育努力的方向，我們應培養具有積極的人生觀和價值觀、良好的自我學習能力、面對問題敢于思考和勇于突破的創新性人才。

人類大腦對于信息的處理加工是一個自然的過程，雖然我們現在還不能從生物學本質上解釋這個過程是如何發生的。但是我們有能力將我們感受到的點點滴滴的信息和知識與我們過去的知識經驗聯系在一起，形成新的、更大的數據系統或者認知體系[12]，進而逐漸形成經驗和能力，以及人生觀和價值觀。這也是教育和學習可以在人類社會開展的一個本質原因。也就是說，即使沒有刻意的引導，學生也能進行自我學習，并在長時間的思考過程中總結經驗、發現規律。問題在于這樣的學習過程，信息量積累速度非常慢，學生用來總結經驗所花的時間也會非常長。此時我們看到教育的意義所在，由于有學校和教師的存在，其可以為學生提供更多的知識信息的來源，在一系列強化訓練和教師的引導下，學生可以迅速積累知識，認清事物之間的聯系，縮短認識時間，積累經驗，提高系統思維能力[13][14]。教育和學習是一個事物的兩個方面。在這個過程中，教師的作用是提供系統的、豐富的知識，而學生的任務是將盡可能多的知識“化為己有”，形成個人的經驗和價值體系。而“如何教”和“如何學”則最終體現為學習效果。

三、細胞生物學授課內容整合

我們嘗試將細胞生物學的課堂授課內容進行整理，引入核心概念構建知識框架，將教學中相對分散的知識點進行歸類，幫助學生建立系統的知識體系。同時在教學過程中引入多層次或多角度的論題，利用這些論題將不同章節的知識內容進行串聯，從整體的角度理解和認識細胞這一復雜的有機體系。核心概念簡單明了，可以讓學生利用概念把握學習規律，這不僅有利于學生對書本知識的掌握，同時也有利于培養學生的自學能力。同時隨著知識的學習，這不僅可以逐步拓寬學生的思維領域，讓學生認清事物之間的邏輯關系，還能培養學生系統思維的能力。

（一）知識框架的構建

我們使用的教材是翟中和主編的《細胞生物學》（第4版）。這是一本非常優秀的教材，內容涵蓋細胞生物學的各個方面，既有詳細的內容講述，也含有大量的研究進展。書中采用大量的實驗照片，動畫圖片的制作也非常精良，這對學生建立想象空間以及對細胞體系的理解是非常有益的。因此，我們沒有改變授課內容，而是嘗試性地將內容進行歸類整合，提出核心概念，引導學生把握規律，在基本概念的基礎上添枝加葉，既有對系統的宏觀認識，同時隨著學生知識的增加，他們也可以逐漸把握細節。

如前所述，細胞生物學的研究對象是細胞，而細胞是一個復雜的三維立體結構，并隨時間發生改變。其涉及范圍廣，知識點多，細節復雜，初學者較難駕馭掌控。最初將知識進行整合的目的是減輕學生對細胞生物學學習的恐懼心理。本書共17章內容，學生在拿到教材的時候，內心的感受就如我們第一眼看到最復雜的中國地圖一樣，無從下手。我們在思考如何進行教學的時候，簡單明了的省份圖給了我們一些啟示。我們可以將復雜的細胞生物學內容進行區域劃分，并使用幾個核心概念對該區域內容進行命名，以便學生進行歸類查找。我們的做法是在“細胞生物學”這個大的、整體的概念下，選擇利用幾個簡潔明了的核心概念概括細胞生物學的研究學習內容（如表1），在教學過程中強調對核心概念的認識和理解。從而使學生能夠在整體上對細胞生物學進行掌控學習。這既能理清脈絡，也不會讓學生因為煩瑣復雜的細節喪失學習信心。同時，強調各個核心概念之間的連接和相關性，能使學生在把握全局核心的基礎上，對知識細節進行深入學習。

在操作過程中我們發現這樣做的確可以降低學習的復雜性，增強學生對知識學習的掌控感，有助于增強學生的自信，并且更能在整體上讓學生理解和掌握細胞生物學的知識內容。同時，這樣做還有助于培養學生的系統思維能力。一旦學生能夠掌握這種思維方式和學習方式，對于生物學其他課程的學習也有一定的幫助作用。事實上，隨著科學的發展，信息量的增大，教師不可能教會學生學習每個知識細節，教師應培養和鍛煉學生的自學能力。因此，應搭建學習框架，培養學生的思維能力，讓學生能夠沿著框架自我攀爬，同時逐漸引導學生掌握規律，把握方向，讓學生逐步走向自我拓展學習和終身的教育學習。

在這個框架下工作不僅有利于學生在宏觀上把握細胞生物學的知識，對于教師的課堂授課也是有益的。尤其對于新教師，這些概念框架可以加快教師對授課內容的整體把握，針對學生的專業背景、教學要求進行適當的調整，因地制宜地開展教學工作。知識框架的搭建方式可以有很多種，概念的引入也可以是多角度、多層次的。目前，這部分工作仍在探索過程中，究竟哪些名稱概念能夠更加清晰明了地構建一個體系框架，既有助于學生理解細胞和生命，也能為學生以后的自我拓展學習搭建平臺，還不得知。

（二）多層次多角度論題的設計

細胞是個多層次非線性的復雜體系，通常情況下，一個細胞事件的發生會引起一系列的反應，涉及多個組織器官的功能執行以及相互間的協調工作。諾貝爾獎得主Thomas Südhof說：Timing is everything。用以形容細胞內各種功能執行的精準，以及基因表達調控的嚴格。但由于學生單線思維的習慣以及知識體系的限制，對于“細胞的表型是基因在時間和空間上有序表達的結果”這樣的語句僅僅停留在字面意思的理解。因此，我們在課堂授課內同中增設了涉及多個章節知識點的討論題目，將相關內容進行串聯，幫助學生構建細胞內的三維立體結構，同時訓練他們的多角度、多層次的系統思維能力。因為細胞本身是一個有機整體，各章節的內容都可以通過某些線索相互關聯。授課教師可以根據課堂以及學生的具體情況對題目進行靈活調整，題目可大可小，在此僅舉幾例。

膜泡運輸：此部分為教材中第8章第2節的內容，書中主要介紹三種有被小泡（COPⅡ、COPⅠ、網格蛋白）的組裝及其介導的轉運途徑。以此為出發點可以進行不同主題范圍的拓展討論。按照膜泡運輸的過程將討論內容分為幾個部分，包括貨物的被選擇、膜泡的組裝、膜泡的運輸、在靶細胞器的停留、囊泡膜及相關蛋白的回收等。而物質運輸系統同時依賴于細胞骨架與馬達蛋白的功能執行，并消耗能量。這是一個涉及多個細胞器的功能相互協調的工作，同時也是一個隨時間變化的動態的過程性事件。這個事件可以將教材中第4、6、7、8、10等章節相關的知識點進行聯系。這一方面可以幫助學生理解和掌握教材中的各個知識點，另一方面這個事件也可以幫助學生形成“時間和空間有序性”的概念，這對于理解細胞和生命的本質有著重要意義。

另外，也可以在細胞結構體系的不同的層次上進行討論：1.脂類、蛋白質等大分子物質的結構及其特性是各種細胞事件發生的物質結構基礎；2.在真核細胞內，形成了以膜為基礎的，具有特定結構和功能的細胞器，而膜的流動性和自組裝特性也是進行生命活動的前提；3.在特定的時間和空間內，具有特定功能的蛋白質與生物膜相互作用，或蛋白質與蛋白質相互作用，完成細胞器的特定功能；4.各個細胞結構體系間的相互協調與配合，表現出整體細胞的生命活動；5.所有的過程都是被精準調控的。

癌癥：這是一個熱門話題。與這個話題有關的關鍵詞非常多，比如信號轉導、細胞周期、細胞凋亡、細胞分化、DNA損傷修復、干細胞、基因突變、免疫應答等。這在教材中也對應于多個章節的內容，教師可以引導學生進行不同角度的討論。多角度的討論可以逐步加強學生對“調控網絡”的認識。細胞內部的信息就像一個龐大的數據庫，基因與表型間不僅存在一對一的關系，也還有一對多、多對多等多種關系。教材中第314頁圖14-圖16總結了與腫瘤發生相關的細胞信號調控因子參與的各種信號通路。第9章細胞信號轉導中也介紹了目前研究較多的與腫瘤發生相關的信號通路，關于腫瘤的研究進展迅速，教師可以選取一些最新的研究發現和研究進展，與不同章節的相關內容進行關聯討論。同時腫瘤也是一個生活話題，有很多話題可以加入討論內容，這既可以豐富學生的知識，開拓學生的視野，也可以加強學生的文獻檢索和閱讀能力。

進化：細胞的起源與進化是一個非常有意思也是一個難度很大的課題。教材中雖未辟出專門的章節進行講述，但在很多地方提及相關內容。例如第2章中古細菌的相關內容以及病毒的進化，第6章中線粒體與葉綠體的起源與進化等。以當今的科技手段，細胞的起源仍是一個無法考證的問題，但進化的觀點已經被接受，其思想也深入社會生活的各個領域。我們在第1章和第2章相關內容講述的同時強調進化的概念，因為進化是細胞具有統一性的前提，也是生物多樣性的基礎。同時進化是一個可以將整個生物系統進行關聯的概念，討論的范疇也可以從分子到細胞，再到有機體，再到整個生態系統的變化。

四、結束語

無論是用核心概念構建知識框架還是設計跨章節內容的論題，我們強調細胞作為一個有機體所具有的系統性和宏觀性，在講述知識的同時引導培養學生建立系統思維的能力。隨著學習的不斷深入，學生逐漸掌握學習和思考的方法，將逐漸增加的知識細節填充到相應的概念框架中，不斷地將信息進行歸納總結，形成自己的認知體系。通過多角度論題的討論，可以讓學生逐漸改變過去 “以題目為綱領進行背誦”的學習習慣，形成“以問題為導向進行思考”的習慣，逐步改善學生過去的因果關系定論和線性的思維方式，讓學生形成全面的、整體的系統思維模式。

細胞生物學是一門基礎科學，其研究內容的范圍非常廣闊。近年來隨著技術的不斷發展，細胞生物學的研究進入了一個新的階段，新的成果不斷涌現。這對于發培養學生對生物學的研究興趣，以及對生命的認識都有極大的幫助，但這也在某種程度上增加了學生學習的難度。雖然在中學期間學生已經獲得很多的生物學基礎知識，但專業的、系統的學習細胞生物學的知識仍是首次。因此，作為生物學基礎課，我們強調基本概念、基礎知識和基本理論的學習。而教材是學生學習過程中的第一手材料，因此我們的工作緊緊圍繞教材的內容進行編排，使其更加概念化，但不脫離教材，讓學生既能了解概念，同時也能在書中找到詳細的描述。在此基礎上，引入部分的學科發展的前沿和最新的研究成果，引導學生將研究成果與已有的知識和理論相結合進行思考，從而提出新的問題和假設。

進入21世紀以來，科學以更快的速度發展，學科分支越來越細，學科間的交叉變得越來越網絡化。在科學變得越來越復雜的情況下我們該如何開展教學工作？各種專業改革、課程整合，各種教學手段和教學方法，包括網絡課程、翻轉課堂、PBL教學等都在進行不斷摸索嘗試[15][16][17]，以適應當今科技的發展和教學的需求。然而一門課程的學習時間是短暫的，無法教會學生所有的知識點。而學習的過程是終身的，因此要幫助學生建立自我學習的良好習慣。通過優化教學內容，構建知識框架，逐步培養學生的系統思維能力，這對于學生以后繼續深入學習，或向其他專業學科進行拓展學習都是有幫助的。但目前僅就細胞生物學這門課程而言，究竟使用哪些概念構建知識框架更有利于全面概括細胞生物學的教學研究內容，這仍是一個值得深入探討的問題。

還原論和整體論之爭，無論誰勝誰負，都不會減少人類理解自然界的企圖和愿望。事實上，這兩種理論在我們的工作生活中是辯證統一、互補通融的。正如近年來“組學（Omics）”研究的興起[18][19]，人們又開始逐步將視線轉到對整體系統變化的研究中，而這樣的研究一方面需要對大數據進行分析處理，另一方面仍要對單個基因以及蛋白功能進行研究。正所謂“大處著眼，小處著手”。同樣的道理可以借用到教育教學中。培養具有積極的人生觀、良好的自我學習能力、敢于思考和勇于突破的創新性人才，需要站在一個全局的高度，進行整體的思考和謀劃。而改變則是要從點點滴滴的小事做起。學習習慣和思維模式的改變是困難的，創新的能力也不等于奇思妙想。這是靠努力和時間，一點點累積的結果。而我們現在的大學生普遍缺乏系統思考的能力。大學生很容易只顧眼前利益，忽視長遠發展，面對復雜問題“只見樹木不見森林”，不能從全局出發解決問題[20]。這也是造成大學生人力供給與社會需求不匹配的一個重要原因。這就要求我們的高等教育工作者要付出更多的思考和努力，在“傳道授業解惑”的同時，引導學生積極思考，讓學會自我學習，學會收集整理信息，學會從海量的信息中“抽絲剝繭”提出問題。

人類是具有邏輯思維能力的。我們可以將已有的知識經驗進行總結，并按照一定的方式進行推理加工，最終形成個人的價值和觀點。思維能力存在個體差異，針對相同的信息，每個人的關注點不一樣，對信息的加工處理方式也不同，這最終導致個體的行為差異。這部分可能與基因相關，是我們不能改變的。但同時我們也應該注意到環境與基因的相互作用，這也是教育的意義所在。對于大學生來說，大學是他們思維系統和價值體系形成的重要階段。因此，在大學期間進行系統思維能力的培養至關重要。而教師在這個環節中的作用不僅是提醒學生培養思維能力的重要性，同時還要設計情境，引導學生在情境中體會系統思維的意義。

知識信息的高速發展給高等教育提出了更高的要求。在復雜的科學面前該如何進行教學，如何構建一個邏輯性強的、相對完整的知識體系，如何將復雜的事物清晰明了地展現給學生，這是一個復雜的問題。針對不同學校、不同專業、不同學生，方法可能是多種多樣的。例如，目前很多學校都在嘗試開展課程整合以及模塊化教學[21][22]，其主要目的也是整合概念，搭建平臺，減少重復性學習和復雜性學習。其他各種專業改革、教學手段和方法等都在進行不斷地摸索嘗試，以適應當今科技的發展和人才培養的需求。我們的工作也在不斷地嘗試和摸索階段，中間存在很多不足，但其思路和方向獲得了師生的肯定，是值得嘗試推廣的。

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[責任編輯：陳 明]