tiếp cận hệ thống trong xây dựng chương trình và hiện đại hóa nội dung dạy học ở trường trung học phổ thông

Những nghiên cứu Lí thuyết hệ thống trong triết học và “Sinh học hệ thống” các CĐTCS trong SH đã khẳng định: Tiếp cận “Sinh học hệ thống” và quan điểm Sinh thái, Tiến hoá sinh giới đã tr

PGS.TS Dương Tiến Sỹ

Khoa Sinh Trường Đại học sư phạm Hà Nội

Chương 1 - LÝ THUYẾT HỆ THỐNG

1.1 Một số khái niệm cơ bản của lý thuyết hệ thống

1.1.1 Khái niệm hệ thống

1.1.2 Phần tử

1.1.3 Cơ cấu của hệ thống

1.1.4 Môi trường của hệ thống

1.1.5 Chức năng của hệ thống

1.1.6 Ngôn ngữ của hệ thống

1.2 Những nguyên lý của lý thuyết hệ thống

1.3 Phân loại hệ thống

Chương 2 - TIẾP CẬN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG

2.1 Khái niệm tiếp cận hệ thống

2.2 Tiếp cận nghiên cứu hệ thống

2.2.1 Phương pháp phân tích cấu trúc

Chương 3 - VẬN DỤNG TIẾP CẬN HỆ THỐNG TRONG DẠY HỌC SINH HỌC Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG

3.1 Vận dụng tiếp cận hệ thống trong nghiên cứu sinh học các cấp độ

3.2.1.2 Chương trình và SGK môn sinh học phổ thông của Mỹ.

3.2.1.3 Chương trình và SGK môn “Các khoa học về sự sống và về trái đất” của Pháp

3.2.1.4 Chương trình và SGK môn sinh học phổ thông của Australia.

3.1 Vận dụng tiếp cận hệ thống trong nghiên cứu sinh học các cấp độ tổ chức sống

3.1.1 Tính hệ thống của sinh giới

3.2.1.1 Chương trình và SGK môn sinh học phổ thông của Liên bang Nga

3.2.1.2 Chương trình và SGK môn sinh học phổ thông của Mỹ

3.2.1.3 Chương trình và SGK môn “Các khoa học về sự sống và về trái đất” của Pháp

3.2.1.4 Chương trình và SGK môn sinh học phổ thông của Australia

Khái niệm hệ thống:

Khái niệm “hệ thống” đã được Von Bertalanffy xác định như sau: “Hệ thống là một

tổng thể các phần tử có quan hệ, có tương tác với nhau”

Khái niệm tiếp cận hệ thống

Tiếp cận hệ thống là xem xét một đối tượng nghiên cứu như là một hệ thống lớn bao gồm những hệ con Hệ con gồm những hệ nhỏ hơn, giữa các bộ phận trong một hệ con và giữa các hệ con với nhau cũng như giữa hệ lớn với MT cũng có mối tương tác xác định Nhờ mối tương tác này mà hệ thống có những thuộc tính mới, những chất lượng mới vốn không có ở các bộ phận riêng lẻ, chưa từng có trước đó và không phải là số cộng các tính chất của các bộ phận (nguyên lý tính trồi - Emergence) Đó là những chất lượng mới mang tính toàn vẹn hay tính tích hợp của

hệ thống Toàn hệ thống là một chỉnh thể có khả năng tự điều chỉnh tự thân vận động và phát triển không ngừng.

Sự thống nhất giữa hai PP phân tích cấu trúc và tổng hợp hệ thống đã sản sinh ra

PP tiếp cận hệ thống, trong đó hiểu tiếp cận là cách tiến đến đối tượng, nghiên cứu đối tượng theo cách như thế nào

Qui trình nghiên cứu hệ thống

Lịch sử phát triển của khoa học Sinh học gắn liền với lịch

sử phát triển của các quan điểm tư tưởng triết học trong nghiên cứu SH

Trước những năm 1960 , nền khoa học SH dựa trên quan điểm tư tưởng giáo điều của Lưxencô, mà hậu quả tai hại của

nó là đã loại trừ ra ngoài những nội dung quan trọng của SH hiện đại như học thuyết tế bào và di truyền học,… và đã thay thế nội dung khoa học của học thuyết tiến hoá Đác Uyn bằng luận điểm cơ giới của La Mác

Cho đến những năm 1962 - 1965 những quan điểm đó đã

bị phê phán và công khai bác bỏ Từ đó, có một sự thay đổi lớn về đường lối triết học trong SH, đó là tư tưởng tiếp cận hệ thống và tiến hoá sinh giới trong nghiên cứu SH Tiếp cận hệ thống và lý thuyết các CĐTCS đã nhìn nhận giới hữu cơ như một hệ thống lớn trong đó có những hệ thống con luôn vận động, phát triển và tiến hoá từ cấp độ Phân tử đến Sinh thái quyển.

Những nghiên cứu Lí thuyết hệ thống trong triết học và

“Sinh học hệ thống” các CĐTCS trong SH đã khẳng định: Tiếp cận “Sinh học hệ thống” và quan điểm Sinh thái, Tiến hoá sinh giới đã trở thành những phương pháp luận chủ yếu trong nghiên cứu các lĩnh vực của khoa học sinh học và xây dựng chương trình, hiện đại hoá nội dung SGK SH ở trường phổ thông, cho phép thể hiện được vấn đề trung tâm của SH hiện đại Chỉ khi nào vận dụng đồng thời tiếp cận “Sinh học hệ thống” và quan điểm Sinh thái, Tiến hoá sinh giới mới có thể giúp

HS hiểu được những hiện tượng, qui luật và các nguyên lí tổ chức vật chất sống trong mối quan hệ sinh thái phức tạp và khăng khít của sinh quyển gắn liền với quá trình phát sinh, phát triển và tiến hoá của sinh giới một cách tự nhiên và hiệu quả

Môi trường

Môi trường

QT A

1 Vũ trụ bao gồm các dạng vật chất khác nhau, đều tồn tại trong những hệ thống xác định luôn vận động và biến đổi không ngừng theo thời gian và không gian Trong đó có hệ thống sinh giới (hệ sống).

2 Các dạng vật chất có thể phân chia thành 2 nhóm cơ bản là: Vật chất vô sinh và vật chất hữu sinh Nhóm vật chất hữu sinh còn gọi là hệ thống sống.

3 Hệ thống sống tồn tại ở các cấp độ tổ chức từ nhỏ đến lớn,

từ cấp độ phân tử đến cấp độ sinh thái quyển Trong đó, bất

kỳ một hệ thống sống nào cũng bao gồm nhiều hệ thống bé hơn và là thành phần cấu trúc của một hệ thống lớn hơn.

4 Mỗi hệ thống sống đều có cấu trúc và chức năng xác định, trong đó các thành phần cấu trúc của một hệ thống luôn luôn

có mối quan hệ tương tác lẫn nhau và với MT của nó thông qua quá trình trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin.

Theo tiếp cận hệ thống và dựa vào kết quả nghiên cứu của nhiều lĩnh vực trong khoa học Sinh học Sinh học hệ thống có thể xác định tính hệ thống của sinh giới tồn tại một cách khách quan với các nội dung cơ bản như sau:

5 Trong quá trình trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin với

MT của nó, các hệ thống sống luôn luôn ở trạng thái cân bằng

và có đặc điểm là một hệ thống mở Tách khỏi môi trường đó, các hệ sống không tồn tại được.

6 Thông qua mối quan hệ tương hỗ giữa các yếu tố cấu trúc của

hệ thống với nhau và với MT; các hệ thống sống biểu hiện những đặc điểm riêng biệt của mình về cấu trúc, phương thức trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin làm xuất hiện các đặc trưng nổi bật của hệ thống được gọi là tính trồi (Emergence) của hệ thống

7 Các đặc trưng về tính trồi của một hệ thống sống luôn luôn được duy trì nhờ quá trình tự điều chỉnh về thành phần cấu trúc, về tốc độ trao đổi chất và năng lượng của hệ thống với

MT vì môi trường của các hệ sống thường xuyên biến đổi, nhờ vậy hệ thống tương đối ổn định trong một thời gian nhất định

và được gọi là trạng thái cân bằng sinh thái của hệ thống

8 Trạng thái cân bằng sinh thái của hệ thống là trạng thái cân bằng động.

Sinh thái học là khoa học nghiên cứu về quan hệ tương

hỗ giữa sinh vật với sinh vật và giữa sinh vật với môi trường

Như vậy, đối tượng nghiên cứu của Sinh thái học là mối quan hệ tương hỗ giữa sinh vật với sinh vật và giữa sinh vật với môi trường

Thuật ngữ Sinh thái học - Ecology (bắt nguồn từ chữ Hi Lạp Oikos là nhà, nơi ở và logos mang nghĩa "môn khoa học") được Ernst Heckel người Đức đề xướng vào năm 1866

Sinh học hệ thống do Ludwig von Bertalanffy người Áo đề xướng vào năm 1940 với “L ý thuyết các hệ thống chung ” (general systems theory) Tiếp đó, nhiều nhà triết học và Sinh học Xô Viết (cũ) đã nghiên cứu về

“Thuyết hệ thống đại cương” và vận dụng quan điểm hệ thống vào nghiên cứu sự sống, từ đó đưa ra khái niệm “Hệ thống sống” (Biological systems) là hệ mở có tổ chức cao

Sinh học hệ thống (Systems biology) là khoa học nghiên cứu mối tương tác phức tạp giữa các thành phần cấu trúc của các hệ thống sống (Biological systems) và những tương tác này sẽ đưa đến những chức năng của hệ thống sống đó

Sinh học hệ thống là một lĩnh vực nghiên cứu sinh học khá mới mẻ Năm

2000, Viện Sinh học hệ thống (Institutes of Systems Biology) được thành lập ở 2 thành phố Seattle (Mỹ) và Tokyo (Nhật) Ngày nay, đang rất phát triển ở nhiều nước khác.

Như vậy, đối tượng nghiên cứu của Sinh học hệ thống là các hệ thống sống Mục tiêu cuối cùng của Sinh học hệ thống là mô hình hóa cách thức hoạt động của các hệ thống sống ở các CĐTCS khác nhau từ cấp độ Phân tử đến Sinh thái quyển Do đó, cần phân biệt hai khái niệm: “Sinh học hệ thống” và “Hệ thống sống”.

Như vậy, đối tượng nghiên cứu của Sinh học hệ thống rộng hơn đối tượng nghiên cứu của Sinh thái học vì: Sinh học hệ thống nghiên cứu các hệ thống sống ở các CĐTCS khác nhau từ cấp độ Phân tử đến Sinh thái quyển Sinh học hệ thống là một khoa học liên quan đến nhiều ngành hơn là một lĩnh vực đơn lẻ.

Sinh thái học (Ecology) là khoa học nghiên cứu về quan hệ tương hỗ giữa sinh vật với sinh vật và giữa sinh vật với môi trường

Sinh học hệ thống (Systems biology) là khoa học nghiên cứu mối tương tác phức tạp giữa các thành phần cấu trúc của các hệ thống sống (Biological systems) và những tương tác này sẽ đưa đến những chức năng của hệ thống sống đó

Quan điểm tiếp cận hệ thống trong SH dẫn tới Lý thuyết về các CĐTCS Theo lý thuyết này, vật chất sống được tổ chức thành nhiều cấp, mỗi cấp là một

hệ thống sống phức tạp, có những mối quan hệ tương tác trong nội bộ hệ thống

và tương tác giữa các hệ thống khác ở cấp cao hơn và thấp hơn nó.

Sinh giới tồn tại với nhiều cơ cấu hệ thống khác nhau, đan xen với nhau trong các mối quan hệ chằng chịt và có hiện tượng chồng chất cơ cấu Ví dụ: có nhiều cơ cấu hệ thống như hệ thống thực vật, hệ thống động vật, hệ thống vi sinh vật v.v và có hiện tượng chồng chất cơ cấu, ví dụ như xét một cá thể sinh vật thì bản thân nó là một hệ thống của các cơ quan và hệ cơ quan, nhưng nó lại

là bộ phận của một loài (hệ thống phân loại), hoặc là bộ phận của một quần thể Việc phân chia các hệ thống khác nhau như vậy là do các cách tiếp cận khác nhau tùy theo mục đích nghiên cứu.

SH ở thế kỷ XVII mới chỉ nghiên cứu sinh vật ở cấp độ cơ thể Sau này cùng với sự phát triển của các ngành khoa học, SH được nghiên cứu ở cấp độ vi

mô (dưới cơ thể) và ở cấp độ vĩ mô (trên cơ thể)

Hiện nay, trong lịch sử triết học cũng như trong SH còn đang có nhiều tranh luận về tiêu chuẩn phân loại và số lượng các CĐTCS

1.K.M.Zavatxki (1961), chia các Hệ thống sống thành 5 cấp: cơ thể -> quần thể -> quần xã -> khu hệ -> sinh quyển

2.H.N.Lavorenco (1961), đề nghị ghép cấp thứ 4 và cấp thứ 5: khu hệ và sinh quyển thành đệm sinh vật.

Đã có nhiều nghiên cứu của các tác giả trên thế giới tìm cách phân chia và xác định số lượng các CĐTCS như sau:

3.E.P.Ođum (1975) phân chia các Hệ thống sống thành 6 cấp:

 E.P.Ođum xem QX như là một thành phần của HST, cho nên các

(biocenose) và “sinh địa quần lạc”

(biogeocenose) như quan niệm của các tác giả ở châu Âu và Liên Xô (cũ).

4.Các tác giả A.V.Iablocov và A.G.Iusufov (1989) chia các Hệ thống sống thành 4 cấp độ: phân tử – di truyền -

> phát sinh cá thể -> quần thể -> sinh địa quần lạc

 Các tác giả này cho rằng: Việc phân

chia thành các CĐTCS chỉ là để thuận lợi cho việc nghiên cứu, mà vấn đề cơ bản là mỗi CĐTCS có cấu trúc cơ sở và hoạt động đặc trưng của nó.

5.Campbell, trong cuốn Sinh học (xuất bản lần thứ 8 năm 2008 trang

4 - 5), phân chia các Hệ thống sống thành 10 cấp độ:

Sinh quyển -> Hệ sinh thái -> Quần xã -> Quần thể -> Cá thể sinh vật -> cơ quan và hệ cơ quan -> Mô

-> Tế bào -> Bào quan -> Phân tử.

 I Pavlôp đã thành công trong nghiên cứu sinh lý người khi xem con người như một hệ thống toàn vẹn, tự điều chỉnh

loài khi xem xét loài như là một hệ thống mở phức tạp

Vernadxki, v.v đều là những nhà Sinh học nghiên cứu các đối tượng sống bằng tiếp cận Sinh học hệ thống

Thập kỉ 60:

phạm (Ph L’ Héritier và G Rizet Pa- ri Báo cáo Ocde - các nước trong khối cộng đồng phát triển kinh tế, 1963, tr.77)

Những tư tưởng xây dựng bộ môn Sinh học trong trường trung học (P Duvignau Pa - ri Ocde, 1963)

 Vấn đề liên quan giữa sự tổ chức và tiến hoá của các hệ thống sống (K M Khai-lôp Tạp chí: Những vấn đề triết học, Số 4-1966).

 Quan điểm hệ thống - cấu trúc vận dụng vào giảng dạy Sinh học (W Voigt Béclin Sinh học trong nhà trường Số 3- 1969).

Thập kỉ 70:

 Thuyết cấu trúc và vị trí của nó trong phương pháp luận hệ thống (A.A Ma-li-rôp-xki Trong cuốn: Những vấn đề nghiên cứu hệ thống NXB Khoa học, Mat-xcơ-va , 1970)

 Phương pháp luận hệ thống và ý nghĩa của

nó trong sinh học (P I Gupalô Sinh học trong nhà trường Số 2-1971,

Mat-xcơ-va )

 Mối tương quan giữa hai phương pháp luận lịch sử và cấu trúc - hệ thống nhằm nghiên cứu bản chất và các mức độ tổ chức của sự sống (V.A Alếc-xây-ép Trong cuốn: Phát triển những khái niệm mức độ cấu trúc, NXB Khoa học, Mat-xcơ-va , 1972).

2 Những CĐTCS phải là hệ thống mở, tự điều chỉnh và tiến hoá.

1 Những CĐTCS phải là hệ thống cấu trúc và chức phận tương đối độc lập.

3 Những CĐTCS phải thể hiện các đặc trưng cơ bản của sự sống trong quá trình tồn tại phát triển và tiến hóa.

1 HÌNH THÁI: Là những dấu hiệu bên ngoài có thể

quan sát được (đặc điểm về hình dạng, kích thước,…) giúp phân biệt hệ thống sống này với hệ thống sống khác.

2 CẤU TRÚC: Là tổ hợp các yếu tố cấu thành của hệ

thống và các mối quan hệ bền vững giữa các yếu tố đó quy định đặc điểm của các hệ thống sống như một chỉnh thể tòan vẹn.

3 CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT & NĂNG LƯỢNG:

Là quá trình thu nhận, tổng hợp, phân giải và thải các chất gắn liền với sự tiêu hao năng lượng thông qua quá trình đồng hóa và dị hóa của hệ thống sống.

4 SINH TRƯỞNG & PHÁT TRIỂN: Là quá trình tăng

lên về các chỉ tiêu hình thái và cấu trúc của hệ thống (chủ yếu là kích thước, thể tích, khối lượng) dẫn đến sự phân hóa về cấu trúc và hòan thiện về chức năng của hệ thống sống.

5 SINH SẢN: Là quá trình tăng lên về số lượng các hệ

thống sống mới có cấu trúc cơ bản giống như cấu trúc của

hệ thống sống sinh ra nó.

6 TỰ ĐIỀU CHỈNH: Là quá trình tự duy trì trạng thái

cân bằng của hệ thống, đảm bảo sự cân bằng động đặc trưng của mỗi hệ thống sống.

7 TIẾN HÓA THÍCH NGHI: Là phản ứng của hệ thống

trước những tác động của môi trường, đảm bảo cho sự tồn tại, phát triển và tiến hóa của hệ thống sống.

Khi xem xét tiêu chí: Những CĐTCS phải là Hệ thống cấu trúc và

chức phận tương đối độc lập Ta dễ dàng nhận thấy:

1 Ở cấp độ Phân tử – Hệ thống phân tử: đơn vị cấu trúc cơ sở là gen , hoạt động chức năng cơ sở đặc trưng là sự sao chép đúng mẫu của phân tử ADN

và quá trình đột biến trong ADN

2 Ở cấp độ Tế bào/Cơ thể đơn bào – Hệ thống tế bào: đơn vị cấu trúc cơ sở là tế bào , hoạt động chức năng cơ sở đặc trưng là sự truyền đạt các thông tin di truyền qua các thế hệ tế bào Ở cấp độ này tập trung nghiên cứu về SH Vi sinh vật, vì các

tế bào trong cơ thể đa bào khi tách ra khỏi cơ thể, chúng sẽ không tồn tại độc lập được.

3 Ở cấp độ Cơ thể đa bào – Hệ thống cơ thể: đơn vị cấu trúc cơ sở của cơ thể là tế bào , hoạt động chức năng cơ sở đặc trưng là sự triển khai các thông tin

di truyền từ tế bào khởi đầu, là sự phân hoá các mô

và cơ quan, là sự truyền đạt thông tin di truyền qua các thế hệ tế bào và qua các thế hệ khác nhau của

cơ thể.