學科融合在高中生物學“科學思維”素養培養中的實踐
——以“物理力學與滲透原理的融合”為例

鄧純臻 隆 平

(四川省攀枝花市第七高級中學校 攀枝花 617005)

“科學思維”是生物學學科核心素養之一，是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力[1]。一般來說，生物學科中的“科學思維”側重于“揭示事物演化發展的規律”，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、內向思維與外向思維、批判性思維與創造性思維、逆向思維與側向思維、收斂思維與發散思維、邏輯思維與辯證思維等[2]。

“學科融合”是指基于學生已有的多學科知識，借助其他學科的思維方式、思維習慣、分析方法等解決教學過程及實際生活中遇到的生物學問題的一種教學策略[3]。借助其他學科的思維方法能夠將生物學上的部分疑難點進行簡單化、具體化，降低其理解難度。學科融合在幫助學生理解相關知識的同時，能夠有效提升教學效率，促進學生“科學思維”素養的形成。

本文以“物理力學與滲透原理的融合”為例，談談學科融合在高中生物學“科學思維”素養培養中的應用。

1 學科融合實踐案例——物理力學與滲透原理的融合

滲透系統是指由半透膜及其兩側的溶液所構成的能夠發生滲透作用的體系或裝置，如由植物細胞的細胞液、原生質層及外界溶液構成的滲透系統等。對于滲透原理的理解與運用是學生分析與綜合、融合與發散思維發展的重要素材，利用學科融合的形式，借助物理學相關知識與思想能夠幫助學生提高理解效率，促進學生“科學思維”素養的形成。

U形管和漏斗燒杯系統是生物學教學中分析滲透原理的最為經典的兩個教學媒介。對此，我們可以借助物理力學中的“受力分析”與“能量分析”兩類知識輔助教學與素養的培養。

1.1 重力及物體的受力平衡分析 溶液“滲透壓”指溶液中溶質微粒對水的吸引力。據此，可以采用“吸引力及重力”對滲透系統進行分析。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。當達到滲透平衡時(圖2)，漏斗中溶液濃度為Ma平，燒杯中溶液濃度為Mb平，漏斗中產生水柱，水柱高度為△h。

分析： 當Ma>Mb時，即a溶液對水所產生的向上(方向針對半透膜而言)的吸引力Fa大于b溶液對水所產生的向下的吸引力Fb，此時，半透膜兩側液體間所產生的合力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，所產生的向上吸引力Fa逐漸減??；

b溶液濃度增大，所產生的向下的吸引力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F合=G△h時，滲透系統達到滲透平衡(圖4)。此外，滲透系統達到平衡時，F合仍然大于零，即Ma平>Mb平，由此可總結出規律： 滲透系統初始濃度差越大，滲透平衡時F合越大，△h越大，即水柱越高。

據此，可以構建一套相關的數學模型，來表示滲透系統中滲透作用發生時，滲透壓對水的吸引力的合力F合及水柱重力G△h的變化規律(圖5)。

同理，當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”是物理力學的基礎知識，在教學中將“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，幫助學生更快掌握相關知識；通過模型建構、過程分析等方法也能培養學生學以致用、綜合運用的能力。

1.2 機械能守恒及重力勢能分析 漏斗中溶液吸水、水柱上升的過程中，滲透系統克服了重力做功，故可以從“機械能守恒及重力勢能變化”的角度對滲透系統進行分析。

分析： 當滲透系統中半透膜兩側存在濃度差時，該系統中溶液濃度較大的液體存在對水的吸引趨勢，這種趨勢能夠產生一種勢能為某些過程或體系提供能量，假定這種勢能為滲透勢能，用E滲表示。當滲透系統中溶液的濃度關系為Ma>Mb時，漏斗中形成一個較大的向上的滲透勢能E滲，使得漏斗吸水，該勢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，即產生向下的重力勢能E重，隨水柱上升，E重逐漸增大，當兩者剛好相等時，裝置達到滲透平衡的狀態，此時E滲平=E重平(圖7)。

圖6 滲透初始狀態勢能分析

圖7 滲透平衡狀態勢能分析

據此，建立滲透系統中機械能變化規律的數學模型(圖8)。

圖8 滲透過程勢能變化分析

“能量分析”這部分內容比“力的分析”難度稍大，但其仍屬于物理力學部分的基礎內容。以“能量守恒及重力勢能”相關知識為切入點，為學生提供了多一種的思維選擇，兩部分知識相互促進，可幫助學生加深對兩部分知識的理解，這樣以“學科融合”的形式對“滲透原理”相關知識進行教學，將“物理力學”知識與“滲透原理”進行融合理解，在學生掌握相關知識的過程中逐步提升學生的分析與綜合能力、在無形中培養學生的融合與發散思維、創新思維與辯證思維等。

1.3 “科學思維”素養實踐 通過例題分析加深“學科融合”的思維能力。

例題： 如圖9所示為平衡時的滲透裝置，燒杯內的液面高度為a，漏斗內的液面高度為b，液面高度差m=b-a。在此基礎上繼續實驗，以滲透平衡時的液面差為觀測指標，正確的是( )

圖9 平衡狀態滲透裝置

A. 若吸出漏斗中高出燒杯內的液面的溶液，則平衡時m增大

B. 若向漏斗中加入少量蔗糖，平衡時m將增大

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

D. 向燒杯中加入適量清水，平衡時m將增大

解析思路： 結合“受力分析”解答此題。假設“吸出”或“加入”的只是溶液中的溶質，即對比形成原平衡與新平衡所對應的初始濃度差。再借助上述規律：“滲透系統初始濃度差越大，滲透平衡時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的液面的溶液”，相當于減小了漏斗與燒杯內溶液的初始濃度差，則該滲透系統所產生的合力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也相應減小。因此，當達到滲透平衡時，所形成的水柱高度m減??；同理，“若向漏斗中加入少量蔗糖”，相當于增大了漏斗與燒杯內溶液的初始濃度差，平衡時，m將增大，B正確；“若向漏斗中加入適量且與漏斗內的蔗糖溶液濃度相等的蔗糖溶液”，相當于增大了初始的濃度差，故平衡時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m將減小。

2 結語

在生物學教學過程中，可以嘗試將物理、化學、數學等多學科的相關知識融合到課堂教學中，不僅能夠幫助學生快速理解相關知識、提高教學效率，更為重要的是能夠提升學生的學科核心素養，提升學生的綜合能力。

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