高中物理與生物融合教學的思考與實踐

葉玲 谷輝

摘? ? ? 要? ? ? ?在最新修訂的課程標準中，核心素養(yǎng)下物理觀念和生命觀念存在著高度的一致性，主要表現(xiàn)為屬性同源、內涵交融、價值共鳴。如何把握觀念的共性，打破學科間的藩籬，實現(xiàn)互通，是教學實踐中關注的問題。觀念是在建構、情境和進階學習中達成的。建構中形成的觀念具有概括性、統(tǒng)領性;情境中生成的觀念具有遷移性、穩(wěn)定性；進階中樹立的觀念具有發(fā)展性、批判性。觀念最終指向人的發(fā)展，如能量觀就很好地體現(xiàn)了跨學科觀念的融合。

關 鍵 詞? ? ? ?跨學科? 核心素養(yǎng)? 物理觀念? 生命觀念

引用格式? ? ? ?葉玲，谷輝.高中物理與生物融合教學的思考與實踐[J].教學與管理，2023（13）：45-48.

在教育部頒布的《普通高中物理課程標準（2020年修訂）》和《普通高中生物學課程標準（2020年修訂）》中，兩門學科關于核心素養(yǎng)的表達存在著高度的一致性（見表1），這既是因為物理和生物學學科屬性的源起相同、內涵呼應所致，更是兩者跨學科育人價值的共同體現(xiàn)。由于我國分科設置教學的局限，勢必造成學科間出現(xiàn)一定的隔離，學科教學在育人時存在互不相通的現(xiàn)象。如何正確認識物理觀念和生命觀念的內涵價值、融合實施的可行性，在教學實踐中打破藩籬、實現(xiàn)互通，本文嘗試跨越物理和生物學的界限，就兩者之間共同關注的核心素養(yǎng)——“觀念”作一探討。

一、“物—生”跨學科“觀念”融合的邏輯

1.“物理觀念”與“生命觀念”屬性同源

“觀念”一詞在英語中較為貼切的表達為idea，最早源于希臘語，意為“看”或“看見”，指人類的感覺器官受到了外界事物的刺激后，在頭腦中留下的客觀事物的概括形象。從哲學的角度來講，“觀念”經歷了從本體論到認識論的過程，柏拉圖曾從本體論的角度進行闡釋：觀念首先是事物的本質，再次是與事物本質對應的思維，最后指向事物的理想存在。之后又歷經笛卡爾、康德、黑格爾、杜威以及馬克思主義哲學的發(fā)展，“觀念”最后落腳于辯證唯物主義認識論。觀念既反映了人們對客觀事物總體的概括性認識，又指思想意識，是人在自身經歷之后的自我思想總結或面對客觀現(xiàn)實時所產生的思想意識[1]。

追溯物理觀念和生命觀念的屬性，其實都源起于自然科學，都隸屬于科學觀念的范疇。作為自然科學的兩個主要分支——物理和生物學，分別對自然界中的物理和生物現(xiàn)象及規(guī)律進行研究，又都是以觀察和實驗的經驗證據(jù)為基礎，繼而形成各自的知識、概念和觀念體系。科學觀念是自然科學領域中最本質的思想精華，是人類對科學現(xiàn)象及事物所形成的認識和觀點。物理觀念、生命觀念隸屬于科學觀念，學生在建立物理觀念、生命觀念之后，觀念之間相互融合、相互作用，共同促成學習者科學觀念的形成。進一步講，科學觀念又歸屬于自然觀、價值觀、人生觀、社會觀等，這些觀念共同作用支撐起學生成長應具備的總觀念[2]。

2.“物理觀念”與“生命觀念”內涵交融

物理和生物學《課程標準》的核心素養(yǎng)部分所提出的“物理觀念”主要包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等要素[3]；“生命觀念”主要包含結構與功能觀、進化與適應觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、物質與能量觀等[4]。不難發(fā)現(xiàn)，雖然兩門學科視角不同，但其主要的內涵，如物質觀、相互作用觀、能量等，彼此呼應，相互融合，是概念和規(guī)律在大腦中的凝煉和升華，是從物理和生物學視角解釋自然現(xiàn)象和解決真實問題的基礎[5]。

物質是客觀存在的，世界是由物質組成的，因此所有觀念中最基本的就是物質觀念。任何物質時刻都處于運動之中，運動是物質的根本屬性，而物質的運動又依托于物體之間的相互作用，表現(xiàn)為兩個物體間存在著作用與反作用，這種相互作用觀又是人們對客觀物質世界進一步認識的成果。運動與相互作用的過程又伴隨著能量的轉化，能量觀隨之產生。可見，觀念之間并非彼此獨立或割裂的，運動與相互作用觀念是聯(lián)系物質觀念與能量觀念的橋梁，能量觀念則是對物質觀念、運動與相互作用觀念認識的進一步深化。從物理學角度來理解生活中的物質、運動與相互作用、能量轉化，將這些認識聯(lián)系起來便共同構成整體的物理觀念。

與物理學理解相同，生命世界中生物體是由基本的元素組成的，而這些元素又都來自于地球本身，元素種類來源的一致體現(xiàn)了生命與自然界的統(tǒng)一性，而所含成分的不同又體現(xiàn)了它們之間的差異性。元素之間相互作用形成復雜的有機化合物，尤其蛋白質的結構功能最為復雜，核酸分子中蘊含的信息極其多樣。眾多有機物相互作用形成單細胞生物，細胞中的精妙結構與功能相適應，復雜多細胞生物體中通過調節(jié)不斷維持著自穩(wěn)的狀態(tài)。38億年的生命進化史成就了物質世界的最高級形式，以至于擁有了智慧和思想的靈長目動物——人類才有機會“主宰”了地球。然而，若以跨學科的視域來看，人類進步帶來的工業(yè)革命、科技革命、信息革命中的一些發(fā)明真的能主宰地球嗎？要想實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，學生需要以跨學科的視角、更深層次去審視人類本身及其發(fā)明創(chuàng)造與自然之間的關系，這樣才能真正形成跨學科的核心素養(yǎng)。

3.“物理觀念”與“生命觀念”價值共鳴

自然界中的現(xiàn)象紛繁復雜、瞬息萬變，窮其一生我們所見所聞也只是滄海一粟、無法窮盡，通過學習最終在人的腦海中所遺留下來的總結性認識就是觀念。“物理觀念”和“生命觀念”是從物理、生物學角度認識世界的意識，是透過物理和生命現(xiàn)象看本質，超越事實、概念、原理、規(guī)律的存在，是客觀事物在人的思想意識中形成的概括性認知，這便是物理、生命觀念重要的學科本位價值。

什么是觀念？說到底，是哲學中形而上學的“道”。知識具有其自身的邏輯與結構體系，是相對客觀的，而觀念則是主體在大腦中建構的對事物的看法，有一定的主觀性。教育的目標不是為了獲取大量事實知識，完成逐漸深入探索的過程比結果更加重要。從物理、生物學視角來認識客觀世界，形成合理解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的思路、方法，最終上升為一種觀念，從而去解決真實情境中的復雜性、綜合性問題，更彰顯其學科應用價值。

物理觀念、生命觀念既是學科素養(yǎng)的組成要素，更是核心的要素，而這些觀念的形成要依靠科學探究和科學思維強力驅動。從心理學來看，觀念還是態(tài)度和責任由潛到顯的心理動因。如果說知識是理性化了的人類認識的事實經驗和結果，那么概念就是通過對事物本身的特征抽象概括產生的理性認識，而觀念則是經過凝煉和升華之后形成的特定思維方式，是學習者站在更高的高度、更全面地對物理、生命世界的認知。跨學科“觀念”培育的價值最終指向受教育者的變化，是一種穩(wěn)定的從物理和生物思維角度出發(fā)認識世界的心理能力，即便忘卻具體的知識之后，我們依舊能從物理、生命觀念的視角去看待和理解現(xiàn)象。可見學習者所具備的正確價值觀、必備品格，正是態(tài)度和責任的外顯表征，這些變化又都是在“觀念”的形成中發(fā)生發(fā)展，體現(xiàn)出學科育人價值。

二、“物—生”跨學科“觀念”融合的可行性

1.建構形成的觀念具有概括性、統(tǒng)領性

布魯納的學科結構論告訴我們：任何學科都有其基本結構，任何與該學科有聯(lián)系的事實、論據(jù)、觀念、概念等都可以不斷地納入一個處于不斷統(tǒng)一的結構之內，這種基本結構是將知識組織起來的最理想方式，應該成為教學過程的核心[6]。如今，我們重新審視這種“結構”，同樣適用于物理和生物學科，都可認為是“觀念”。用樹式生長來理解，樹根是“觀念”，樹干是“大概念”，樹枝是“核心概念”，樹葉便是“事實”“知識”。雖然說學習時學生首先接觸的是物理和生命現(xiàn)象中的事實經驗，但學習不能只是獲取零散的知識、堆砌經驗、習得概念，否則最后只能得到一堆樹葉，一葉障目之下只見樹葉不見樹木，而跨學科觀念的培養(yǎng)就是要讓學生既見樹木又見樹林。當然，觀念的形成不是一蹴而就的，需要經歷從“事實經驗”到“知識結構”，從“核心概念”到“大概念”，直至形成“觀念”的建構，學生正是在這樣的過程中主動建構，形成具有概括性、統(tǒng)領性的觀念。

教學中只有把學科教育的目標定位在“觀念”，才能組織零碎雜亂的知識形成體系，建構起獨立的核心概念，進而形成大概念。如果說大概念居于學科的中心位置，那么“觀念”則是更居于上位，這樣的建構能建立更加廣泛的聯(lián)系和意義關聯(lián)。以觀念統(tǒng)領教學是目前新課程標準中著重強調的理念，觀念的概括性和統(tǒng)領性有助于實現(xiàn)“課時教學”相對是割裂的、注重細枝末節(jié)的，邁向“大單元教學”。“課時教學”容易把內容碎片化處理，呈現(xiàn)孤立的知識點，丟失了“統(tǒng)領性”，而大單元教學相對是相互聯(lián)系的，重在對所學知識內在意義和功能價值的思考。從觀念出發(fā)也有利于進行大單元教學設計，組織與觀念相關的所有內容，去深入探尋概念和規(guī)律的關聯(lián)性，也有利于引導學生逐漸形成知識結構，以知識結構促進學生認知結構的發(fā)展，最終目標指向形成統(tǒng)領性觀念的建構。

2.情境中生成的觀念具有遷移性、穩(wěn)定性

當代科技迅速發(fā)展、知識也在不斷迭代更新，未來人才需要擁有解決實際問題的能力，尤其是在多變、復雜的情境之下，課堂教學應提供各種情境任務，通過具體的學習活動進行科學探究、科學思維，讓學生在探究中親歷學科知識和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，在高水平的思維活動中能夠將所學的物理、生物知識進行合理的遷移與應用。一旦“觀念”在學生的大腦皮層中形成穩(wěn)定的映射，那么他們即便淡忘了具體的物理、生物知識，在身處紛雜多變的真實情境中，仍能主動地以“物理觀念”和“生命觀念”的視角來看待、分析問題。

建構主義學習觀認為，學習是學生主動認知的過程，而并非老師簡單地傳授，學生被動地接受。在這個過程中，學生通過同化和順應的思維活動使新舊知識產生聯(lián)系，完成對新知識有意義的構建。建構主義學習理論中的“情境”“協(xié)作”“會話”和“意義建構”這四大要素同樣適用于觀念的生成。學生正是基于特定的情境任務，在老師幫助、同學協(xié)作下對外部客體進行認知加工，從而形成自己的見解，并在腦海中實現(xiàn)觀念“圖式”的構建。可喜的是，當下我們的課堂教學正發(fā)生著積極轉變，關注重點從知識學習轉移到觀念形成，從理解記憶走向實踐應用，從簡單情境變?yōu)閺碗s情境，如此生成的觀念才具有遷移性、穩(wěn)定性。

3.進階中樹立的觀念具有發(fā)展性、批判性

物理觀念、生命觀念是人們認識物質世界逐漸深入的結果，因為觀念是辯證唯物的、動態(tài)發(fā)展的，用發(fā)展的眼光來審視，觀念不是一成不變的，隨著人類探索認識世界的不斷深入，這種客觀理性的認識伴隨著實踐而不斷演進，被不斷賦予新的內涵，于是觀念也隨之不斷更新。物理學經歷了從經典物理到現(xiàn)代物理的突破，生物學的發(fā)展亦是如此，從描述性生物學階段到實驗生物學階段，從分子生物學階段再到當代生物的發(fā)展，不同的歷史階段反映著觀念的演進，這也讓人類更加深入地理解、認識自然，無限接近世界的真諦，這種接近將是動態(tài)的、發(fā)展的、永恒的。與生物學中的系統(tǒng)重演論類似，學生的學習過程也在發(fā)生著這種“觀念”的變化。物理學史和生物學史中這樣的例子比比皆是：列文虎克發(fā)明了顯微鏡，這不僅是物理學上利用透鏡成像原理的突破，更是打開了細胞這扇研究大門，人們開始形成動物植物的統(tǒng)一性觀念，從而為細胞生物學的研究拉開了序幕，科學研究自此建立起了更加寬廣的跨學科體系。

教學重演論與生物系統(tǒng)重演論類似，學生觀念的發(fā)展是在學習的進階中實現(xiàn)的，某一觀念的認知水平是不斷深入的，思維方式是從低層次向高層次不斷提升的。從蘇格拉底所倡導的探究性質疑到杜威提出的反省性思維，再如保羅建議的為改善思維而對思維的思考，以及布魯姆教育目標分類中的評估，無不指向批判性思維的養(yǎng)成。我們的課程和教學應努力提供這種腳手架，開發(fā)出連貫的具有批判價值的學習資源，這恰好與當前國際科學教育領域研究的熱點——學習進階理論所倡導的發(fā)展路徑相一致。

三、“物—生”跨學科“觀念”融合的踐行

1.以“能量觀”融合跨學科觀念

能量是整個自然科學領域核心觀念之一，物理和生物學都在培養(yǎng)學生建立起能量觀中起到重要的支撐。能量是客觀存在的，但并非物理所特有。物理中指出能量具有多種形式，如動能、電能、光能、內能、化學能等等，而生物學中肌肉收縮、神經沖動的傳導、螢火蟲發(fā)光、人體體溫的維持，甚至細胞的分裂、細胞器的運動、細胞骨架的解聚等都與之相關。

從能量轉化的角度來看，儲存在彈性材料中的勢能在形變恢復時轉化為動能，感應電流在磁場中做正功或負功，其能量的轉化形式是不同的。不同形式的能量轉化同樣發(fā)生在生物體中，如腎臟中的化學能轉換成滲透能，纖毛細胞、肌纖維細胞中的化學能轉換成機械能，味細胞、嗅細胞中的化學能轉變?yōu)殡娔埽曞F細胞、視桿細胞將光能轉變成電能等。

物理學中的能量守恒觀是能量觀念中的核心，在力學、熱學或電磁學中都有所反映，譬如力學的機械能守恒定律和功能之間的關系、熱學的熱力學第一定律、電磁學的焦耳定律、電荷守恒以及楞次定律等。在生物體中也體現(xiàn)了這樣的規(guī)律，活細胞中有氧呼吸時在進行糖酵解和三羧酸循環(huán)，其中發(fā)生糖類中的化學能轉化為線粒體內膜上電子傳遞鏈中電能，進而在轉化為ATP中的能量同時伴隨以熱的形式的能量釋放。能量不會憑空消失，也不會憑空產生，它不過是從一種形式轉化為另一種形式。能量是不可消滅，也是不可創(chuàng)生的，即便在生物體中同樣依循能量守恒定律。

至于能量的耗散觀更是將無生命的物體和生命體聯(lián)系在了一起。我們知道能量不會消失，那為何在現(xiàn)實生產生活中還要“節(jié)約能源”？這問題能很好地引發(fā)學生思考能量在轉化的過程中出現(xiàn)的耗散，比如熱機的能量耗散問題，能量并沒有消失，只是沒有復原。由熱力學第二定律可知，在分析熱機效率時，是應當以絕熱過程為前提的。再看生物體可知，生命個體在空間結構上是高度有序的，在物質變化的時間上，譬如細胞新陳代謝、個體發(fā)育過程也是高度有序的。生物體無休止的物質和能的代謝必然要導致熵的增加，而熵的不斷增加勢必沖擊、侵蝕乃至最后毀滅對生命至關重要的有序性。但在事實上，生物體卻能夠在新陳代謝過程中保持它的有序性，能夠很好地完成生長、繁殖等過程，而整個生物界也經歷了從低級到高級的過程，產生了愈來愈復雜的，即有序性愈來愈高的生物體。

物理學的能量耗散理論很好地解釋了這個“悖論”。原來，只是在和外界既無物質交換、又無能量交流的封閉系統(tǒng)中，自發(fā)過程才會導致熵的增加，才會使得整個系統(tǒng)從有序走向無序。然而細胞和生物體并不是一個孤立的系統(tǒng)，而是和外界環(huán)境緊密聯(lián)系的開放系統(tǒng)。一方面，細胞和各種生物體在生存過程中要發(fā)生無數(shù)的化學反應，要在體內和向體外做無數(shù)的機械功，這些過程都是伴隨著能的轉化的。當一種形態(tài)的自由能轉化為另一種形態(tài)的自由能時，總有一部分能轉化為熱，即轉化為分子無規(guī)則運動的能，這是在生物體中不能做功的能。從分子運動的角度來看，這就導致了熵的增加。然而細胞和生物體是開放的系統(tǒng)，它們不斷同環(huán)境進行物質和能量的交換。植物從外界吸收陽光，動物、真菌、細菌從外界攝取富含自由能的有機物，把熱以及含自由能很少的代謝廢物送回到環(huán)境中。或者說，活細胞和生物體一直在和它們的環(huán)境中發(fā)生著熵的交流，交流的結果是細胞和生物體的熵值減少表示處于生長和進化狀態(tài)，而當熵值基本不變時，意味著維持生存狀態(tài)，而當熵值在增加時則意味著體質下降，向死亡發(fā)展。以物理學的耗散觀來看，活細胞和生物體是通過使環(huán)境中的熵增加，或者說從環(huán)境中吸收負熵來抵消體內熵的增長，依靠不斷供應自由能來維持其結構的有序性。

2.以“能力進階”達成跨學科觀念

如果說知識指向物理和生物學事實現(xiàn)象，概念則指向事物的本質，那么觀念就直指人的發(fā)展。教師在教學中可以圍繞某一主題，如“夏日螢火蟲中的能量”，展開跨學科實踐教學（如圖1）。

在跨物理生物學科視角下，真實情境達成跨學科大觀念，從能量的形式、轉化轉移、守恒和耗散四個維度建立起的能量觀念內涵更加豐富，有助于學生未來在所處不同情境中能夠自覺以能量觀認識事物和解決問題，進而可以引導他們形成科學的自然觀、價值觀、社會觀和人生觀。

參考文獻

[1] 馬丹.高中生物理觀念形成的現(xiàn)狀調查研究[D].蘭州：西北師范大學，2021.

[2] 李艷梅，張軍.從跨學科到超學科：基于高中生物教學的20年探索[J].現(xiàn)代教育，2021（12）：55-59.

[3] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：4-5.

[4] 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：4-5.

[5][6] 顧明遠，國際教育新理念（修訂版）[M].北京：教育科學出版社，2020：37，39.

【責任編輯? 孫曉雯】