高中生物與理化知識(shí)的滲透探微

黃建章

[摘 要]加強(qiáng)學(xué)科間知識(shí)的滲透，可克服學(xué)科間知識(shí)、思想的禁錮，使學(xué)生建立完整的知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，使學(xué)生適應(yīng)當(dāng)前高考及社會(huì)的需求。高中生物作為高中的一門(mén)重要學(xué)科，更應(yīng)該加強(qiáng)其與物理化學(xué)知識(shí)的滲透。

[關(guān)鍵詞]生物 物理 化學(xué) 滲透 同位素示蹤法 光學(xué)知識(shí)

自然界是一個(gè)相互聯(lián)系的、統(tǒng)一的有機(jī)整體，生物學(xué)與物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)等各門(mén)學(xué)科之間也是相互聯(lián)系、相互貫通的。因此必須加強(qiáng)學(xué)科間的橫向聯(lián)系，以打破因單學(xué)科教學(xué)而造成的知識(shí)、思想的禁錮，解決多學(xué)科之間相互交叉滲透的問(wèn)題?，F(xiàn)代生物學(xué)研究的歷史就是運(yùn)用了大量的物理、化學(xué)等學(xué)科知識(shí)和方法。最典型的例子是：上世紀(jì)五十年代DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，就是幾個(gè)學(xué)科的科學(xué)家通力合作的經(jīng)典。因此，為了使高中學(xué)生適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)對(duì)綜合性人才的需要，以及適應(yīng)當(dāng)前高考中理科綜合的要求，教師在生物教學(xué)中，要加強(qiáng)生物學(xué)科與其他學(xué)科，特別是物理、化學(xué)學(xué)科之間的聯(lián)系。下面筆者就此談?wù)剮c(diǎn)體會(huì)。

一、生物與化學(xué)知識(shí)的滲透

高中生物與化學(xué)有著高度的雙向滲透性（在大學(xué)中甚至有一門(mén)生化學(xué)科）。在生物教材中，幾乎每一章都滲透著化學(xué)知識(shí)。一些生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)原理也都是建立在一定的化學(xué)知識(shí)上，這些知識(shí)是理解生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)。但是由于高中生物教材與化學(xué)教材知識(shí)點(diǎn)存在脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)部分知識(shí)難以理解和記憶。為此，筆者對(duì)一些化學(xué)知識(shí)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕忉?、補(bǔ)充，加強(qiáng)生物與化學(xué)知識(shí)的聯(lián)系滲透，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。

1.生物組織中的還原糖、蛋白質(zhì)和脂肪的鑒定原理與化學(xué)知識(shí)的滲透

在化學(xué)學(xué)科中學(xué)過(guò)、做過(guò)許多物質(zhì)的鑒定實(shí)驗(yàn)，其原理大多是利用被鑒定的物質(zhì)與所用的化學(xué)試劑發(fā)生顏色反應(yīng)或者產(chǎn)生沉淀。我們生物學(xué)上的物質(zhì)鑒定也利用此原理，如某些化學(xué)試劑能夠使生物組織（如花生的子葉）的某些有機(jī)化合物產(chǎn)生特定的顏色反應(yīng)。

例如：（1）可溶性還原糖（梨汁）+斐林試劑水浴加熱磚紅色沉淀

（2）脂肪（花生子葉）+蘇丹Ⅲ染液顯微鏡觀察橘黃色

（3）蛋白質(zhì)（豆?jié){）+雙縮脲試劑 先加NaOH溶液創(chuàng)造堿性環(huán)境再加幾滴CuSO4溶液 紫色反應(yīng)

2.蛋白質(zhì)、核酸、糖類(lèi)和脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與化學(xué)知識(shí)的滲透

由于高中生物教材與化學(xué)教材知識(shí)存在脫節(jié)，及高一還沒(méi)有學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)。因此，許多學(xué)生對(duì)氨基酸、核苷酸和多肽等結(jié)構(gòu)難以理解。為此，教師除了要把有關(guān)知識(shí)講透以外，還要讓學(xué)生了解教材知識(shí)的脫節(jié)問(wèn)題，加強(qiáng)相關(guān)知識(shí)與化學(xué)知識(shí)的滲透，幫助學(xué)生加深理解，以提振學(xué)生的信心。

例如：在《生命的主要承擔(dān)者——蛋白質(zhì)》這一課的教學(xué)中，要使學(xué)生認(rèn)識(shí)到：許多重要的生命活動(dòng)以及生理機(jī)能（如光合作用、呼吸作用、免疫作用等）都與蛋白質(zhì)有關(guān)，沒(méi)有蛋白質(zhì)就沒(méi)有生命，向?qū)W生說(shuō)明蛋白質(zhì)的重要性，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是本課的重點(diǎn)更是難點(diǎn)。學(xué)生對(duì)氨基酸的分子結(jié)構(gòu)甚至名稱(chēng)都是很陌生的，上課時(shí)要讓學(xué)生先了解如雞蛋、瘦肉等食物消化后就是氨基酸，并且以最簡(jiǎn)單的甘氨酸為例，指出其中所含的化學(xué)基團(tuán)是-H、-COOH、-NH2，使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，進(jìn)而得出氨基酸的結(jié)構(gòu)通式。了解氨基酸的結(jié)構(gòu)后，逐步地學(xué)習(xí)二肽、三肽、多肽和蛋白質(zhì)形成過(guò)程的脫水縮合反應(yīng)以及水解反應(yīng)，進(jìn)而幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的多樣性，幫助學(xué)生解決生物與化學(xué)知識(shí)之間存在的脫節(jié)問(wèn)題。

3.同位素示蹤法在生物學(xué)科中的應(yīng)用與滲透

高一學(xué)生對(duì)放射性同位素的概念還不了解，應(yīng)適當(dāng)加以介紹：用同位素示蹤劑對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記后，可以利用放射性探測(cè)技術(shù)來(lái)跟蹤，判斷放射性同位素通過(guò)什么路徑，運(yùn)動(dòng)到哪里，以及分布在何處等。用于示蹤技術(shù)的同位素一般是構(gòu)成細(xì)胞化合物的重要元素，如3H、15N、18O、32P和35S等，其在生物科學(xué)的許多實(shí)驗(yàn)中被廣泛使用。

例如：（1）分泌蛋白在細(xì)胞中合成部位及運(yùn)輸方向。科學(xué)家將用3H標(biāo)記的亮氨酸注射入豚鼠的胰臟腺泡細(xì)胞中，觀察放射性同位素的轉(zhuǎn)移情況，從而知道它是按照“內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→細(xì)胞膜”的方向運(yùn)輸?shù)?，并得出各?xì)胞器之間是協(xié)調(diào)配合的關(guān)系的結(jié)論。

（2）光合作用中氧氣的來(lái)源。1939年，S.Ruben（魯賓）和M.kamen（卡門(mén)）研究光合作用中釋放的氧到底是來(lái)自于水，還是來(lái)自于二氧化碳。他們用氧的同位素 18O標(biāo)記H218O和C18O2，做兩組光合作用的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，最終證明了光合作用中釋放的氧全部來(lái)自水。

（3）噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。1952年，A.D.Hershey（赫爾希）和M.Chase（蔡斯）用被35S（只標(biāo)記蛋白質(zhì)）和32P（只標(biāo)記DNA）標(biāo)記的噬菌體分別去侵染未標(biāo)記的細(xì)菌，然后測(cè)定子代噬菌體中含放射性同位素的情況，而得到DNA是遺傳物質(zhì)的結(jié)論。

（4）DNA分子半保留復(fù)制的確認(rèn)。50年前，有人認(rèn)為DNA是全保留復(fù)制，也有人認(rèn)為DNA是半保留復(fù)制。為了證明這兩種假設(shè)，也用到了放射性同位素15N去跟蹤、推理。最后得出DNA是半保留復(fù)制的。此外，在研究光合作用的暗反應(yīng)（卡爾文循環(huán)）、胚胎發(fā)育的過(guò)程等方面也運(yùn)用到此化學(xué)知識(shí)。

4.物質(zhì)間的結(jié)構(gòu)差異、功能區(qū)分與化學(xué)知識(shí)的滲透

生物學(xué)中有許多的物質(zhì)學(xué)生很容易混淆，究其原因是化學(xué)知識(shí)的有限。如：生長(zhǎng)素和生長(zhǎng)激素就是其中的一對(duì)。從化學(xué)本質(zhì)來(lái)看，生長(zhǎng)素是吲哚乙酸，它的化學(xué)結(jié)構(gòu)式是C10H9O2N，當(dāng)然不是蛋白質(zhì)。而動(dòng)物產(chǎn)生的生長(zhǎng)激素是蛋白質(zhì)類(lèi)，兩者無(wú)論是結(jié)構(gòu)還是相對(duì)分子量都相差很大，生長(zhǎng)激素的分子量要比生長(zhǎng)素的大得多。從功能方面看，生長(zhǎng)素是植物激素，是由植物的莖尖、芽尖等分泌的，能促進(jìn)植物細(xì)胞的伸長(zhǎng)（要強(qiáng)調(diào)生長(zhǎng)素的兩重性），而生長(zhǎng)激素是動(dòng)物垂體分泌的一種蛋白質(zhì)，能促進(jìn)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育（主要促進(jìn)蛋白質(zhì)合成和骨骼的生長(zhǎng)）。這樣，結(jié)合化學(xué)知識(shí)來(lái)進(jìn)行理解，學(xué)生能快速、準(zhǔn)確地理解相關(guān)物質(zhì)之間的結(jié)構(gòu)差異和功能。

二、生物與物理知識(shí)的滲透

高中生物與物理也有著高度的滲透性，在《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》所列的內(nèi)容中，也有許多涉及物理學(xué)知識(shí)。例如，“使用顯微鏡觀察有絲分裂的細(xì)胞”應(yīng)用了光學(xué)知識(shí);在“葉綠體色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)中就涉及光譜的知識(shí);而“神經(jīng)沖動(dòng)的產(chǎn)生和傳導(dǎo)”則需要物理學(xué)上的關(guān)于電勢(shì)差的內(nèi)容。當(dāng)然，在各個(gè)版本教材中，還可能涉及其他的物理學(xué)知識(shí)。這些物理學(xué)知識(shí)對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)生物有著重要的促進(jìn)作用。下面以光學(xué)知識(shí)為例做簡(jiǎn)單介紹。

1.光學(xué)知識(shí)和顯微鏡

顯微鏡是生物實(shí)驗(yàn)中最常用的儀器。在初中階段（主要是初一），學(xué)生已經(jīng)使用過(guò)顯微鏡（一般是低倍鏡），并在生物和物理教學(xué)中，對(duì)顯微鏡的結(jié)構(gòu)和原理做了簡(jiǎn)單的敘述。而在高中階段，則要求學(xué)生使用高倍顯微鏡來(lái)觀察各種細(xì)胞及其結(jié)構(gòu)（如：花生子葉中脂肪的檢測(cè)和觀察、觀察進(jìn)行有絲分裂的細(xì)胞等實(shí)驗(yàn)）。而高倍顯微鏡的操作是在低倍顯微鏡的操作基礎(chǔ)上完成的，顯然難度要大些，因此要求學(xué)生先了解：（1）生物實(shí)驗(yàn)室里的顯微鏡都是光學(xué)顯微鏡，利用的是可見(jiàn)光。光學(xué)顯微鏡工作原理是：采用兩級(jí)放大，即目鏡和物鏡的兩級(jí)放大。物鏡的放大倍率通常為10～40倍，目鏡的放大倍率通常為5～16倍。（2）雖然高倍顯微鏡的放大倍數(shù)大，但視野比低倍顯微鏡的小，而且還較暗。要先使用低倍顯微鏡后再使用高倍顯微鏡，換鏡前一定要先把物體移到視野中央。

2.光學(xué)知識(shí)和色素

生物必修教材第一冊(cè)P100的例題：海洋中的藻類(lèi)植物習(xí)慣上依其顏色分為綠藻（如滸苔）、褐藻（如海帶）和紅藻（如紫菜），它們?cè)诤Ｑ笾械拇怪狈植家来问菧\、中、深，這與光能的捕獲有什么關(guān)系？要解釋好本題就得讓學(xué)生先了解有關(guān)光學(xué)的知識(shí)：不同顏色的藻類(lèi)吸收不同波長(zhǎng)的光。水層對(duì)長(zhǎng)波的紅、橙光部分吸收要明顯多于對(duì)短波（藍(lán)、綠光）的吸收，也就是說(shuō)到達(dá)深水層的光線(xiàn)主要是短波長(zhǎng)的光（如藍(lán)色光），而藻類(lèi)本身的顏色是反射出來(lái)的光，即紅藻反射了紅光，所以我們見(jiàn)到的紫菜為紅色。而主要吸收紅光和藍(lán)紫光，反射綠光的就是綠藻，如我們見(jiàn)到綠色的滸苔就分布于海水的淺層。

在光合作用“綠葉中色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)中也涉及光譜知識(shí)。在光合作用的研究史上，美國(guó)科學(xué)家Englemann（恩吉爾曼）的實(shí)驗(yàn)就是利用光通過(guò)棱鏡時(shí)的色散現(xiàn)象，從而形成的連續(xù)光譜而獲得了葉綠素的吸收光譜圖。用三棱鏡觀察葉綠體中色素的吸收光譜，觀察方法如下圖所示。

通過(guò)提取液（主要是葉綠素）的光線(xiàn)，經(jīng)三棱鏡色散后，在藍(lán)紫光和紅光區(qū)域的光線(xiàn)變暗，說(shuō)明葉綠素主要吸收紅光和藍(lán)紫光。

3.X射線(xiàn)衍射圖和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出

課本在介紹DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出時(shí)，出示一張F(tuán)ranklin（富蘭克林）使用X射線(xiàn)拍的DNA分子的衍射圖，但對(duì)這張照片是如何得到的、表示什么意思沒(méi)有做任何說(shuō)明。如果要了解這張圖，就需要物理學(xué)關(guān)于光的衍射的知識(shí)。其實(shí)從五十年代初開(kāi)始，富蘭克林、威爾金斯（Wilkins）就研究DNA對(duì)X射線(xiàn)的衍射現(xiàn)象，并獲得了許多DNA的X射線(xiàn)衍射圖譜;沃森和克里克則敏銳地根據(jù)這些圖譜和其他數(shù)據(jù)提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，從而奠定了現(xiàn)代分子生物學(xué)的基礎(chǔ)，開(kāi)辟了生命科學(xué)的新紀(jì)元。

當(dāng)然，在生物教材中還有許多與物理學(xué)知識(shí)相關(guān)的滲透點(diǎn)。如利用物理因素（X射線(xiàn)、紫外線(xiàn)）提高了基因的突變頻率，來(lái)培育出優(yōu)良的生物品種（如青霉菌高產(chǎn)菌株的獲取等）;呼吸作用以及生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換效率還可以聯(lián)系熱力學(xué)定律;等等。

正因?yàn)樯锱c物理、化學(xué)等學(xué)科知識(shí)高度的相互交叉滲透，高中生物教材中許多章節(jié)的內(nèi)容都滲透著物理、化學(xué)的知識(shí)，而這些知識(shí)又是理解生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)。因此，從2001年開(kāi)始，全國(guó)各省市陸陸續(xù)續(xù)開(kāi)始進(jìn)行理科綜合考試。這種跨學(xué)科命題是高考命題改革的一項(xiàng)重要措施，其目的是通過(guò)物理、化學(xué)、生物學(xué)科間的知識(shí)綜合，考查學(xué)生應(yīng)用相關(guān)知識(shí)與技能分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。面對(duì)這種改革，作為高中生物教師，我們?cè)诮虒W(xué)中既要開(kāi)闊教學(xué)思路，讓學(xué)生在生物學(xué)科內(nèi)對(duì)各知識(shí)點(diǎn)形成完整的知識(shí)脈絡(luò)，又要讓物理、化學(xué)、生物各學(xué)科融會(huì)貫通，形成清晰的知識(shí)體系，培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，從而造就高素質(zhì)的人才。