其他學科思維在中學生物教學和學習中的應用

鄭小毛

在中學各學科學習中，生物學科具有“文理兼容、聯系生產”的特點。所以，在中學生物學教學中，教師采取“學科交叉、建模簡化、思維整合”處理技巧，既培養了學生的創新意識和創新能力，也提高了學生的學習效果和教師的教學效果。

1 物理思維在生物學習中的滲透

在高中生物教學過程中，筆者經常借助物理、化學知識解決一些生物問題，引導學生從多角度、多層面思考問題。實踐證明學生的收獲非同尋常。

1.1 利用物理知識，明晰生物概念

生物學的某些概念的理解可以與物理學中的相關概念進行類比，幫助學生突破生物思維上的障礙。

例如在講授細胞周期概念時，學生往往難以理解。教師可以利用物理學中的振動周期概念與細胞周期的概念進行類比，收到很好的教學效果。振動周期的概念是：做簡諧振動的物體完成一次全振動所需的時間，物體從A→O→B→O→A為一次全振動。細胞周期的概念是：進行連續分裂的細胞，從一次分裂完成時開始到下一次分裂完成時為止。學生對振動周期的概念在高一時已經掌握。此時，筆者把振動周期的概念演化為：進行連續做簡諧振動的物體，從一次全振動完成時開始到下一次全振動完成時為止（圖1）。那么，細胞周期的概念也就迎刃而解了。

1.2 利用物理知識，解釋生物現象

從物理學的角度來解釋生物體的生命現象是生物學教學過程中經常遇到的事情。現列表總結如表1所示。

用物理知識解釋生物現象，其作用關鍵在于能夠滿足學生的情感需要，能激發學生的學習興趣。每次碰到學科間知識相互滲透時，就是上課的一個興奮點。教育和心理學家贊可夫指出：教學法一旦觸及學生的情緒和意志領域，觸及學生的精神需要，這種教學方法就能發揮高度有效的作用。

1.3 利用物理知識，透析生物生理過程

對某些生物生理過程的理解，教師必需要滲透物理知識才能向學生解釋清楚。例如植物生理中有關根的向地性的問題。水平桌面上放一豆芽菜，請預測一段時間后根的生長方向。教師引導學生分析：根內生長素由于受到重力作用，向地面生長素分布較多，背地面生長素分布較少，而由于根對生長素敏感，較多生長素對根起抑制作用，所以一段時間后豆芽菜根向地生長（圖2）。如果把豆芽菜放到一正在做勻加速轉動的圓盤上（圖3），請預測一段時間后根的生長方向。教師引導學生分析：豆芽菜放到一正在做勻加速轉動的圓盤上后，對豆芽菜的受力情況進行分析，發現豆芽菜水平方向上受力情況與靜止狀態下比較有變化，而在豎直方向上受力情況與靜止狀態下相同，所以一段時間后根向地生長。如果把圖2所示裝置移至太空中，豆芽菜處于失重狀態，則根水平向左生長。以上問題均要借助于物理學中的動力學知識才能解釋清楚。

再如，在講到成熟植物細胞滲透吸水時，要用到物理學中的分子運動論知識；在講到基因突變——人工誘變時，涉及到原子物理學知識等。

運用物理知識分析生物學問題，可以培養學生的知識遷移能力。

1.4 利用物理知識，突破生物難點

在解決生物教學中的某些難點時，物理知識可以起到畫龍點睛的作用。例如植物通過光合作用把光能轉變成電能的過程，教科書上是這樣解釋的：在光的照射下，少數處于特殊狀態下的葉綠素a連續不斷地丟失電子和獲得電子，從而形成電子流，使光能轉換成電能。僅僅這樣解釋，學生還是較難理解。為了突破此難點，教師圖文并茂地加以分析，并引入最初電子供體和最終電子受體等生物名詞進行解釋，希望學生能夠理解和掌握。但是，得失電子的知識在化學學科中涉及較多，在學生的腦海里很難形成電流模型。如果教師在此時加上一句物理學電學中的話：電荷的定向移動形成電流。學生就會有一種豁然開朗的感覺，并且還可以得出電流的方向是從輔酶Ⅱ→葉綠素a→H2O。

再如，動物的神經調節是高中生物教學中的一個難點，有關神經調節的問題學生較難掌握。如圖4所示，在C點給神經纖維以刺激，靈敏電流計指針偏轉幾次？如何偏轉？用生物學和物理學電學知識分析如下：在神經纖維上C點受刺激后，刺激處的膜內外電荷變為外負內正，興奮以局部電路回流的形式從C點在神經纖維上向左向右傳導。當興奮傳到a點時，由于a點和b點之間存在電勢差，所以靈敏電流計指針偏轉一次。當興奮傳到b點時，a點和b點之間存在電勢差，所以靈敏電流計指針又偏轉一次。靈敏電流計指針偏轉方向與靈敏電流計本身內部構造有關，應檢測后才能確定其指針偏轉方向。

借用物理知識突破生物難點，學生容易理解和掌握所學內容，并且印象深刻。

2 數學思維在生物學習中的滲透

生物體的代謝、生長、繁殖等生命活動的規律隱蔽抽象，遺傳學中遺傳概率、蛋白質中氨基酸的排列方式等數量關系錯綜復雜，這些都給生物學的教與學帶來了一定的難度。教學實踐表明，引進數學理念對相關問題進行定量分析，遠比空洞的定性描述更富說服力和感染力；巧用數學思想，則可化抽象為具體，變模糊為清晰，使復雜成簡單。

2.1 極限思想的應用

在雜交育種中，為了獲得能穩定遺傳的類型，常常要讓帶有隱性基因的雜合個體不斷自交，經過多次的選擇、淘汰，直到后代不再出現性狀分離為止，對此，可用極限思想解決。

【例1】 現有一含一對等位基因的雜合子，要利用它得到純合顯性品種，請分析純合體的比例y與自交代數n的數量變化關系。

解析：含有一對等位基因的雜合個體連續自交n次，后代中純合子的比例y=1-■。當n→∞時，y→1，隨著自交代數n數目的增加，y的值將越來越大，當自交代數趨于無窮大時，后代基本上都為純合體。這也證明了雜交育種耗時長的不足，要縮短育種年限，可用單倍體育種等方法。

2.2 函數思想的應用

生物學中許多數量關系相互關聯，互為因果。教師若將它們聯系在一起，充分利用它們的制約關系，可解決不少常規方法不能解決的問題。

【例2】 已知氨基酸的平均分子量為128，測得某蛋白質的分子量為5 646，試判斷形成該蛋白質的氨基酸數和肽鏈數。

解析：蛋白質的分子量確定后，氨基酸的數量與肽鏈的數量存在著必然的函數關系，如設氨基酸的數量與肽鏈的條數分別為x和y，則有128x-18（x-y）=5 646。

盡管1個方程包含2個未知數，但x和y必須都為自然數且1≤y

2.3 反證法思想的應用

在生物學教學中，有些問題直接從正面考慮很難解決，這時若教師改變思維方向，從結論入手，或從結論的反面入手反而有利于問題的解決。

【例3】 父母正常，女兒患病，問這種病屬什么遺傳方式？

解析：父母正常，女兒患病，致病基因必為隱性，且不可能在Y染色體上。究竟是常染色體遺傳，還是X染色體遺傳呢？假設是X染色體遺傳，則女兒的基因型必為XbXb，這樣，父親的基因型就為XbY，與題意不符，所以該假設不能成立，因而該病是常染色體隱性遺傳病。

2.4 集合思想的應用

生物學中的一些概念內涵相似，外延交叉；有些計算中數量關系含蓄，巧用集合的知識，可以直觀而簡潔地解決這些問題。

【例4】 在一次對ABO血型的調查中，共檢驗了6 000名居民的血液，其中2 527人為A型血，2 234人有抗原B，1 846人無抗原，問AB血型的人有多少？

解析：ABO血型是由紅細胞表面的抗原決定的，AB血型即指A、B二種抗原都有的人。據題意可畫出如圖5所示的集合圖解（圖5）：集合A有2 527人，集合B有2 234人，陰影部分為補集1 846人，交集AB即為AB血型的人，據圖可以很明了地求出：2 527+2 234+1 846-6 000=607（人）。

2.5 定量分析思想的應用

在生物學理論知識的教學中，教師應用數學計算引導學生進行定量分析，可使晦澀含蓄的問題變得生動鮮明。

如同類的哺乳動物，在寒冷地帶生活的個體比熱帶的個體大，這是生物界的一個基本事實。為了解釋此現象，筆者引導學生依上述方法計算，個體大的動物相對體積大，表面積小，因而表面積與體積的比值小，細胞代謝速率減小，這樣便有利于減少熱量的散失和保持體溫的恒定；相反，在熱帶生活的動物表面積與體積的比值大，有利于散熱和保持體溫的恒定。可見，動物體型和生活環境這種抽象隱含的關系通過鮮明的數學計算，其原理昭然若揭。

【例5】 如圖6表示5種哺乳動物代謝速率與體形大小的關系。據圖分析，下列說法中錯誤的是（ ）

A. 鼠和兔比馬和象每克體重消耗的能量多

B. 狗和兔相比單位體積釋放的熱量要多

C. 圖中所有動物都能通過輻射散熱

D. 在缺乏食物時，大型動物比小型動物存活時間長

解析：5種動物體形大小與體重的比較圖中十分明確，狗表面積與體積的比值比兔小，細胞代謝速率相應也減小。

答案：B。

3 利用“建模”思想，輕松學習生物學知識

模型是原型經過抽象化后形成的，在某種意義上是原型的替代。模型的建立是具體知識理論化、形象化的過程。模型屬于表象，在經驗中并不存在事物，可以依據符號、標志的影響構造出事物的形象，這是想象中的表象。建立模型可以簡化許多復雜的程序和理順混亂的線條，使復雜東西簡單化、抽象事物形象化，進而便于學生的理解。正是基于此，建模已經成為了許多學科領域的重要思想，“建模”思想在中學數學、物理、化學、生物等學科中得到了廣泛應用；數學建模、物理建模思想和方法在中學生物學習和解題中也得到了廣泛應用。

3.1 數學建模的應用

所謂數學建模，就是通過計算得到的結果來解釋實際問題，并接受實際的檢驗，來建立教學模型的全過程。在生物學科教學中，構建數學模型，對理科思維培養也起到一定的作用。

3.2 物理建模的應用

為了形象、簡捷地處理物理問題，人們經常把復雜的實際情況轉化成容易接受的簡單的物理情境，從而形成一定的經驗性規律，即建立物理模型。模型化階段是物理問題解決過程中最重要的一步，模型化正確與否或合理與否，直接關系到問題解決的質量。培養模型化能力，即是在問題解決過程中依據物理情景的描述，正確選擇研究對象，抽象研究對象的物理結構，抽象研究對象的過程模式。在中學生物教學中，許多地方也涉及到物理模型的應用，如光合作用。許多生理過程都可以通過抽象建立物理模型，達到輕松理解生物知識的目的。

在中學生物學教學中，培養學生的多種思維，倡導“學科交叉、思維整合”，引入其他學科思維服務于生物教學和生物學習，無論是對中學教學，還是對生物科學進一步學習基礎的奠定，都有著重要的現實意義和深遠的潛在意義。

在中學生物學教學中，通過采取“學科交叉、建模簡化、思維整合”處理技巧，能實現“復雜知識簡單化、零亂知識系統化、抽象知識具體化”，進而降低了問題的難度，讓問題變得容易理解和掌握，無論是適應當前新一輪課程改革的需要，還是打造高效課堂，都無疑是一條行之有效的思路和方法。