赵占良丨生物学概念的特点及其教学启示
本文拟刊登于《中学生物教学》上旬·高初中2021年8期，借人教社高中生物学教材经验交流暨培训会提前推出，以飨读者。
生物学概念的特点及其教学启示
人民教育出版社/课程教材研究所 赵占良
概念教学绝不是解释定义加举例说明这样简单。学生在生物学概念学习中遇到的各种问题，如概念的定义与该概念外延范围内的个例相矛盾，对概念的实质意义理解不到位，不能将概念教学与辩证思维的培养结合起来，等等，都与不能谙熟生物学概念的特点有关。
笔者基于对生物学概念的哲学、逻辑学和认知心理学分析，结合生物学概念与数理学科概念的比较，总结出生物学概念具有概略性、合目的性、逻辑性、辩证性、隐喻性（具身性）等特点，这些特点虽不完全是生物学概念所独有的，但的确在生物学概念中表现最为突出，最能体现生物学概念的育人价值，而且恰恰是教学容易忽视的。
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概略性 |
生物界有无穷的多样性，生命系统是复杂系统，这就导致生物学概念的定义只是一个大概的说法，即具有概略性（笔者曾概括为“粗放性”，考虑到“粗放”似有贬义，在1996年发表的文章中将生物学概念和规律的特点一并改称“概率性”，现在仅说概念特点，用“概率性”亦稍欠妥，因此改用“概略性”）。
生物学的进步更多表现为新概念的提出和改进，而不是发现新的规律，因此，生物学中概念繁多而定律极少，这或许也是生物学不同于其他自然科学的一大特点。究其原因，主要是由研究对象的多样性和复杂性[1]，由生物界有着无穷的多样性和高度的复杂性，不同类群在进化上的连续性导致的类群之间界限的模糊性，因此，作为类的抽象物的概念很难涵盖这一类别下所有个体，这是生物学概念具有概略性的本体论原因。生物学中的概念大多是观察基础上归纳概括的产物，而不是靠数理逻辑的演绎推理得出的。这是生物学概念具有概略性的认识论原因。
中学生物学中有许多概念因其概略性特点，给教学带来困扰。比如，关于有性生殖，教科书上定义为雌雄两性生殖细胞两两结合，形成受精卵，由受精卵发育成新个体的生殖方式，而蜜蜂等动物的单性生殖（孤雌生殖）也属于有性生殖，就与定义产生矛盾，其实这就是生物界复杂性导致的，如果因为有个别例外就改变定义，比如将有性生殖定义为通过有性生殖细胞产生新个体的生殖方式，又过于笼统，令人费解（还要解释什么是有性生殖细胞，最后导致循环定义），反而与生物界的实际情况离得更远。再比如生态学中消费者和分解者的概念，前者指以动植物为食的动物，后者指腐食性的细菌和真菌等微生物，而蚯蚓偏偏出来“添乱”，它既是动物，又是腐食性的，划归哪一类都有问题。其实消费者也不见得不吃动植物遗体，分解者也不见得不分解活体的物质，生态学上消费者和分解者的概念，只是根据动物和微生物获取有机营养的方式进行大致区分而已，本质上二者都是异养的，都是将获取的有机物氧化分解，利用其中的能量，将产生的二氧化碳和水释放到环境中，都可以看作分解者。说到底，大自然不是因为人类的存在而存在，更不是根据人类通过思维进行的分类而存在的。分门归类不过是人们认识自然界的一种手段而已。生物学的概念教学如果忽视概念的实质，只顾抠字眼儿，就不可能把生物课上活，弄不好会把生物学教成“死物学”！而让学生理解生物学概念的概略性，有助于他们认识生物界的多样性和复杂性，排除概念学习中的特例困扰，并且有助于发展学生思维的灵活性。
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合目的性 |
包括动植物个体在内的生命系统都是自组织、自生长、自复制的有机整体，而不是单纯靠机械的联结和机械性因果而形成的结构。康德说：“一个有机的自然产物是这样的，在其中一切都是目的而交互地也是手段。在其中，没有任何东西是白费的，无目的的，或是要归之于某种盲目的自然机械作用。”[2]虽然康德认识到有机体自身的合目的性行为，但是他认为关于自然界的目的性观念只是人类的设想和反思的结果，而不是客观实在性的概念。现在，“目的性”一词已经成为当代生物学分析的强有力工具[2]，它从一开始就把意向性排除在外，探讨的是系统的指向目标的活动。正如胡文耕所说，“讨论目的性，是因为指向目标的活动在生物学中尤为重要，它是对传统目的论的否定，又能反映生物学对象的特点”[3]。本文中“目的性”一词，与胡文耕先生所说“目的性”基本同义，指的是生物体或其他层次生命系统的结构和生命活动过程的生物学意义，即对维持生命系统存在和延续的意义，而不是指意向性的目的。只有人的活动是有目的的。
生物学概念的合目的性，是指生物学概念往往在概括某一类生物学事实的同时，揭示该类事实的内在必然和生物学意义。例如四分体的概念，如果学生只知道其定义“联会后的每对同源染色体含有四条染色单体，叫作四分体”，而不理解其生物学意义，那么知道这个名词是没有什么用处的。只有理解减数第一次分裂的目标是两个子细胞各获得一套完整的染色体，以保证减数第二次分裂形成的配子遗传信息的稳定，而四分体就是一对对完成复制的染色体在细胞中排好队，是便于每组成对的两条染色体分别被纺锤丝牵拉到两极的一种物质和姿态准备。这就是四分体这一事实的内在必然性和生物学意义，即这一概念的合目的性。理解到这一层，才可以说是把四分体作为生物学概念来理解了。
正如迈尔所说：“有机体如果具有某种特征，这些特征一定是来自于祖先的特征，或者是由于这些特征具有选择的优势才获得的。'为什么’的问题在'为了什么’的意义下，对于无生命的客体是没有意义的。我们可以问：'太阳为什么是热的？’但是这只是'怎么发生的？’的意义。与此相反，在生命世界里，'为了什么？’的问题具有很大的方法论价值。'在静脉管中为什么有瓣膜？’这个问题有助于哈维发现血液循环。”[4]
在迈尔看来，所有的生物过程都具有功能生物学的近因和进化的远因，甚至提出有两种生物学：提出近因问题的功能生物学和提出终极原因问题的进化生物学。比如关于受精作用，功能生物学认为受精作用的意义是触发新个体的发育，而进化生物学的解释则是受精作用的真正目标是实现父本和母本的基因重组，这种重组产生出的遗传可变性可以作为自然选择的材料[4]。
笔者在阐述生物学的结构与功能观时曾指出，关于物质的研究，化学研究其结构与性质，生物学研究其结构与功能。比如同样是研究分子，化学上讲分子的结构决定性质，生物学上讲分子的结构决定功能。同样是关于水的认识，化学上讲水分子的原子组成、氢原子和氧原子的电子分布、水的性质（是极性分子）等，生物学上侧重讲水对生命的意义，在细胞中的作用等。至于蛋白质和核酸，如果只分析其结构和性质，不研究它们对生命的意义，那就不是生物学了。
在物质层面是如此，在结构、过程等方面也是如此。结构方面如细胞膜、细胞器、细胞核，生物学在研究这些结构时，总是跟它们的功能一起来研究的，学生学习这些概念时，也是要将其组成、结构与功能一起来理解的。过程方面如光合作用、呼吸作用、DNA的复制和转录、基因的表达、自然选择、种间竞争等，生物学在研究这些过程时，总是将过程本身与它们对生物体自身、对种群、对生物界乃至地球生物圈的意义一起来研究的，有时先了解意义，为研究生物过程提供指向；有时先研究生物过程，再阐释这样的过程是“为什么”和“为了什么”，学生对这些概念的学习也应如此。
生物学概念的合目的性特点，是由生物学的学科本质所决定的，其背后是有机论和整体论的自然观。生物学概念教学如果忽视这一特点，学生就不能真正掌握生物学概念，他们的概念学习就可能始终停留在事实层面，其自然观也可能长期停留在机械决定论层面，生物学课程的育人价值就大打折扣了。因此，在教学中不仅要重视生物系统中结构和过程的诸多“是什么”和“如何”，更要重视“为什么”和“为了什么”，引领学生在概念学习中探寻生命系统结构和过程的原因和意义，提升生命观念和自然观。
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逻辑性 |
概念是思维的基本形式之一，同时也是思维的产物和工具，这就决定了概念具有一定的逻辑性。概念的逻辑特征是内涵与外延，明确概念的逻辑方法有定义、划分、限制和概括。要深入理解一个概念，就需要理解它是如何通过定义明确内涵、通过划分确定外延的，以及如何通过减少内涵来扩大外延、通过增加内涵来缩小外延的。
例如，关于酶的概念，通过属加种差的定义可以是：酶是生物细胞产生的具有催化作用的生物催化剂[5]。在这个定义中，酶是种概念，催化剂是属概念，“生物细胞产生的生物催化剂”是种差。这个定义突出了酶与无机催化剂的区别。人教版高中生物学教材中的定义是：“酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物。”[6]在这个定义中，种概念是酶，属概念是有机物，种差是具有催化作用。从字面上看，这个定义突出了酶与其他有机物的区别，与无机催化剂的区别则退居定义背后了。在教学中，应该将重点放在酶与无机催化剂的区别上，因此对于教材的定义要分析其逻辑特点，将字面上退居定义背后的内涵拎到前台。
我国20世纪80—90年代的高中生物教材中将酶定义为“活细胞所产生的具有催化能力的蛋白质”[7]，与90年代后期直至现在使用的高中生物学教材中的定义“酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物”相比，后者的外延范围显然扩大了，已经不局限在蛋白质的范畴，扩大到有机物的范畴了。实际除了少量RNA具有催化功能外，绝大多数的酶都是蛋白质，然而酶概念中这一重要的应有之义，成了此次定义修改的牺牲品。为了弥补这一缺憾，教材在新定义后紧接着补了一句“其中绝大多数酶是蛋白质”，从1997版到2019版都是如此。
再比如块根和块茎的概念。同样是生长在地下，膨大成块状的植物营养器官，也都是富含淀粉的食物，马铃薯属于块茎，而甘薯属于块根。不少学生对此困惑不解，原因就是未理解根和茎概念背后的逻辑：区分根和茎绝不仅仅是看它们的空间位置（一般来说茎在地上，根在地下，但这只是前概念水平的理解），更主要的是看它们的发生和结构。从发生上看，茎是芽发育成的，马铃薯就是如此；主根是由胚根发育成的，侧根是从主根上生出的，甘薯就是侧根膨大而成。从结构上看，茎上有节，节的位置能生出芽，马铃薯就有芽眼，芽眼部位能生出芽；根上无节，也没有芽眼，甘薯就是如此。
生物学概念不仅有个体发生方面的逻辑，还有系统发生方面的逻辑。如同源器官的概念。人的上肢、马的前肢、蝙蝠的翼、鲸的鳍状前肢都是同源器官，哺乳动物的前肢和鸟的翼也是同源器官，这反映了这些动物器官在进化上的联系。同源染色体的“同源”也是类似的含义。减数分裂细胞中配对的两条染色体，形态大小一般相同，一条来自父方，一条来自母方，叫作同源染色体。经常有学生提问，既然一条来自父方，一条来自母方，应该是来源不同啊，为什么还叫同源染色体呢？这同样是望文生义而不清楚概念背后逻辑的结果。如果告诉学生，远古人类的细胞中染色体就是23对，给每对编上一个序号，不管经过多少代，经过多少次分离和重新组合，人体细胞内还是23对染色体，其中属于同一个序号的两条染色体就是同源染色体，学生就明白此处的“同源”不是指直接来源，而是进化上的来源，或称系统发生上的来源。一言以蔽之，生物学概念背后的逻辑就是生命的逻辑，是当下因果和历史因果的统一，是共时性思维与历时性思维的统一。
按个体发生或系统发生的逻辑来理解生物学概念，而不局限于功能生物学就事论事或直接因果的分析，是生物学概念学习的特点，也是难点。
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辩证性 |
生物学或许是自然科学中辩证思维最突出的一门学科。辩证思维离不开辩证概念，辩证概念反映辩证思维。
辩证概念就是能够具体地反映事物内部矛盾及其发展、反映对象多种规定性统一的概念[8]。因为辩证概念是将事物作为变化发展着的事物来反映的，所以它的内涵和外延并不是完全固定的，而是随着反映对象的发展而改变的。例如，人民的概念在不同的历史阶段，其内涵是变化的。因为辩证概念反映着事物的矛盾及其转化，因而其内涵中也包含着矛盾结构[8]。例如生和死的概念，正如恩格斯所说：“生命总是和它的必然结果，即始终作为种子存在于生命中的死亡联系起来考虑的。辩证的生命观无非就是这样……生就意味着死。”[9]生就意味着死，没有生就没有死，没有死也就没有生，生就是走向死的过程，因此生的概念中有死的成分，死的概念中有生的成分。又如中国古代哲学中阴和阳的概念，阴阳对立互补，相反相成，阳中有阴，阴中有阳，“万物负阴而抱阳，冲气以为和”。
生命系统具有复杂性、动态性和关联性，生命系统本身和生命过程都是许多矛盾的统一体，生命现象是生物体内部的遗传程序与外界环境相互作用的结果。生命世界的这些特点决定了反映这些特点的诸多生物学概念都是辩证概念。下面略举几例说明。
“生长、增殖、衰老、死亡……细胞的生命历程大都短暂，却对个体的生命有一份贡献。”这是高中生物学教材“细胞的生命历程”一章的语句，生动概括了生与死、细胞的生命历程与个体生命的辩证关系。细胞的生命历程这一概念中既有生长和增殖，又有衰老和死亡，体现了概念的矛盾结构。个体的衰老是组成它的细胞普遍衰老的过程，但衰老的个体体内也有幼嫩的细胞，年幼的个体体内也有衰老的细胞，这体现了细胞衰老与个体衰老关系的辩证性；细胞的死亡有时对个体有积极的贡献，比如在胎儿的手最初像一把肉铲子，后来随着指间细胞凋亡才形成五个手指，这体现了细胞死亡与个体关系的辩证性。
遗传和变异是一对矛盾，遗传具有保持稳定的保守性，变异具有产生新适应的革新性，在生物繁衍过程中遗传和变异既对立又统一，遗传是指遗传物质的代代传递，传递过程中出现差错就是变异，这就是遗传概念的矛盾结构；没有遗传，再好的变异也不能传给后代，变异要传给后代离不开遗传，这是变异概念的矛盾结构。没有遗传，经过自然选择保留的优秀基因不能传给后代，生物就不可能进化；没有变异，生物就难以适应变化的环境，当然也谈不上进化。生物的进化就是自然选择作用下遗传物质的定向改变，可见遗传和变异是对立统一的关系。
就生物学概念的合目的性而言，对概念所指事物的生物学意义，一般应取二分法的态度。比如细胞增殖，其主要意义是实现个体细胞数量的增加，是个体生长发育的基础，但恶性增殖会让人罹患癌症；再比如DNA复制，碱基互补配对原则让DNA精确复制，但偶尔也会发生个别碱基配对错误，可能造成基因突变，而基因突变的生物学意义又是辩证的（大多有害，少数有益）；又如适应的相对性（“适应”中含有一定的“不适应”），生态平衡、人体的血糖平衡和水盐平衡、生物圈的碳氧平衡等（“平衡”中含有一定的“不平衡”），人体的稳态和生态系统的稳定性（“稳定”中含有一定的“不稳定”），新陈代谢是同化作用和异化作用的对立统一，生态系统是生物与环境的对立统一，人体的稳态是环境变化与人体自动调节能力的对立统一，等等，都体现了生物学概念的辩证性。
在教学中注重引导学生理解生物学概念的辩证性，对培养学生的辩证思维具有重要意义，辩证思维正是现代社会特别需要的思维品质。
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隐喻性 |
概念隐喻是指人们利用熟悉、具体的经验去构造陌生、抽象的概念，其本质是人类借助于基本的感知觉范畴和经验去发展更高层次的概念，并通过感知觉经验表征抽象概念、思考与加工抽象的信息[10]。换句话说，概念隐喻就是用一个比较具体的概念域中的词汇来描述另一个比较抽象的概念域[11]。具身认知理论认为，所有不是直接源自身体经验的概念在本质上都是隐喻性的。通过隐喻映射机制，主体可以以感知运动经验对抽象概念进行体验式表征与思维[10]。
生物学中有许多概念都有隐喻性。在生态系统中，植物能利用无机物制造有机物，为动物直接或间接地提供食物，称为生产者；动物不能利用无机物制造有机物，只能靠摄取现成的有机物获得生命活动所需的物质和能量，因此称为消费者。这显然是将自然生态系统与人类社会相类比，用人们熟悉的生产和消费概念来描述生态系统中植物和动物所扮演的角色。生理学中的兴奋、神经冲动等概念，将肌细胞和神经细胞的电化学变化与人们熟悉的自身的兴奋、冲动等相比拟；分子生物学中遗传信息的转录、翻译和基因的表达等概念，显然是用人们日常生活中的抄录、翻译、表达等概念来构建和表征与遗传信息有关的抽象概念。细胞学中细胞壁、细胞核、细胞骨架、内质网等概念中，壁、核、骨架、网都是日常生活中常见事物，与此相关的经验用来构建和表征细胞相关结构，完美体现了概念隐喻的妙用。概念隐喻还可以举出很多例子，如食物链、食物网、肽链、生态系统的能量流动、靶器官、靶细胞、酶（“媒”的谐音）、基因（“基本因素”）、赤道板、玻璃体、胰岛、遗传密码、信使RNA等。除概念的名称外，还有一些揭示概念内涵的命题也是隐喻，如DNA是生物体建造自己生命大厦的蓝图，线粒体是细胞的“动力车间”，叶绿体是细胞的“养料制造车间”和“能量转换站”，ATP是细胞中的“能量货币”等。
许多生物学概念在有隐喻性的同时还有具身性。具身理论认为人们的概念系统与人的身体的知觉运动系统具有关联性，并强调概念的形成基于主体的身体性经验[12]。人在认知活动时，将身体的推、拉、伸、缩、进、退等动作，对空间、光线、颜色、味道、声音、温度、硬度、大小等的感觉和知觉经验，投射到对事物的认知系统中，就形成了概念。许多具体概念就是感知觉基础上的抽象概括，比如“前肢”“后肢”“上肢”“下肢”，其中的“前”“后”“上”“下”就是源于身体对空间的感知。许多抽象概念又是在具体概念基础上形成的，将具体概念作为抽象概念比拟的对象，因此仍具有具身认知的特点，即具身性。比如有丝分裂的前期、后期，其中的“前”“后”虽然不是空间概念而是时间概念，但却是空间经验在时间概念系统中的投射。
生物学是研究生命的科学，人体也是其研究对象。因此，生物学中概念的具身性更为突出。例如，胞吞和胞吐，吞和吐本是人体的动作，用于描述大分子有机物进出细胞的机制，就是一种具身隐喻；有氧呼吸和无氧呼吸也是如此，细胞并无呼气和吸气的动作，但呼吸作用的实质与人体是一样的，因此用人体的呼吸来比拟细胞的有机物分解释放能量的过程，这显然也是具身隐喻。再如跨膜运输（“跨”是人体的动作）、细胞吸水、蒸腾拉力、花冠（“冠”是人戴的帽子）、根冠、林冠层、上皮细胞、皮下组织（“上”“下”是人的空间经验）、核酸（“酸”是人的味觉之一）、跳跃基因、操纵基因、高等动物、低等动物（高和低都是人的空间经验），等等。还有一些揭示概念内涵的命题是具身隐喻，比如蛋白质是生命活动的承担者(“担”是人的动作)、气孔既能张开又能闭合（“开”“闭”也是人的动作）等。
了解生物学概念的隐喻性特点，在教学中可以适当地比拟，联系学生熟悉的事物或概念，帮助学生理解较为抽象的概念。但是，任何比喻都是蹩脚的，隐喻作为一种比喻也是如此，这是需要注意的。比如讲生态系统的能量流动时，尽管用“流动”一词，切不可以为能量真如液体那样流动；关于食物链和食物网，要让学生理解这是不同生物之间无形的关系链、关系网，而不是有形的实体链和实体网。
根据生物学概念的具身性特点，认识到个体关于世界的概念等认知活动并不是外部现实镜像式的客观反映，而是借由主体的身体经验所形成的，尤其是身体的感觉系统及身体与空间的关系成为概念和意义的本原[13]，那么，概念教学就不能只注重知识的内在逻辑性和系统性，应当注重营造让学生身临其境的问题情境，注重学生动口、动手、动眼（有时还需要动其他感官）、动脑的活动，通过观察、实验、制作模型等活动增加概念建构的具身成分，还可适当安排一些角色扮演活动；教师在讲解过程中，应多运用手势和其他动作、表情、音调等手段，以调动学生的身体经验和情绪体验，而不只是依赖照着PPT或教材上的文字宣讲。当然，也要注意具身隐喻的比喻特点，避免从字面上机械理解。比如有氧呼吸的“呼吸”，就不能理解为一呼一吸的动作；根冠的“冠”却位于根尖的最下方；高等动物的“高”是进化地位的高，而不是个子高。
综上所述，生物学概念具有概略性、合目的性、逻辑性、辩证性、隐喻性（具身性）等特点，在教学中把握好这些特点，能够提升教学质量，彰显生物学课程的育人价值：让学生理解生物学概念的概略性特点，有助于他们理解概念时排除特例困扰，并且发展思维的灵活性；生物学概念的合目的性特点，能够引领学生不仅了解生物界的事物本身，而且探寻其意义，有助于形成结构与功能观、进化与适应观等生命观念和有机自然观；生物学概念的逻辑性特点，能够引领学生在理解和应用生物学概念时既遵循形式逻辑，又依据生物学逻辑，从近因和远因两个视角分析问题，提升学生思维的广度和深度；生物学概念的辩证性特点能够增进学生对事物的辩证理解，发展辩证思维，形成辩证唯物主义世界观；根据生物学概念的隐喻性特点，应当在教学过程中注重比喻、类比等方法的运用，以已知喻新知，注重身体参与和具身认知，提高概念教学的有效性。
参考文献
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年度会议
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