其他学科思维在中学生物教学和学习中的应用

郑小毛

在中学各学科学习中，生物学科具有“文理兼容、联系生产”的特点。所以，在中学生物学教学中，教师采取“学科交叉、建模简化、思维整合”处理技巧，既培养了学生的创新意识和创新能力，也提高了学生的学习效果和教师的教学效果。

1 物理思维在生物学习中的渗透

在高中生物教学过程中，笔者经常借助物理、化学知识解决一些生物问题，引导学生从多角度、多层面思考问题。实践证明学生的收获非同寻常。

1.1 利用物理知识，明晰生物概念

生物学的某些概念的理解可以与物理学中的相关概念进行类比，帮助学生突破生物思维上的障碍。

例如在讲授细胞周期概念时，学生往往难以理解。教师可以利用物理学中的振动周期概念与细胞周期的概念进行类比，收到很好的教学效果。振动周期的概念是：做简谐振动的物体完成一次全振动所需的时间，物体从A→O→B→O→A为一次全振动。细胞周期的概念是：进行连续分裂的细胞，从一次分裂完成时开始到下一次分裂完成时为止。学生对振动周期的概念在高一时已经掌握。此时，笔者把振动周期的概念演化为：进行连续做简谐振动的物体，从一次全振动完成时开始到下一次全振动完成时为止（图1）。那么，细胞周期的概念也就迎刃而解了。

1.2 利用物理知识，解释生物现象

从物理学的角度来解释生物体的生命现象是生物学教学过程中经常遇到的事情。现列表总结如表1所示。

用物理知识解释生物现象，其作用关键在于能够满足学生的情感需要，能激发学生的学习兴趣。每次碰到学科间知识相互渗透时，就是上课的一个兴奋点。教育和心理学家赞可夫指出：教学法一旦触及学生的情绪和意志领域，触及学生的精神需要，这种教学方法就能发挥高度有效的作用。

1.3 利用物理知识，透析生物生理过程

对某些生物生理过程的理解，教师必需要渗透物理知识才能向学生解释清楚。例如植物生理中有关根的向地性的问题。水平桌面上放一豆芽菜，请预测一段时间后根的生长方向。教师引导学生分析：根内生长素由于受到重力作用，向地面生长素分布较多，背地面生长素分布较少，而由于根对生长素敏感，较多生长素对根起抑制作用，所以一段时间后豆芽菜根向地生长（图2）。如果把豆芽菜放到一正在做匀加速转动的圆盘上（图3），请预测一段时间后根的生长方向。教师引导学生分析：豆芽菜放到一正在做匀加速转动的圆盘上后，对豆芽菜的受力情况进行分析，发现豆芽菜水平方向上受力情况与静止状态下比较有变化，而在竖直方向上受力情况与静止状态下相同，所以一段时间后根向地生长。如果把图2所示装置移至太空中，豆芽菜处于失重状态，则根水平向左生长。以上问题均要借助于物理学中的动力学知识才能解释清楚。

再如，在讲到成熟植物细胞渗透吸水时，要用到物理学中的分子运动论知识；在讲到基因突变——人工诱变时，涉及到原子物理学知识等。

运用物理知识分析生物学问题，可以培养学生的知识迁移能力。

1.4 利用物理知识，突破生物难点

在解决生物教学中的某些难点时，物理知识可以起到画龙点睛的作用。例如植物通过光合作用把光能转变成电能的过程，教科书上是这样解释的：在光的照射下，少数处于特殊状态下的叶绿素a连续不断地丢失电子和获得电子，从而形成电子流，使光能转换成电能。仅仅这样解释，学生还是较难理解。为了突破此难点，教师图文并茂地加以分析，并引入最初电子供体和最终电子受体等生物名词进行解释，希望学生能够理解和掌握。但是，得失电子的知识在化学学科中涉及较多，在学生的脑海里很难形成电流模型。如果教师在此时加上一句物理学电学中的话：电荷的定向移动形成电流。学生就会有一种豁然开朗的感觉，并且还可以得出电流的方向是从辅酶Ⅱ→叶绿素a→H2O。

再如，动物的神经调节是高中生物教学中的一个难点，有关神经调节的问题学生较难掌握。如图4所示，在C点给神经纤维以刺激，灵敏电流计指针偏转几次？如何偏转？用生物学和物理学电学知识分析如下：在神经纤维上C点受刺激后，刺激处的膜内外电荷变为外负内正，兴奋以局部电路回流的形式从C点在神经纤维上向左向右传导。当兴奋传到a点时，由于a点和b点之间存在电势差，所以灵敏电流计指针偏转一次。当兴奋传到b点时，a点和b点之间存在电势差，所以灵敏电流计指针又偏转一次。灵敏电流计指针偏转方向与灵敏电流计本身内部构造有关，应检测后才能确定其指针偏转方向。

借用物理知识突破生物难点，学生容易理解和掌握所学内容，并且印象深刻。

2 数学思维在生物学习中的渗透

生物体的代谢、生长、繁殖等生命活动的规律隐蔽抽象，遗传学中遗传概率、蛋白质中氨基酸的排列方式等数量关系错综复杂，这些都给生物学的教与学带来了一定的难度。教学实践表明，引进数学理念对相关问题进行定量分析，远比空洞的定性描述更富说服力和感染力；巧用数学思想，则可化抽象为具体，变模糊为清晰，使复杂成简单。

2.1 极限思想的应用

在杂交育种中，为了获得能稳定遗传的类型，常常要让带有隐性基因的杂合个体不断自交，经过多次的选择、淘汰，直到后代不再出现性状分离为止，对此，可用极限思想解决。

【例1】 现有一含一对等位基因的杂合子，要利用它得到纯合显性品种，请分析纯合体的比例y与自交代数n的数量变化关系。

解析：含有一对等位基因的杂合个体连续自交n次，后代中纯合子的比例y=1-■。当n→∞时，y→1，随着自交代数n数目的增加，y的值将越来越大，当自交代数趋于无穷大时，后代基本上都为纯合体。这也证明了杂交育种耗时长的不足，要缩短育种年限，可用单倍体育种等方法。

2.2 函数思想的应用

生物学中许多数量关系相互关联，互为因果。教师若将它们联系在一起，充分利用它们的制约关系，可解决不少常规方法不能解决的问题。

【例2】 已知氨基酸的平均分子量为128，测得某蛋白质的分子量为5 646，试判断形成该蛋白质的氨基酸数和肽链数。

解析：蛋白质的分子量确定后，氨基酸的数量与肽链的数量存在着必然的函数关系，如设氨基酸的数量与肽链的条数分别为x和y，则有128x-18（x-y）=5 646。

尽管1个方程包含2个未知数，但x和y必须都为自然数且1≤y

2.3 反证法思想的应用

在生物学教学中，有些问题直接从正面考虑很难解决，这时若教师改变思维方向，从结论入手，或从结论的反面入手反而有利于问题的解决。

【例3】 父母正常，女儿患病，问这种病属什么遗传方式？

解析：父母正常，女儿患病，致病基因必为隐性，且不可能在Y染色体上。究竟是常染色体遗传，还是X染色体遗传呢？假设是X染色体遗传，则女儿的基因型必为XbXb，这样，父亲的基因型就为XbY，与题意不符，所以该假设不能成立，因而该病是常染色体隐性遗传病。

2.4 集合思想的应用

生物学中的一些概念内涵相似，外延交叉；有些计算中数量关系含蓄，巧用集合的知识，可以直观而简洁地解决这些问题。

【例4】 在一次对ABO血型的调查中，共检验了6 000名居民的血液，其中2 527人为A型血，2 234人有抗原B，1 846人无抗原，问AB血型的人有多少？

解析：ABO血型是由红细胞表面的抗原决定的，AB血型即指A、B二种抗原都有的人。据题意可画出如图5所示的集合图解（图5）：集合A有2 527人，集合B有2 234人，阴影部分为补集1 846人，交集AB即为AB血型的人，据图可以很明了地求出：2 527+2 234+1 846-6 000=607（人）。

2.5 定量分析思想的应用

在生物学理论知识的教学中，教师应用数学计算引导学生进行定量分析，可使晦涩含蓄的问题变得生动鲜明。

如同类的哺乳动物，在寒冷地带生活的个体比热带的个体大，这是生物界的一个基本事实。为了解释此现象，笔者引导学生依上述方法计算，个体大的动物相对体积大，表面积小，因而表面积与体积的比值小，细胞代谢速率减小，这样便有利于减少热量的散失和保持体温的恒定；相反，在热带生活的动物表面积与体积的比值大，有利于散热和保持体温的恒定。可见，动物体型和生活环境这种抽象隐含的关系通过鲜明的数学计算，其原理昭然若揭。

【例5】 如图6表示5种哺乳动物代谢速率与体形大小的关系。据图分析，下列说法中错误的是（ ）

A. 鼠和兔比马和象每克体重消耗的能量多

B. 狗和兔相比单位体积释放的热量要多

C. 图中所有动物都能通过辐射散热

D. 在缺乏食物时，大型动物比小型动物存活时间长

解析：5种动物体形大小与体重的比较图中十分明确，狗表面积与体积的比值比兔小，细胞代谢速率相应也减小。

答案：B。

3 利用“建模”思想，轻松学习生物学知识

模型是原型经过抽象化后形成的，在某种意义上是原型的替代。模型的建立是具体知识理论化、形象化的过程。模型属于表象，在经验中并不存在事物，可以依据符号、标志的影响构造出事物的形象，这是想象中的表象。建立模型可以简化许多复杂的程序和理顺混乱的线条，使复杂东西简单化、抽象事物形象化，进而便于学生的理解。正是基于此，建模已经成为了许多学科领域的重要思想，“建模”思想在中学数学、物理、化学、生物等学科中得到了广泛应用；数学建模、物理建模思想和方法在中学生物学习和解题中也得到了广泛应用。

3.1 数学建模的应用

所谓数学建模，就是通过计算得到的结果来解释实际问题，并接受实际的检验，来建立教学模型的全过程。在生物学科教学中，构建数学模型，对理科思维培养也起到一定的作用。

3.2 物理建模的应用

为了形象、简捷地处理物理问题，人们经常把复杂的实际情况转化成容易接受的简单的物理情境，从而形成一定的经验性规律，即建立物理模型。模型化阶段是物理问题解决过程中最重要的一步，模型化正确与否或合理与否，直接关系到问题解决的质量。培养模型化能力，即是在问题解决过程中依据物理情景的描述，正确选择研究对象，抽象研究对象的物理结构，抽象研究对象的过程模式。在中学生物教学中，许多地方也涉及到物理模型的应用，如光合作用。许多生理过程都可以通过抽象建立物理模型，达到轻松理解生物知识的目的。

在中学生物学教学中，培养学生的多种思维，倡导“学科交叉、思维整合”，引入其他学科思维服务于生物教学和生物学习，无论是对中学教学，还是对生物科学进一步学习基础的奠定，都有着重要的现实意义和深远的潜在意义。

在中学生物学教学中，通过采取“学科交叉、建模简化、思维整合”处理技巧，能实现“复杂知识简单化、零乱知识系统化、抽象知识具体化”，进而降低了问题的难度，让问题变得容易理解和掌握，无论是适应当前新一轮课程改革的需要，还是打造高效课堂，都无疑是一条行之有效的思路和方法。