高中生物與自然學科教育的聯系

　　摘要： 綜合能力考試的測試能力，不是各學科考試能力的考核，而是考查學生學科內及學科間知識的內在聯系，強調理論聯系實際。生物教學中要注重加強生物與自然學科的聯系，將學生所學知識進行整合，既拓展了學生的思維，又能培養(yǎng)學生的綜合能力，進而提高學生整體素質。
　　關鍵詞： 高中生物教學 自然學科 聯系
　　一、與數學的聯系
　　數學的很多分支學科，如統計學、數量遺傳學、生物拓撲學、群論等都對生物學的高速發(fā)展作出了重要的貢獻，并且仍在生物學中發(fā)揮著重要的作用，產生了許多分支學科和交叉學科，甚至有的科學家認為沒有數學的生物學不能稱為真正的科學。
　　1.用數學模型解釋生物現象
　　對于生物學中許多重要的變化，雖然目前我們還不能完全用精確的數學語言來進行描述，但生物學領域中的諸多現象卻可以運用數學模型來進行圓滿的解釋，如生態(tài)環(huán)境、人口、資源、流行病等，無一不與數學密切相關。例如英國數學家哈代和德國醫(yī)生溫伯格通過各自的研究，分別發(fā)表的有關基因頻率和基因型頻率的基因平衡定律，該定律至今仍是群體遺傳學的一個基本法則，也是雜交育種的理論基礎。馬爾薩斯利用數學推理，發(fā)現人口呈幾何增長的趨勢，而食物供應只有算術增長的趨勢，從而提出了著名的“人口論”。
　　2.用數學原理來研究生物學問題
　　許多數學原理可以被用來解釋生物學問題，如概率原理、互斥事件和獨立事件可以很好地解釋兩對等位基因的遺傳模式。生物可將每對等位基因中的任意一個基因，通過一個配子傳給一個后代，即非等位基因之間是獨立遺傳的。通過同一個配子將兩個非等位基因傳給同一個后代的概率，是各自概率的乘積。
　　例：一只公兔和一只母兔的基因型都是BbMm。它們先后生了兩只小兔，問：（1）母兔將基因BM同時傳給一只小兔的概率是多少？（2）母兔和公兔同時將基因BM傳給一只小兔的概率是多少？（3）基因型是Bbmm的概率是多少？（4）它們先后所生的兩只小兔基因型都是Bbmm的概率是多少？
　　解析：兩對非等位基因的遺傳是獨立的，母兔將BM同時傳給一只小兔的概率是：1/2（B）×1/2（M）=1/4（BM）。兩只兔通過配子的遺傳是獨立的，它們同時將BM傳給一只小兔的概率是：1/4（BM）×1/4（BM）=1/16（BBMM）。它們先后生兩只小兔是獨立遺傳的，每只小兔基因型為Bbmm的概率是：1/2（Bb）×1/4（mm）=1/8（BBMM），兩只小兔基因型都是Bbmm的概率是：1/8×1/8=1/64。
　　二、與化學的聯系
　　化學是與生物學聯系最為密切的學科，常言道“生化不分家”，化學是生物學的基礎，生物學是化學的延伸。兩門學科在環(huán)境保護、人體健康、醫(yī)學、農業(yè)生產、新材料和新能源等方面有很多交匯點。核酸的發(fā)現過程就是很好的例子。
　　瑞士青年米歇爾在德國時，在他工作的研究所的旁邊正好有一個外科診所，經常拋棄帶膿的手術繃帶。在普通人看來，這是繃帶又臟又令人惡心，但米歇爾卻把這些廢物全部收集起來，并十分謹慎地從繃帶上取下膿細胞。然后他用胃蛋白酶來分解這些膿細胞，結果發(fā)現胃蛋白酶雖能把細胞質中的蛋白質全部分解掉，可是對細胞核卻無能為力?；瘜W分析結果表明，細胞核主要是由一種含磷化合物所構成，米歇爾就把細胞核中這種含磷化合物起名為“核素”。后來人們才弄清楚，核素是一種酸性物質，因此又將其改名為“核酸”。德國著名化學家科賽爾小心地使核酸水解，得到了一些含氮化合物。他把這些含氮化合物叫做嘌呤和嘧啶。美國生物化學家列文又發(fā)現了核酸里由5個碳原子組成的五碳糖分子，明確地指出了核糖和脫氧核糖的差別，并把核酸分解成一些最基本的單位，即核苷酸，核苷酸按堿基、嘌呤或嘧啶、核糖或脫氧核糖、磷酸的順序連接而成。美國科學家查哥夫經過精密測定，確定核苷酸的排列非常復雜，而且腺嘌呤的摩爾數永遠等于胸腺嘧啶的摩爾數，鳥嘌呤的摩爾數永遠等于胞嘧啶的摩爾數。這些研究為后來DNA雙螺旋模型的提出奠定了重要的基礎。
　　一些化學規(guī)律可以幫助我們理解高中生物中的許多問題。“相似相溶原理”是物質溶解的一般規(guī)律，在物質互溶的分析中占有重要的地位。在進行“細胞膜的功能”教學時，我們可以引導學生用“相似相溶原理”來分析脂溶性的物質如何成膜，細胞膜為什么不會被水溶解而保持相對穩(wěn)定，為什么會被溶解脂類物質的溶劑溶解等知識。在此過程中，學生用化學知識解決了生物學的問題，對知識的理解更到位，對理科思想方法的一致性也有了更深的體會。這樣，在進行葉綠素提取實驗時，學生根據葉綠體色素是有機物這一知識點就會很快分析并選擇用有機溶劑作為提取液和分離液。
　　三、與物理的聯系
　　第二次世界大戰(zhàn)之后，物理學方法成為分子生物學研究的主要方法。物理技術，特別是射線晶體學技術、同位素示蹤技術、超速離心技術、密度梯度離心技術等為分子生物學的革命性發(fā)展作出了巨大貢獻。DNA是遺傳物質、DNA雙螺旋結構的發(fā)現、半保留復制的證明、遺傳密碼的破譯，以及其后的操縱子模型的發(fā)現等都歸功于這些方法和技術。德爾布呂克的噬菌體研究小組中的成員赫希和察斯用同位素示蹤技術和物理震蕩的方法證明DNA而不是蛋白質是遺傳物質，X-射線衍射技術和同位素示蹤技術幫助雙螺旋結構的發(fā)現，麥塞爾遜和斯塔爾用氯化鹽密度梯度離心技術證明了DNA的半保留復制，等等。
　　生物學中涉及的物理知識很廣泛，如顯微鏡原理（凸透鏡、凹透鏡、光的成像原理）、光的電磁說、射線的高能量、同位素示蹤、放射性衰變等。
　　例：同學們在做葉綠素提取分離實驗時發(fā)現色素提取液在對著光線看時呈綠色，在背著光線看時呈紅色，原因是什么？
　　分析：這個問題實際上是物理學問題。對著光源觀察葉綠素提取液時，我們看到的是葉綠素的吸收光譜。由于葉綠素提取液吸收的綠光部分最少，因此用肉眼觀察到的為綠色透射光紅光，藍紫光已被吸收。背光源觀察葉綠素提取液時，看到的是反射光——葉綠素分子受激發(fā)后所產生的發(fā)射光譜。當葉綠素分子吸收光子后，就由最穩(wěn)定的、能量最低的基態(tài)提高到一個不穩(wěn)定的、高能量的激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，因此發(fā)射光波即為熒光，反射到人的眼睛里。由“光子說”可知，光是以光子的形式不連續(xù)傳播的，而波長與光子能量成反比。因此，反射出的光波波長比入射光波的波長長，故葉綠素提取液在背著光線看時呈紅色。
　　四、高中生物與自然學科交叉的種類
　　1.知識上的交叉
　　這是最明顯的一類交叉形式，特別是高中生物知識與物理、化學知識的交叉表現得更為明顯，也是目前大家最為關注的。物理和化學知識是我們理解生命現象的基礎。例如在光合作用過程中就涉及了光能或太陽能（物理現象）轉化為化學能（化學現象），然后貯存在生物體內又轉化為生物能（生物現象）的變化過程，中間有許多物質參與進行，并經歷了眾多化學變化，如卡爾文循環(huán)等。一切生命現象基本都與酶的活動有關，而酶一般都是蛋白質，它具有一般化學催化劑的共同特點，如只需少量即可改變化學反應的速度但不影響化學平衡的移動，而其本身的質和量并不發(fā)生改變。但酶還具有一般化學催化劑不具備的特點，如專一性等。在教學中教師如果能把酶與化學中的催化劑聯系起來對比講授，可以使學生溫故而知新，從而更快地建立新概念。高中生物教材中涉及的數學知識相對較少，主要表現在分析生物的遺傳現象時要用到一些簡單的概率知識，在教學過程中教師要結合學生的實際，引導學生進行正確的推算。
　　2.研究方法上的交叉
　　生物學同其他學科在一些研究方法上也有很多相似之處，特別是很多化學和物理的研究方法在生物學研究中被廣泛應用。但有一些交叉往往不易被發(fā)現和引起注意，如同位素示蹤法。同位素示蹤法是研究生物代謝最有效和最常用的方法，比如在研究光合作用的原理時，1939年美國科學家魯賓和卡門利用18■同位素示蹤法確定了氧氣來源于水，而卡爾文則利用14■同位素示蹤法探明了CO■中的碳在光合作用過程中轉化成有機物中碳的途徑，即卡爾文循環(huán)。在物理學中也有類似的方法。我們把紅墨水滴入靜止的熱水和冷水中，觀察分子擴散與溫度的關系，把高錳酸鉀放入正在加熱的水中，觀察水的對流情況，在粒子物理探測中，云室、氣泡室都留下了粒子的蹤跡。這些示蹤方法都形象、直觀、及時地顯示出了物理過程。
　　模擬法也是一種研究生命起源過程的常用方法，這是由于很多時候研究對象不允許進行直接實驗，或者我們無法還原到當時的情境中，例如原始大氣的狀態(tài)。在高中物理實驗中，電場中等勢線的描繪就是利用的模擬法，用電流場來模擬靜電場。同時生命起源模擬實驗的設計和把實驗結果反推到生命起源過程，還要運用類比法和類比推理，化學元素氦的發(fā)現和物理學中光的波動說的提出也都巧妙地利用了類比法。
　　3.能力培養(yǎng)上的交叉
　　從認知的功能角度來看，知識的傳授主要是解決繼承問題，而能力的培養(yǎng)則是要解決能動性和創(chuàng)造性的問題，因此注重培養(yǎng)學生的綜合能力是生物和其他學科教學的共同要求。
　　高中生物與各個自然學科之間有許多交叉之處和共同點。以學生觀察能力的培養(yǎng)為例，在高中生物課本的4個必做實驗中，有3個實驗是觀察實驗。觀察是發(fā)現和解決問題的開端，進行觀察的方法有順序觀察法（觀察植物細胞的有絲分裂過程實驗）、對比觀察法（觀察根對礦質元素離子的交換吸附）、跟蹤觀察法（葉綠體中色素的提取和分離）等，而具有良好的觀察能力也是做好物理和化學實驗所必須具備的能力。在解答分析生物的遺傳現象時，我們常常運用排除法、逆推法、分解組合法等，這些方法也同樣適用于解答數學、物理和化學問