高中物理與生物融合教學(xué)的思考與實(shí)踐

葉玲 谷輝

摘? ? ? 要? ? ? ?在最新修訂的課程標(biāo)準(zhǔn)中，核心素養(yǎng)下物理觀念和生命觀念存在著高度的一致性，主要表現(xiàn)為屬性同源、內(nèi)涵交融、價(jià)值共鳴。如何把握觀念的共性，打破學(xué)科間的藩籬，實(shí)現(xiàn)互通，是教學(xué)實(shí)踐中關(guān)注的問(wèn)題。觀念是在建構(gòu)、情境和進(jìn)階學(xué)習(xí)中達(dá)成的。建構(gòu)中形成的觀念具有概括性、統(tǒng)領(lǐng)性;情境中生成的觀念具有遷移性、穩(wěn)定性；進(jìn)階中樹(shù)立的觀念具有發(fā)展性、批判性。觀念最終指向人的發(fā)展，如能量觀就很好地體現(xiàn)了跨學(xué)科觀念的融合。

關(guān) 鍵 詞? ? ? ?跨學(xué)科? 核心素養(yǎng)? 物理觀念? 生命觀念

引用格式? ? ? ?葉玲，谷輝.高中物理與生物融合教學(xué)的思考與實(shí)踐[J].教學(xué)與管理，2023（13）：45-48.

在教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2020年修訂）》和《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2020年修訂）》中，兩門(mén)學(xué)科關(guān)于核心素養(yǎng)的表達(dá)存在著高度的一致性（見(jiàn)表1），這既是因?yàn)槲锢砗蜕飳W(xué)學(xué)科屬性的源起相同、內(nèi)涵呼應(yīng)所致，更是兩者跨學(xué)科育人價(jià)值的共同體現(xiàn)。由于我國(guó)分科設(shè)置教學(xué)的局限，勢(shì)必造成學(xué)科間出現(xiàn)一定的隔離，學(xué)科教學(xué)在育人時(shí)存在互不相通的現(xiàn)象。如何正確認(rèn)識(shí)物理觀念和生命觀念的內(nèi)涵價(jià)值、融合實(shí)施的可行性，在教學(xué)實(shí)踐中打破藩籬、實(shí)現(xiàn)互通，本文嘗試跨越物理和生物學(xué)的界限，就兩者之間共同關(guān)注的核心素養(yǎng)——“觀念”作一探討。

一、“物—生”跨學(xué)科“觀念”融合的邏輯

1.“物理觀念”與“生命觀念”屬性同源

“觀念”一詞在英語(yǔ)中較為貼切的表達(dá)為idea，最早源于希臘語(yǔ)，意為“看”或“看見(jiàn)”，指人類(lèi)的感覺(jué)器官受到了外界事物的刺激后，在頭腦中留下的客觀事物的概括形象。從哲學(xué)的角度來(lái)講，“觀念”經(jīng)歷了從本體論到認(rèn)識(shí)論的過(guò)程，柏拉圖曾從本體論的角度進(jìn)行闡釋?zhuān)河^念首先是事物的本質(zhì)，再次是與事物本質(zhì)對(duì)應(yīng)的思維，最后指向事物的理想存在。之后又歷經(jīng)笛卡爾、康德、黑格爾、杜威以及馬克思主義哲學(xué)的發(fā)展，“觀念”最后落腳于辯證唯物主義認(rèn)識(shí)論。觀念既反映了人們對(duì)客觀事物總體的概括性認(rèn)識(shí)，又指思想意識(shí)，是人在自身經(jīng)歷之后的自我思想總結(jié)或面對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)時(shí)所產(chǎn)生的思想意識(shí)[1]。

追溯物理觀念和生命觀念的屬性，其實(shí)都源起于自然科學(xué)，都隸屬于科學(xué)觀念的范疇。作為自然科學(xué)的兩個(gè)主要分支——物理和生物學(xué)，分別對(duì)自然界中的物理和生物現(xiàn)象及規(guī)律進(jìn)行研究，又都是以觀察和實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)為基礎(chǔ)，繼而形成各自的知識(shí)、概念和觀念體系?？茖W(xué)觀念是自然科學(xué)領(lǐng)域中最本質(zhì)的思想精華，是人類(lèi)對(duì)科學(xué)現(xiàn)象及事物所形成的認(rèn)識(shí)和觀點(diǎn)。物理觀念、生命觀念隸屬于科學(xué)觀念，學(xué)生在建立物理觀念、生命觀念之后，觀念之間相互融合、相互作用，共同促成學(xué)習(xí)者科學(xué)觀念的形成。進(jìn)一步講，科學(xué)觀念又歸屬于自然觀、價(jià)值觀、人生觀、社會(huì)觀等，這些觀念共同作用支撐起學(xué)生成長(zhǎng)應(yīng)具備的總觀念[2]。

2.“物理觀念”與“生命觀念”內(nèi)涵交融

物理和生物學(xué)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的核心素養(yǎng)部分所提出的“物理觀念”主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等要素[3]；“生命觀念”主要包含結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、物質(zhì)與能量觀等[4]。不難發(fā)現(xiàn)，雖然兩門(mén)學(xué)科視角不同，但其主要的內(nèi)涵，如物質(zhì)觀、相互作用觀、能量等，彼此呼應(yīng)，相互融合，是概念和規(guī)律在大腦中的凝煉和升華，是從物理和生物學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決真實(shí)問(wèn)題的基礎(chǔ)[5]。

物質(zhì)是客觀存在的，世界是由物質(zhì)組成的，因此所有觀念中最基本的就是物質(zhì)觀念。任何物質(zhì)時(shí)刻都處于運(yùn)動(dòng)之中，運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的根本屬性，而物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)又依托于物體之間的相互作用，表現(xiàn)為兩個(gè)物體間存在著作用與反作用，這種相互作用觀又是人們對(duì)客觀物質(zhì)世界進(jìn)一步認(rèn)識(shí)的成果。運(yùn)動(dòng)與相互作用的過(guò)程又伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，能量觀隨之產(chǎn)生。可見(jiàn)，觀念之間并非彼此獨(dú)立或割裂的，運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念是聯(lián)系物質(zhì)觀念與能量觀念的橋梁，能量觀念則是對(duì)物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深化。從物理學(xué)角度來(lái)理解生活中的物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量轉(zhuǎn)化，將這些認(rèn)識(shí)聯(lián)系起來(lái)便共同構(gòu)成整體的物理觀念。

與物理學(xué)理解相同，生命世界中生物體是由基本的元素組成的，而這些元素又都來(lái)自于地球本身，元素種類(lèi)來(lái)源的一致體現(xiàn)了生命與自然界的統(tǒng)一性，而所含成分的不同又體現(xiàn)了它們之間的差異性。元素之間相互作用形成復(fù)雜的有機(jī)化合物，尤其蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)功能最為復(fù)雜，核酸分子中蘊(yùn)含的信息極其多樣。眾多有機(jī)物相互作用形成單細(xì)胞生物，細(xì)胞中的精妙結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，復(fù)雜多細(xì)胞生物體中通過(guò)調(diào)節(jié)不斷維持著自穩(wěn)的狀態(tài)。38億年的生命進(jìn)化史成就了物質(zhì)世界的最高級(jí)形式，以至于擁有了智慧和思想的靈長(zhǎng)目動(dòng)物——人類(lèi)才有機(jī)會(huì)“主宰”了地球。然而，若以跨學(xué)科的視域來(lái)看，人類(lèi)進(jìn)步帶來(lái)的工業(yè)革命、科技革命、信息革命中的一些發(fā)明真的能主宰地球嗎？要想實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，學(xué)生需要以跨學(xué)科的視角、更深層次去審視人類(lèi)本身及其發(fā)明創(chuàng)造與自然之間的關(guān)系，這樣才能真正形成跨學(xué)科的核心素養(yǎng)。

3.“物理觀念”與“生命觀念”價(jià)值共鳴

自然界中的現(xiàn)象紛繁復(fù)雜、瞬息萬(wàn)變，窮其一生我們所見(jiàn)所聞也只是滄海一粟、無(wú)法窮盡，通過(guò)學(xué)習(xí)最終在人的腦海中所遺留下來(lái)的總結(jié)性認(rèn)識(shí)就是觀念?！拔锢碛^念”和“生命觀念”是從物理、生物學(xué)角度認(rèn)識(shí)世界的意識(shí)，是透過(guò)物理和生命現(xiàn)象看本質(zhì)，超越事實(shí)、概念、原理、規(guī)律的存在，是客觀事物在人的思想意識(shí)中形成的概括性認(rèn)知，這便是物理、生命觀念重要的學(xué)科本位價(jià)值。

什么是觀念？說(shuō)到底，是哲學(xué)中形而上學(xué)的“道”。知識(shí)具有其自身的邏輯與結(jié)構(gòu)體系，是相對(duì)客觀的，而觀念則是主體在大腦中建構(gòu)的對(duì)事物的看法，有一定的主觀性。教育的目標(biāo)不是為了獲取大量事實(shí)知識(shí)，完成逐漸深入探索的過(guò)程比結(jié)果更加重要。從物理、生物學(xué)視角來(lái)認(rèn)識(shí)客觀世界，形成合理解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的思路、方法，最終上升為一種觀念，從而去解決真實(shí)情境中的復(fù)雜性、綜合性問(wèn)題，更彰顯其學(xué)科應(yīng)用價(jià)值。

物理觀念、生命觀念既是學(xué)科素養(yǎng)的組成要素，更是核心的要素，而這些觀念的形成要依靠科學(xué)探究和科學(xué)思維強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)。從心理學(xué)來(lái)看，觀念還是態(tài)度和責(zé)任由潛到顯的心理動(dòng)因。如果說(shuō)知識(shí)是理性化了的人類(lèi)認(rèn)識(shí)的事實(shí)經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果，那么概念就是通過(guò)對(duì)事物本身的特征抽象概括產(chǎn)生的理性認(rèn)識(shí)，而觀念則是經(jīng)過(guò)凝煉和升華之后形成的特定思維方式，是學(xué)習(xí)者站在更高的高度、更全面地對(duì)物理、生命世界的認(rèn)知?？鐚W(xué)科“觀念”培育的價(jià)值最終指向受教育者的變化，是一種穩(wěn)定的從物理和生物思維角度出發(fā)認(rèn)識(shí)世界的心理能力，即便忘卻具體的知識(shí)之后，我們依舊能從物理、生命觀念的視角去看待和理解現(xiàn)象?？梢?jiàn)學(xué)習(xí)者所具備的正確價(jià)值觀、必備品格，正是態(tài)度和責(zé)任的外顯表征，這些變化又都是在“觀念”的形成中發(fā)生發(fā)展，體現(xiàn)出學(xué)科育人價(jià)值。

二、“物—生”跨學(xué)科“觀念”融合的可行性

1.建構(gòu)形成的觀念具有概括性、統(tǒng)領(lǐng)性

布魯納的學(xué)科結(jié)構(gòu)論告訴我們：任何學(xué)科都有其基本結(jié)構(gòu)，任何與該學(xué)科有聯(lián)系的事實(shí)、論據(jù)、觀念、概念等都可以不斷地納入一個(gè)處于不斷統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)之內(nèi)，這種基本結(jié)構(gòu)是將知識(shí)組織起來(lái)的最理想方式，應(yīng)該成為教學(xué)過(guò)程的核心[6]。如今，我們重新審視這種“結(jié)構(gòu)”，同樣適用于物理和生物學(xué)科，都可認(rèn)為是“觀念”。用樹(shù)式生長(zhǎng)來(lái)理解，樹(shù)根是“觀念”，樹(shù)干是“大概念”，樹(shù)枝是“核心概念”，樹(shù)葉便是“事實(shí)”“知識(shí)”。雖然說(shuō)學(xué)習(xí)時(shí)學(xué)生首先接觸的是物理和生命現(xiàn)象中的事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，但學(xué)習(xí)不能只是獲取零散的知識(shí)、堆砌經(jīng)驗(yàn)、習(xí)得概念，否則最后只能得到一堆樹(shù)葉，一葉障目之下只見(jiàn)樹(shù)葉不見(jiàn)樹(shù)木，而跨學(xué)科觀念的培養(yǎng)就是要讓學(xué)生既見(jiàn)樹(shù)木又見(jiàn)樹(shù)林。當(dāng)然，觀念的形成不是一蹴而就的，需要經(jīng)歷從“事實(shí)經(jīng)驗(yàn)”到“知識(shí)結(jié)構(gòu)”，從“核心概念”到“大概念”，直至形成“觀念”的建構(gòu)，學(xué)生正是在這樣的過(guò)程中主動(dòng)建構(gòu)，形成具有概括性、統(tǒng)領(lǐng)性的觀念。

教學(xué)中只有把學(xué)科教育的目標(biāo)定位在“觀念”，才能組織零碎雜亂的知識(shí)形成體系，建構(gòu)起獨(dú)立的核心概念，進(jìn)而形成大概念。如果說(shuō)大概念居于學(xué)科的中心位置，那么“觀念”則是更居于上位，這樣的建構(gòu)能建立更加廣泛的聯(lián)系和意義關(guān)聯(lián)。以觀念統(tǒng)領(lǐng)教學(xué)是目前新課程標(biāo)準(zhǔn)中著重強(qiáng)調(diào)的理念，觀念的概括性和統(tǒng)領(lǐng)性有助于實(shí)現(xiàn)“課時(shí)教學(xué)”相對(duì)是割裂的、注重細(xì)枝末節(jié)的，邁向“大單元教學(xué)”?！罢n時(shí)教學(xué)”容易把內(nèi)容碎片化處理，呈現(xiàn)孤立的知識(shí)點(diǎn)，丟失了“統(tǒng)領(lǐng)性”，而大單元教學(xué)相對(duì)是相互聯(lián)系的，重在對(duì)所學(xué)知識(shí)內(nèi)在意義和功能價(jià)值的思考。從觀念出發(fā)也有利于進(jìn)行大單元教學(xué)設(shè)計(jì)，組織與觀念相關(guān)的所有內(nèi)容，去深入探尋概念和規(guī)律的關(guān)聯(lián)性，也有利于引導(dǎo)學(xué)生逐漸形成知識(shí)結(jié)構(gòu)，以知識(shí)結(jié)構(gòu)促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的發(fā)展，最終目標(biāo)指向形成統(tǒng)領(lǐng)性觀念的建構(gòu)。

2.情境中生成的觀念具有遷移性、穩(wěn)定性

當(dāng)代科技迅速發(fā)展、知識(shí)也在不斷迭代更新，未來(lái)人才需要擁有解決實(shí)際問(wèn)題的能力，尤其是在多變、復(fù)雜的情境之下，課堂教學(xué)應(yīng)提供各種情境任務(wù)，通過(guò)具體的學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行科學(xué)探究、科學(xué)思維，讓學(xué)生在探究中親歷學(xué)科知識(shí)和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，在高水平的思維活動(dòng)中能夠?qū)⑺鶎W(xué)的物理、生物知識(shí)進(jìn)行合理的遷移與應(yīng)用。一旦“觀念”在學(xué)生的大腦皮層中形成穩(wěn)定的映射，那么他們即便淡忘了具體的物理、生物知識(shí)，在身處紛雜多變的真實(shí)情境中，仍能主動(dòng)地以“物理觀念”和“生命觀念”的視角來(lái)看待、分析問(wèn)題。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀認(rèn)為，學(xué)習(xí)是學(xué)生主動(dòng)認(rèn)知的過(guò)程，而并非老師簡(jiǎn)單地傳授，學(xué)生被動(dòng)地接受。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)同化和順應(yīng)的思維活動(dòng)使新舊知識(shí)產(chǎn)生聯(lián)系，完成對(duì)新知識(shí)有意義的構(gòu)建。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中的“情境”“協(xié)作”“會(huì)話(huà)”和“意義建構(gòu)”這四大要素同樣適用于觀念的生成。學(xué)生正是基于特定的情境任務(wù)，在老師幫助、同學(xué)協(xié)作下對(duì)外部客體進(jìn)行認(rèn)知加工，從而形成自己的見(jiàn)解，并在腦海中實(shí)現(xiàn)觀念“圖式”的構(gòu)建?？上驳氖牵?dāng)下我們的課堂教學(xué)正發(fā)生著積極轉(zhuǎn)變，關(guān)注重點(diǎn)從知識(shí)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)移到觀念形成，從理解記憶走向?qū)嵺`應(yīng)用，從簡(jiǎn)單情境變?yōu)閺?fù)雜情境，如此生成的觀念才具有遷移性、穩(wěn)定性。

3.進(jìn)階中樹(shù)立的觀念具有發(fā)展性、批判性

物理觀念、生命觀念是人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界逐漸深入的結(jié)果，因?yàn)橛^念是辯證唯物的、動(dòng)態(tài)發(fā)展的，用發(fā)展的眼光來(lái)審視，觀念不是一成不變的，隨著人類(lèi)探索認(rèn)識(shí)世界的不斷深入，這種客觀理性的認(rèn)識(shí)伴隨著實(shí)踐而不斷演進(jìn)，被不斷賦予新的內(nèi)涵，于是觀念也隨之不斷更新。物理學(xué)經(jīng)歷了從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理的突破，生物學(xué)的發(fā)展亦是如此，從描述性生物學(xué)階段到實(shí)驗(yàn)生物學(xué)階段，從分子生物學(xué)階段再到當(dāng)代生物的發(fā)展，不同的歷史階段反映著觀念的演進(jìn)，這也讓人類(lèi)更加深入地理解、認(rèn)識(shí)自然，無(wú)限接近世界的真諦，這種接近將是動(dòng)態(tài)的、發(fā)展的、永恒的。與生物學(xué)中的系統(tǒng)重演論類(lèi)似，學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程也在發(fā)生著這種“觀念”的變化。物理學(xué)史和生物學(xué)史中這樣的例子比比皆是：列文虎克發(fā)明了顯微鏡，這不僅是物理學(xué)上利用透鏡成像原理的突破，更是打開(kāi)了細(xì)胞這扇研究大門(mén)，人們開(kāi)始形成動(dòng)物植物的統(tǒng)一性觀念，從而為細(xì)胞生物學(xué)的研究拉開(kāi)了序幕，科學(xué)研究自此建立起了更加寬廣的跨學(xué)科體系。

教學(xué)重演論與生物系統(tǒng)重演論類(lèi)似，學(xué)生觀念的發(fā)展是在學(xué)習(xí)的進(jìn)階中實(shí)現(xiàn)的，某一觀念的認(rèn)知水平是不斷深入的，思維方式是從低層次向高層次不斷提升的。從蘇格拉底所倡導(dǎo)的探究性質(zhì)疑到杜威提出的反省性思維，再如保羅建議的為改善思維而對(duì)思維的思考，以及布魯姆教育目標(biāo)分類(lèi)中的評(píng)估，無(wú)不指向批判性思維的養(yǎng)成。我們的課程和教學(xué)應(yīng)努力提供這種腳手架，開(kāi)發(fā)出連貫的具有批判價(jià)值的學(xué)習(xí)資源，這恰好與當(dāng)前國(guó)際科學(xué)教育領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)——學(xué)習(xí)進(jìn)階理論所倡導(dǎo)的發(fā)展路徑相一致。

三、“物—生”跨學(xué)科“觀念”融合的踐行

1.以“能量觀”融合跨學(xué)科觀念

能量是整個(gè)自然科學(xué)領(lǐng)域核心觀念之一，物理和生物學(xué)都在培養(yǎng)學(xué)生建立起能量觀中起到重要的支撐。能量是客觀存在的，但并非物理所特有。物理中指出能量具有多種形式，如動(dòng)能、電能、光能、內(nèi)能、化學(xué)能等等，而生物學(xué)中肌肉收縮、神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)、螢火蟲(chóng)發(fā)光、人體體溫的維持，甚至細(xì)胞的分裂、細(xì)胞器的運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞骨架的解聚等都與之相關(guān)。

從能量轉(zhuǎn)化的角度來(lái)看，儲(chǔ)存在彈性材料中的勢(shì)能在形變恢復(fù)時(shí)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，感應(yīng)電流在磁場(chǎng)中做正功或負(fù)功，其能量的轉(zhuǎn)化形式是不同的。不同形式的能量轉(zhuǎn)化同樣發(fā)生在生物體中，如腎臟中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成滲透能，纖毛細(xì)胞、肌纖維細(xì)胞中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，味細(xì)胞、嗅細(xì)胞中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽曞F細(xì)胞、視桿細(xì)胞將光能轉(zhuǎn)變成電能等。

物理學(xué)中的能量守恒觀是能量觀念中的核心，在力學(xué)、熱學(xué)或電磁學(xué)中都有所反映，譬如力學(xué)的機(jī)械能守恒定律和功能之間的關(guān)系、熱學(xué)的熱力學(xué)第一定律、電磁學(xué)的焦耳定律、電荷守恒以及楞次定律等。在生物體中也體現(xiàn)了這樣的規(guī)律，活細(xì)胞中有氧呼吸時(shí)在進(jìn)行糖酵解和三羧酸循環(huán)，其中發(fā)生糖類(lèi)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為線粒體內(nèi)膜上電子傳遞鏈中電能，進(jìn)而在轉(zhuǎn)化為ATP中的能量同時(shí)伴隨以熱的形式的能量釋放。能量不會(huì)憑空消失，也不會(huì)憑空產(chǎn)生，它不過(guò)是從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。能量是不可消滅，也是不可創(chuàng)生的，即便在生物體中同樣依循能量守恒定律。

至于能量的耗散觀更是將無(wú)生命的物體和生命體聯(lián)系在了一起。我們知道能量不會(huì)消失，那為何在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中還要“節(jié)約能源”？這問(wèn)題能很好地引發(fā)學(xué)生思考能量在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中出現(xiàn)的耗散，比如熱機(jī)的能量耗散問(wèn)題，能量并沒(méi)有消失，只是沒(méi)有復(fù)原。由熱力學(xué)第二定律可知，在分析熱機(jī)效率時(shí)，是應(yīng)當(dāng)以絕熱過(guò)程為前提的。再看生物體可知，生命個(gè)體在空間結(jié)構(gòu)上是高度有序的，在物質(zhì)變化的時(shí)間上，譬如細(xì)胞新陳代謝、個(gè)體發(fā)育過(guò)程也是高度有序的。生物體無(wú)休止的物質(zhì)和能的代謝必然要導(dǎo)致熵的增加，而熵的不斷增加勢(shì)必沖擊、侵蝕乃至最后毀滅對(duì)生命至關(guān)重要的有序性。但在事實(shí)上，生物體卻能夠在新陳代謝過(guò)程中保持它的有序性，能夠很好地完成生長(zhǎng)、繁殖等過(guò)程，而整個(gè)生物界也經(jīng)歷了從低級(jí)到高級(jí)的過(guò)程，產(chǎn)生了愈來(lái)愈復(fù)雜的，即有序性愈來(lái)愈高的生物體。

物理學(xué)的能量耗散理論很好地解釋了這個(gè)“悖論”。原來(lái)，只是在和外界既無(wú)物質(zhì)交換、又無(wú)能量交流的封閉系統(tǒng)中，自發(fā)過(guò)程才會(huì)導(dǎo)致熵的增加，才會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)從有序走向無(wú)序。然而細(xì)胞和生物體并不是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，而是和外界環(huán)境緊密聯(lián)系的開(kāi)放系統(tǒng)。一方面，細(xì)胞和各種生物體在生存過(guò)程中要發(fā)生無(wú)數(shù)的化學(xué)反應(yīng)，要在體內(nèi)和向體外做無(wú)數(shù)的機(jī)械功，這些過(guò)程都是伴隨著能的轉(zhuǎn)化的。當(dāng)一種形態(tài)的自由能轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)的自由能時(shí)，總有一部分能轉(zhuǎn)化為熱，即轉(zhuǎn)化為分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能，這是在生物體中不能做功的能。從分子運(yùn)動(dòng)的角度來(lái)看，這就導(dǎo)致了熵的增加。然而細(xì)胞和生物體是開(kāi)放的系統(tǒng)，它們不斷同環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換。植物從外界吸收陽(yáng)光，動(dòng)物、真菌、細(xì)菌從外界攝取富含自由能的有機(jī)物，把熱以及含自由能很少的代謝廢物送回到環(huán)境中。或者說(shuō)，活細(xì)胞和生物體一直在和它們的環(huán)境中發(fā)生著熵的交流，交流的結(jié)果是細(xì)胞和生物體的熵值減少表示處于生長(zhǎng)和進(jìn)化狀態(tài)，而當(dāng)熵值基本不變時(shí)，意味著維持生存狀態(tài)，而當(dāng)熵值在增加時(shí)則意味著體質(zhì)下降，向死亡發(fā)展。以物理學(xué)的耗散觀來(lái)看，活細(xì)胞和生物體是通過(guò)使環(huán)境中的熵增加，或者說(shuō)從環(huán)境中吸收負(fù)熵來(lái)抵消體內(nèi)熵的增長(zhǎng)，依靠不斷供應(yīng)自由能來(lái)維持其結(jié)構(gòu)的有序性。

2.以“能力進(jìn)階”達(dá)成跨學(xué)科觀念

如果說(shuō)知識(shí)指向物理和生物學(xué)事實(shí)現(xiàn)象，概念則指向事物的本質(zhì)，那么觀念就直指人的發(fā)展。教師在教學(xué)中可以圍繞某一主題，如“夏日螢火蟲(chóng)中的能量”，展開(kāi)跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)（如圖1）。

在跨物理生物學(xué)科視角下，真實(shí)情境達(dá)成跨學(xué)科大觀念，從能量的形式、轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移、守恒和耗散四個(gè)維度建立起的能量觀念內(nèi)涵更加豐富，有助于學(xué)生未來(lái)在所處不同情境中能夠自覺(jué)以能量觀認(rèn)識(shí)事物和解決問(wèn)題，進(jìn)而可以引導(dǎo)他們形成科學(xué)的自然觀、價(jià)值觀、社會(huì)觀和人生觀。

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