高中生物必修教材对物理学知识的交叉渗透

（本文发“生物学教学”2009年第6期）  

在新的世纪，不同学科间的交叉、融合将更为深刻与广泛，世界许多重大科技的突破都是从多学科的角度，运用多种知识、理论和方法才得以解决的。生物学科与其他自然学科有相同的发展起点，而且很多生物学的成就都是应用数学、物理学、化学的思想、方法和手段而取得的。所以，生物学既要立足于自身的价值，又要注意与其他自然学科的交叉。在中学教学中，要克服本学科分割过细、知识零散的弊端，通过学科交叉，使学生在学习时形成更为有序和宽广的知识网络。以下浅析高中生物课程对物理知识的交叉渗透。

1．高中生物课标中涉及的主要物理学知识

在《普通高中生物课程标准（实验）》[1]所列的具体内容标准部分，很多条目都涉及物理学知识。例如，“使用显微镜观察多种多样的细胞”“有条件的学校可组织学生参观电子显微镜实验室”两条都涉及物理学上关于光的性质；在光合作用“叶绿体色素的提取和分离”中也涉及光谱的知识；在“搜集DNA分子结构模型建立过程的资料”过程中，还可能会碰到DNA衍射图谱的内容，这就要涉及光的衍射；而“说明神经冲动的产生和传导”则要物理学上的关于电势差的概念做铺垫。当然，各个版本教材在组织编写的过程中，还可能涉及更多的物理学知识，这里不一一列举。这些物理学的知识对于学生学习生物学知识有重要的促理解作用。

2．高中生物必修教材中涉及的主要物理学知识简介

各个版本的高中生物课标教材都或多或少地涉及了物理学的知识，下面对涉及的主要物理学知识做一简介。

2．1  显微镜和光学知识

显微镜是生物实验室常用的仪器之一。在义务教育阶段，学生已经使用过显微镜，并且在物理教材中，对显微镜的结构已做了描述。在高中阶段，要求学生使用高倍显微镜来观察各种各样的细胞，而且有些内容还涉及电子显微镜。光学显微镜和电子显微镜的区别在哪里呢？

生物实验室里的显微镜大多是利用可见光工作，是光学显微镜。近代光学显微镜通常采用两级放大，分别由物镜和目镜完成。显微镜的总放大倍率是目镜放大倍率和物镜放大倍率的乘积，指的是直线尺寸的放大比，而不是面积比。物镜的放大倍率通常为5~100倍，目镜的放大倍率通常为5~20倍。

随着技术的发展，人们可以制造更为精良的光学显微镜，目前{zh0}的光学显微镜能够分辨200 nm大小的物体，可以看到最小的xx。但显微镜的分辨本领是不能无限提高的，因为衍射现象限制了光学显微镜的分辨本领。什么是衍射现象呢？用单色平行光照射狭缝，当缝比较宽时，光沿着直线通过狭缝，在屏上会产生一条与缝宽相当的亮线。当缝调到很窄时，尽管亮线的亮度有所降低，但是宽度反而增大了。这表明，光没有沿着直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方。这就是光的衍射现象。波长越长，衍射现象越明显。当显微镜的精度很高时，物镜的直径又不能大，由于光源的限制（可见光的波长是有一个范围的），衍射现象不能忽略。由于衍射，被观察物体上的一个光点经过透镜以后不再会聚成一个光点，而形成一个光斑，这样物体的像就模糊了，影响了显微镜的分辨本领。

但是电子显微镜（使用电子束工作的显微镜）的分辨本领可以达到0.2 nm，放大倍数为几万到几十万倍。这是因为同光学显微镜相比，电子显微镜用电子束代替了可见光，当把电子加速时，它的动量很大，波长会很短，衍射现象的影响就小多了，因此可以大大提高分辨能力。

2．2  DNA双螺旋模型的提出和X射线衍射图

各个版本教材在介绍DNA双螺旋模型的提出时都给学生出示了一张富兰克林使用X射线拍照的DNA分子，但对这张照片是如何形成的未做说明。如果要很好地读懂这张图，就需要物理学上关于光的衍射的知识。

一定波长的光通过某种光栅发生衍射时的图样是确定的，所以可以根据某个衍射图样来确定相应光栅的结构。通常晶体可以充当xx的衍射光栅，因为其中原子的排列是规则的。但是，晶体中原子之间的间隙大约为10-10 m，远小于可见光的波长，因此不能用可见光的衍射来研究分子结构。但X射线却可以，物理学家布拉格父子首先研究了晶体对X射线的衍射。从1951年开始，生物学家威尔金斯和弗兰克林研究了DNA对X射线的衍射，获得了一系列DNA的X射线衍射图样，沃森和克里克则根据这些数据提出了DNA的双螺旋结构模型。

2．3  光合色素和光学知识

在光合作用这部分内容中，涉及光谱等光学知识。含有多种颜色的光被分解为单色光的现象，叫做光的色散（dispersion），一束白光进入棱镜而被折射后，在屏上的光斑是彩色的，这说明光在折射过程中发生了色散。含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列，就是光谱。生物教材中提到的连续光谱是光谱中的一种，包含从红到紫的各种色光，色光之间没有明确的界线，太阳光谱就是连续光谱。在光合作用的研究历史上，恩吉尔曼的实验就是利用光通过棱镜时的色散，从而形成的连续光谱来而获得了叶绿素的作用光谱。

2．4  有氧呼吸的能量转换效率和热力学第二定律

有氧呼吸的能量转换效率通过计算可知大约可达40%左右，是非常高的，这一点对于学生来说，不通过比较是体会不到的。所以在这里有必要给出一些机械的热效率，并让学生联系热力学第二定律。

热力学第二定律的表述方式与其他物理定律的表述方式有一个显著的不同，它是用否定语句表述的，它告诉我们什么样的过程不可能发生。在物理教材中，给出了这个定律的几种表述方式，如“不可能从单一热库吸收热量，使之xx变成功，而不产生其他影响”“第二类永动机不可能制成”等。所以，由这个定律可知，没有任何一种过程的能量转换效率是{bfb}。在此基础上，通过比较，学生就能够明白有氧呼吸能量转换效率的高效性。

2．5  神经冲动与电势差

神经冲动又称为动作电位，它的产生过程涉及电位差、局部电流等多个与物理学相关的概念。许多老师反映这点学生比较难理解，这里做点说明。

在物理学上，原来电位差和电势差的概念是等同的；近些年来，主要使用电势差的概念，但电生理学上一直还沿用电位差的概念。这或许是造成学生不理解的原因。但对于局部电流的概念，应该不是学生理解的障碍。在义务教育物理教材中，已经对电荷和电流下了定义，学生已经知道了电荷的定向移动形成电流。在高中物理中，又对电势和电势差作了定义。电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值，叫做这一点的电势（electric potential），其数值等于将单位正电荷从某一点移至零参考点时，电场力所作的功。电场中两点间电势的差值叫做电势差（electric potential difference），也叫电压（voltage）。联系这些物理知识，对于学生理解神经冲动的产生和传导具有重要的作用。

3．物理学知识在生物学教学中应当如何处理

概括地说，物理学与生物学科的交叉在培养具备解决社会实际问题能力的人才这方面将发挥相当重要的作用。通过学科交叉教学，可以克服学科教学中支离破碎等问题，使学生学到比较完整的知识，更有利于知识的巩固。在教学中笔者认为以下两个方面非常重要。

（1）要充分认识学科交叉的重要性

就拿生物和物理来说，很多知识存在着广泛的联系。比如研究对象存在交叉，物理中研究水，组成生物体的无机物也有水；很多概念是通用的，如能量的概念，在生态系统中能量的流动规律与能量守恒定律是一致的；研究方法很多都是相同的，如观察、分类、测量、实验等。所以，教师应当充分重视这两个学科之间的交叉，xx学生注意避免分科教学中知识的重复和割裂，从而促进学生综合分析问题、解决问题能力的培养。

（2）在教学中应避免与物理学科重复

很多教育者认为，分科课程很容易出现内容过多的现象，甚至相互重复，致使学生负担沉重。这种担心提示我们，其他学科的知识应该是有助于理解本学科内容的，是为该学科的教学目标服务的。因此，教学中要抓住该学科的教学目标，不能偏离。对于涉及的其他学科知识，一般学生也有相应的基础，教师只需唤醒学生的记忆即可。

在大纲教材“生物与环境”一章的{dy}节“生态因素”中，涉及的{dy}个非生物因素是光。对于光来讲，可能是物理学科的一个重要内容，但对于生物学科来讲，只需知道光对于生物的影响就足够了。一位老师在上这节课时，由光照强度、光照时间讲到光质的概念，并详细分析了光质为什么会对生物的分布产生影响，这基本上用了将近30 min。这无疑是大大超出了大纲的要求，增加了学生的负担。当然，一般老师可能不会如此处理。但这个实例提醒我们，在教学中如果遇到物理学上的重要知识，在生物课堂上就没有必要详细讲解，可以“学科交叉”的形式提醒学生，这种提醒的形式可以根据具体的内容而灵活采用多种方法。（本文发“生物学教学”2009年第6期）

主要参考文献

[1]中华人民共和国教育部. 普通高中生物课程标准（实验）. 北京：人民教育出版社，2003