大概念理論下高中物化生學科融合教學探究

摘 要：文章主要以高中物理“電學”這一知識為例，研究如何利用大概念教學來串聯電學在高中物化生三學科中的融合教學路徑，以備一線教育工作者分享交流之用.

關鍵詞：大概念；高中物理；融合教學；電學

中圖分類號：G632

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0333（2024）33-0068-03

收稿日期：2024-08-25

作者簡介：李偉（1992.2—），男，江蘇省大豐人，本科，中學一級教師，從事高中物理教學研究.

“電”這一物質本身在高中學科中，可以被劃分為三大不同類型，包括高中物理學電學、高中化學電學和高中生物學電學.本文主要針對電學在這三大學科之間的融合教學進行深度研究.

1 核心概念解讀

1.1 大概念的含義

大概念教學是一種以大概念為核心目標，聯系真實生活來思考的教學方式.它旨在培養學生的跨學科、系統性思維能力，幫助學生建立全面而深入的知識結構，并培養他們解決真實問題的能力.大概念教學不僅限于某一學科的概念，而是涵蓋多個學科的知識，具有跨學科性和系統性.它強調教師在教學中的全面創新，幫助學生掌握學科的核心能力，如分析、綜合、創新、解決問題等能力.

1.2 大概念融合高中物理教學的價值

大概念融合高中物理教學的意義在于，幫助學生深入理解物理學科的核心概念和原理，并促進其科學素養的發展.具體來說，大概念在高中物理教學中的作用體現在以下幾個方面：

①促進知識整合：大概念能夠幫助學生將各個知識點串聯起來，形成一個有機的知識體系，加深對物理學科整體的理解.

②提升問題解決能力：大概念教學強調對核心概念和原理的理解和應用，能夠幫助學生更好地解決實際問題，提高問題解決能力.

③培養科學素養：大概念教學強調對科學本質的理解，能夠幫助學生更好地理解科學的社會意義和應用價值，培養其科學素養.

④激發學習興趣：大概念教學通常與實際生活聯系緊密，能夠幫助學生認識到物理學科的重要性和實用性，從而激發其學習興趣和動力.

⑤培養創新能力：大概念教學鼓勵學生探究和發現新的知識和觀點，能夠培養學生的創新思維和創新能力.

因此，大概念融合高中物理教學，對于提高學生的理解能力、問題解決能力、科學素養、學習興趣和創新能力等方面都具有重要意義.因此，教師在教學中應該注重大概念的引入和教學，幫助學生深入理解物理學科的核心概念和原理，提高其科學素養和實踐能力^[1].

2 電學在高中物理、化學和生物之間的交叉點

首先，物理學中的電學知識是理解生物現象的基礎.例如，在光合作用過程中，光能轉化為化學能，再在生物體內轉化為生物能，這個過程體現了物理的能量轉換和存儲原理.此外，葉綠素和類胡蘿卜素的吸收光譜、誘發癌變的物理致癌因子、興奮在神經纖維上的傳導形式等，都涉及物理現象.

其次，物理學的研究方法也被廣泛應用于生物學研究中.例如，物理學中常用的模擬法可以用來模擬原始大氣狀態，生物學中也運用類似的方法.此外，物理學中的震蕩方法也被運用到噬菌體侵染大腸桿菌的實驗中.

最后，生物學和物理學都注重能力的培養，特別是培養學生的能動性和創造性.在生物學實驗中，學生需要掌握的觀察法、排除法、逆推法等，也是物理學實驗所要求的能力.此外，射線晶體學技術、同位素示蹤技術、超速離心技術等為分子生物學的革命性發展作出了巨大貢獻.

所以，電學在物理、化學和生物之間有著密切的交叉點，這些交叉點主要體現在物理學的電學知識是理解生物現象的基礎，物理學的研究方法被廣泛應用于生物學研究，以及生物學和物理學都注重能力的培養.

3 電學在高中物理和生物融合教學中的應用

其一，在高中物理教材中，電學教學可以幫助學生理解生物現象的物理基礎.例如，在講解神經信號傳遞的過程中，教材利用電學知識來解釋其是一種電化學過程.神經信號首先在神經纖維上發生電化學變化，其傳導速度極快.在神經上傳遞時，信號表現為電位變化.具體來說，當電沖動打開電壓門通道時，末端中的一些化學物質被釋放，并和相鄰神經元的受體結合，這會打開這個神經元的配體門控通道，從而使電沖動得以傳遞，以此可以幫助學生更好地理解人體神經系統的運作原理.

其二，在高中生物教材中，電學教學可以幫助學生理解生物實驗的原理和方法.例如，在講解生物實驗中的電泳技術時，教材利用電學實驗來模擬電泳過程，讓學生親身體驗電泳是一種利用電場作用下的帶電粒子向著與其電性相反的電極移動的現象.電泳技術是利用帶電粒子在電場中移動速度不同而達到分離的技術.電泳技術可以分為四類：凝膠電泳、毛細管電泳、等電聚焦電泳和自由電泳^[2].其中，凝膠電泳和毛細管電泳應用最為廣泛.在凝膠電泳中，帶電粒子在凝膠中移動，根據大小和電荷分離；在毛細管電泳中，帶電粒子在毛細管中移動，根據電荷和分子量的不同進行分離.電泳技術已廣泛應用于分析化學、臨床化學、藥理學和免疫學等領域.此外，在講解生物實驗中的離子交換時，教材利用電學實驗來模擬離子交換的過程，具體如下：

【實驗概況】離子交換是一種重要的化學過程，可用于水處理、電池制造、生物分子的分離等領域.下面介紹一種簡單的電學實驗，模擬離子交換過程.

【實驗步驟】

（1）準備一個電解質溶液，如NaCl溶液.

（2）將一根鉑絲浸泡在電解質溶液中，使其吸附離子.

（3）將鉑絲懸掛在兩個電極之間，并將它們連接到直流電源上.

（4）打開電源，調節電壓和電流強度，觀察離子的移動情況.

【實驗現象】當電流通過鉑絲時，離子會沿著鉑絲向陰極移動，這是因為陰極的電位比陽極低，可以吸引帶正電的離子.這個過程中，離子的交換發生在鉑絲表面，實現了模擬離子交換的過程.

【實驗結論】通過這個簡單的電學實驗，我們可以模擬離子交換的過程，并觀察到離子的移動情況.這個實驗可以幫助我們更好地理解離子交換的原理和機制，從而應用于實際生產和科學研究中.

這一電學實驗可以幫助學生深刻地了解高中物理和生物學之間的關系，并串聯物理和化學之間的知識，建構一個完整的電學知識體系.

其三，在高中物理和生物融合教學中，電學教學可以培養學生的科學探究能力和實驗技能.例如，在人教版教材中，有一個經典的物理實驗——電磁感應實驗，這個實驗可以與生物實驗進行融合教學.在這個實驗中，學生可以通過操作電磁感應器來觀察電流的變化，并利用這個實驗來模擬生物實驗中的電泳技術.通過這種融合教學的方式，學生可以更加深入地理解電磁感應原理和電泳技術的應用，同時也可以培養學生的科學探究能力和實驗技能.

4 電學在高中物理和化學融合教學中的應用

4.1 電解質水中離解過程

將高中物理和化學教材融合教學，可以幫助學生理解化學實驗的原理和方法.例如，在講解化學實驗中的電解質時，教材利用電學實驗來模擬電解質在水中的離解過程，讓學生親身體驗電解質的性質和應用.首先，明確電解質水中離解過程是一個重要的化學過程，涉及電解質分子與水分子的相互作用.當電解質放入水中時，水分子的作用力會將電解質分子離解成帶正電和負電的離子.這個過程是可逆的，也就是說，離解出來的離子可以重新結合成原來的電解質.離解程度取決于電解質的性質和水的溫度、壓力等因素.

其次，離解過程可以分為電離和溶解兩個步驟.電離是指電解質在水中離解成自由移動離子的過程，這個過程是自發進行的，因為水分子會從離子中“奪走”束縛電子，從而形成水合離子.在水中，這些水合離子可以自由移動，從而導電.溶解則是指電解質在水中擴散并均勻分布，直到達到溶解平衡狀態.在這個過程中，電解質分子或離子與水分子相互作用，形成水合離子或水合分子.溶解度的大小取決于電解質的性質、溫度、壓力以及水的組成等因素.

最后，利用電學知識了解電解質在水中離解和溶解的過程是一個動態平衡的過程，涉及離子的擴散、離解、水合等反應.這些過程對于理解溶液的性質、電導率、離子濃度等化學概念具有重要意義.

此外，在講解化學實驗中的電池原理時，教材利用電學實驗來模擬電池的工作過程，幫助學生更好地理解電池的原理和應用.

4.2 靜電實驗

在高中物理和化學融合教學中，電學教學可以培養學生的科學探究能力和實驗技能.例如，在人教版教材中，有一個經典的物理實驗——靜電實驗，該實驗步驟主要分為四步，如：

（1）準備實驗材料，如塑料吸管、羊毛布、線等；

（2）對材料進行必要的處理，如打洞、穿線等；

（3）進行實驗操作，如摩擦、擦拭等；

（4）觀察實驗現象，如物體相互排斥或吸引.

在明確實驗步驟后，教師可以利用物理電學知識讓學生了解經典實驗的原理：靜電是指聚集在物體表面的電荷.當不同物體摩擦時，會使某一物體的電子轉移到另一物體上，使電子被轉移的物體帶上正電荷，得到電子的物體帶上負電荷.根據電荷的同性相斥、異性相吸的原理，相同電荷的物體在靠近時會相互排斥，不同電荷的物體在靠近時會相互吸引.通過靜電實驗，可以深入了解靜電現象和靜電的原理，并探索靜電在日常生活和工業生產中的應用.例如，靜電可以用于靜電除塵、靜電噴涂、靜電植絨等工藝；同時，靜電也可能導致一些不利影響，如靜電火花引發爆炸、靜電電擊等.因此，在實驗過程中需要注意安全，并采取必要的防護措施.

在這個實驗中，學生可以通過操作靜電器來觀察電荷的變化，并利用這個實驗來模擬化學實驗中的電解質離解過程.通過這種融合教學的方式，學生可以更加深入地理解靜電現象和電解質的性質和應用，同時也可以培養學生的科學探究能力和實驗技能.

5 結束語

總而言之，為了更好地提高高中生“電學”板塊知識的學習效率，可以將物化生這三科加以融合教學，以此幫助學生構建一個完整的學習體系，促進知識的交叉融合，提升學科核心素養.

參考文獻：

[1] 申奧.淺析物理電、化學電、生物電三者的區別與聯系[J].經濟師，2020（1）：249.

[2] 楊樂天.高中物理電教學中信息化教學法的運用[J].中國新通信，2021，23（23）：209-210.

[3] 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.

[責任編輯：李 璟]