學(xué)科融合在高中生物學(xué)“科學(xué)思維”素養(yǎng)培養(yǎng)中的實(shí)踐
——以“物理力學(xué)與滲透原理的融合”為例

鄧純臻 隆 平

(四川省攀枝花市第七高級(jí)中學(xué)校 攀枝花 617005)

“科學(xué)思維”是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力[1]。一般來說，生物學(xué)科中的“科學(xué)思維”側(cè)重于“揭示事物演化發(fā)展的規(guī)律”，即主要討論其中的思維工具，包括歸納與概括、演繹與推理、分析與綜合、比較與類比、模型與建模、內(nèi)向思維與外向思維、批判性思維與創(chuàng)造性思維、逆向思維與側(cè)向思維、收斂思維與發(fā)散思維、邏輯思維與辯證思維等[2]。

“學(xué)科融合”是指基于學(xué)生已有的多學(xué)科知識(shí)，借助其他學(xué)科的思維方式、思維習(xí)慣、分析方法等解決教學(xué)過程及實(shí)際生活中遇到的生物學(xué)問題的一種教學(xué)策略[3]。借助其他學(xué)科的思維方法能夠?qū)⑸飳W(xué)上的部分疑難點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單化、具體化，降低其理解難度。學(xué)科融合在幫助學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，能夠有效提升教學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)生“科學(xué)思維”素養(yǎng)的形成。

本文以“物理力學(xué)與滲透原理的融合”為例，談?wù)剬W(xué)科融合在高中生物學(xué)“科學(xué)思維”素養(yǎng)培養(yǎng)中的應(yīng)用。

1 學(xué)科融合實(shí)踐案例——物理力學(xué)與滲透原理的融合

滲透系統(tǒng)是指由半透膜及其兩側(cè)的溶液所構(gòu)成的能夠發(fā)生滲透作用的體系或裝置，如由植物細(xì)胞的細(xì)胞液、原生質(zhì)層及外界溶液構(gòu)成的滲透系統(tǒng)等。對(duì)于滲透原理的理解與運(yùn)用是學(xué)生分析與綜合、融合與發(fā)散思維發(fā)展的重要素材，利用學(xué)科融合的形式，借助物理學(xué)相關(guān)知識(shí)與思想能夠幫助學(xué)生提高理解效率，促進(jìn)學(xué)生“科學(xué)思維”素養(yǎng)的形成。

U形管和漏斗燒杯系統(tǒng)是生物學(xué)教學(xué)中分析滲透原理的最為經(jīng)典的兩個(gè)教學(xué)媒介。對(duì)此，我們可以借助物理力學(xué)中的“受力分析”與“能量分析”兩類知識(shí)輔助教學(xué)與素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1.1 重力及物體的受力平衡分析 溶液“滲透壓”指溶液中溶質(zhì)微粒對(duì)水的吸引力。據(jù)此，可以采用“吸引力及重力”對(duì)滲透系統(tǒng)進(jìn)行分析。滲透裝置如圖1所示，漏斗中為溶液a，溶液濃度為Ma，燒杯中為溶液b，濃度為Mb, Ma>Mb。當(dāng)達(dá)到滲透平衡時(shí)(圖2)，漏斗中溶液濃度為Ma平，燒杯中溶液濃度為Mb平，漏斗中產(chǎn)生水柱，水柱高度為△h。

分析： 當(dāng)Ma>Mb時(shí)，即a溶液對(duì)水所產(chǎn)生的向上(方向針對(duì)半透膜而言)的吸引力Fa大于b溶液對(duì)水所產(chǎn)生的向下的吸引力Fb，此時(shí)，半透膜兩側(cè)液體間所產(chǎn)生的合力F合=Fa-Fb>0，方向向上，滲透裝置開始吸水，漏斗中液面上升，形成水柱△h，隨著吸水量的增加，a溶液濃度減小，所產(chǎn)生的向上吸引力Fa逐漸減小；

b溶液濃度增大，所產(chǎn)生的向下的吸引力Fb增大，故兩者的合力F合逐漸減小。隨著△h逐漸增大，這部分液體具有向下的逐漸增大的重力G△h。當(dāng)F合=G△h時(shí)，滲透系統(tǒng)達(dá)到滲透平衡(圖4)。此外，滲透系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，F(xiàn)合仍然大于零，即Ma平>Mb平，由此可總結(jié)出規(guī)律： 滲透系統(tǒng)初始濃度差越大，滲透平衡時(shí)F合越大，△h越大，即水柱越高。

據(jù)此，可以構(gòu)建一套相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，來表示滲透系統(tǒng)中滲透作用發(fā)生時(shí)，滲透壓對(duì)水的吸引力的合力F合及水柱重力G△h的變化規(guī)律(圖5)。

同理，當(dāng)Ma

U形管的分析過程與此過程類似，此處不再贅述。

“受力分析”是物理力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，在教學(xué)中將“受力分析”引入“滲透原理”的理解中，能夠降低滲透原理的理解難度，幫助學(xué)生更快掌握相關(guān)知識(shí)；通過模型建構(gòu)、過程分析等方法也能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用、綜合運(yùn)用的能力。

1.2 機(jī)械能守恒及重力勢(shì)能分析 漏斗中溶液吸水、水柱上升的過程中，滲透系統(tǒng)克服了重力做功，故可以從“機(jī)械能守恒及重力勢(shì)能變化”的角度對(duì)滲透系統(tǒng)進(jìn)行分析。

分析： 當(dāng)滲透系統(tǒng)中半透膜兩側(cè)存在濃度差時(shí)，該系統(tǒng)中溶液濃度較大的液體存在對(duì)水的吸引趨勢(shì)，這種趨勢(shì)能夠產(chǎn)生一種勢(shì)能為某些過程或體系提供能量，假定這種勢(shì)能為滲透勢(shì)能，用E滲表示。當(dāng)滲透系統(tǒng)中溶液的濃度關(guān)系為Ma>Mb時(shí)，漏斗中形成一個(gè)較大的向上的滲透勢(shì)能E滲，使得漏斗吸水，該勢(shì)能能夠克服漏斗中水柱上升所形成的水柱具有的重力做功，導(dǎo)致水柱能夠不斷上升，水柱上升，溶液濃度差減小，故E滲逐漸減小(圖6)。水柱形成之后，即產(chǎn)生向下的重力勢(shì)能E重，隨水柱上升，E重逐漸增大，當(dāng)兩者剛好相等時(shí)，裝置達(dá)到滲透平衡的狀態(tài)，此時(shí)E滲平=E重平(圖7)。

圖6 滲透初始狀態(tài)勢(shì)能分析

圖7 滲透平衡狀態(tài)勢(shì)能分析

據(jù)此，建立滲透系統(tǒng)中機(jī)械能變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型(圖8)。

圖8 滲透過程勢(shì)能變化分析

“能量分析”這部分內(nèi)容比“力的分析”難度稍大，但其仍屬于物理力學(xué)部分的基礎(chǔ)內(nèi)容。以“能量守恒及重力勢(shì)能”相關(guān)知識(shí)為切入點(diǎn)，為學(xué)生提供了多一種的思維選擇，兩部分知識(shí)相互促進(jìn)，可幫助學(xué)生加深對(duì)兩部分知識(shí)的理解，這樣以“學(xué)科融合”的形式對(duì)“滲透原理”相關(guān)知識(shí)進(jìn)行教學(xué)，將“物理力學(xué)”知識(shí)與“滲透原理”進(jìn)行融合理解，在學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)的過程中逐步提升學(xué)生的分析與綜合能力、在無形中培養(yǎng)學(xué)生的融合與發(fā)散思維、創(chuàng)新思維與辯證思維等。

1.3 “科學(xué)思維”素養(yǎng)實(shí)踐 通過例題分析加深“學(xué)科融合”的思維能力。

例題： 如圖9所示為平衡時(shí)的滲透裝置，燒杯內(nèi)的液面高度為a，漏斗內(nèi)的液面高度為b，液面高度差m=b-a。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，以滲透平衡時(shí)的液面差為觀測(cè)指標(biāo)，正確的是( )

圖9 平衡狀態(tài)滲透裝置

A. 若吸出漏斗中高出燒杯內(nèi)的液面的溶液，則平衡時(shí)m增大

B. 若向漏斗中加入少量蔗糖，平衡時(shí)m將增大

C. 若向漏斗中加入適量且與漏斗內(nèi)的蔗糖溶液濃度相等的蔗糖溶液，則平衡時(shí)m不變

D. 向燒杯中加入適量清水，平衡時(shí)m將增大

解析思路： 結(jié)合“受力分析”解答此題。假設(shè)“吸出”或“加入”的只是溶液中的溶質(zhì)，即對(duì)比形成原平衡與新平衡所對(duì)應(yīng)的初始濃度差。再借助上述規(guī)律：“滲透系統(tǒng)初始濃度差越大，滲透平衡時(shí)F合越大，△h越大，即水柱越高”，便能快速判斷此題。

分析過程：“若吸出漏斗中高出燒杯內(nèi)的液面的溶液”，相當(dāng)于減小了漏斗與燒杯內(nèi)溶液的初始濃度差，則該滲透系統(tǒng)所產(chǎn)生的合力F合新比原來的合力F合原要小，該合力F合新所能平衡的水柱重力G△h也相應(yīng)減小。因此，當(dāng)達(dá)到滲透平衡時(shí)，所形成的水柱高度m減??；同理，“若向漏斗中加入少量蔗糖”，相當(dāng)于增大了漏斗與燒杯內(nèi)溶液的初始濃度差，平衡時(shí)，m將增大，B正確；“若向漏斗中加入適量且與漏斗內(nèi)的蔗糖溶液濃度相等的蔗糖溶液”，相當(dāng)于增大了初始的濃度差，故平衡時(shí)m將增大；“向燒杯中加入適量的清水”，即改變了燒杯中原有水面的高度，相當(dāng)于增大了漏斗中溶液的體積，即減小了初始濃度差，故平衡時(shí)m將減小。

2 結(jié)語

在生物學(xué)教學(xué)過程中，可以嘗試將物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科的相關(guān)知識(shí)融合到課堂教學(xué)中，不僅能夠幫助學(xué)生快速理解相關(guān)知識(shí)、提高教學(xué)效率，更為重要的是能夠提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，提升學(xué)生的綜合能力。

例如，可以將“物理電學(xué)(電場(chǎng)力)”與“電泳的原理與生物大分子的分離”相融合進(jìn)行講解，降低理解難度[3]；也可以采用構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方法，將數(shù)學(xué)的“函數(shù)”與“不等式”等與“基因頻率的計(jì)算與分析”相融合進(jìn)行講解，提升教學(xué)效率[4]。