高中物理与生物融合教学的思考与实践

叶玲 谷辉

摘      要       在最新修订的课程标准中，核心素养下物理观念和生命观念存在着高度的一致性，主要表现为属性同源、内涵交融、价值共鸣。如何把握观念的共性，打破学科间的藩篱，实现互通，是教学实践中关注的问题。观念是在建构、情境和进阶学习中达成的。建构中形成的观念具有概括性、统领性;情境中生成的观念具有迁移性、稳定性；进阶中树立的观念具有发展性、批判性。观念最终指向人的发展，如能量观就很好地体现了跨学科观念的融合。

关 键 词       跨学科  核心素养  物理观念  生命观念

引用格式       叶玲，谷辉.高中物理与生物融合教学的思考与实践[J].教学与管理，2023（13）：45-48.

在教育部颁布的《普通高中物理课程标准（2020年修订）》和《普通高中生物学课程标准（2020年修订）》中，两门学科关于核心素养的表达存在着高度的一致性（见表1），这既是因为物理和生物学学科属性的源起相同、内涵呼应所致，更是两者跨学科育人价值的共同体现。由于我国分科设置教学的局限，势必造成学科间出现一定的隔离，学科教学在育人时存在互不相通的现象。如何正确认识物理观念和生命观念的内涵价值、融合实施的可行性，在教学实践中打破藩篱、实现互通，本文尝试跨越物理和生物学的界限，就两者之间共同关注的核心素养——“观念”作一探讨。

一、“物—生”跨学科“观念”融合的逻辑

1.“物理观念”与“生命观念”属性同源

“观念”一词在英语中较为贴切的表达为idea，最早源于希腊语，意为“看”或“看见”，指人类的感觉器官受到了外界事物的刺激后，在头脑中留下的客观事物的概括形象。从哲学的角度来讲，“观念”经历了从本体论到认识论的过程，柏拉图曾从本体论的角度进行阐释：观念首先是事物的本质，再次是与事物本质对应的思维，最后指向事物的理想存在。之后又历经笛卡尔、康德、黑格尔、杜威以及马克思主义哲学的发展，“观念”最后落脚于辩证唯物主义认识论。观念既反映了人们对客观事物总体的概括性认识，又指思想意识，是人在自身经历之后的自我思想总结或面对客观现实时所产生的思想意识[1]。

追溯物理观念和生命观念的属性，其实都源起于自然科学，都隶属于科学观念的范畴。作为自然科学的两个主要分支——物理和生物学，分别对自然界中的物理和生物现象及规律进行研究，又都是以观察和实验的经验证据为基础，继而形成各自的知识、概念和观念体系。科学观念是自然科学领域中最本质的思想精华，是人类对科学现象及事物所形成的认识和观点。物理观念、生命观念隶属于科学观念，学生在建立物理观念、生命观念之后，观念之间相互融合、相互作用，共同促成学习者科学观念的形成。进一步讲，科学观念又归属于自然观、价值观、人生观、社会观等，这些观念共同作用支撑起学生成长应具备的总观念[2]。

2.“物理观念”与“生命观念”内涵交融

物理和生物学《课程标准》的核心素养部分所提出的“物理观念”主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素[3]；“生命观念”主要包含结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观等[4]。不难发现，虽然两门学科视角不同，但其主要的内涵，如物质观、相互作用观、能量等，彼此呼应，相互融合，是概念和规律在大脑中的凝炼和升华，是从物理和生物学视角解释自然现象和解决真实问题的基础[5]。

物质是客观存在的，世界是由物质组成的，因此所有观念中最基本的就是物质观念。任何物质时刻都处于运动之中，运动是物质的根本属性，而物质的运动又依托于物体之间的相互作用，表现为两个物体间存在着作用与反作用，这种相互作用观又是人们对客观物质世界进一步认识的成果。运动与相互作用的过程又伴随着能量的转化，能量观随之产生。可见，观念之间并非彼此獨立或割裂的，运动与相互作用观念是联系物质观念与能量观念的桥梁，能量观念则是对物质观念、运动与相互作用观念认识的进一步深化。从物理学角度来理解生活中的物质、运动与相互作用、能量转化，将这些认识联系起来便共同构成整体的物理观念。

与物理学理解相同，生命世界中生物体是由基本的元素组成的，而这些元素又都来自于地球本身，元素种类来源的一致体现了生命与自然界的统一性，而所含成分的不同又体现了它们之间的差异性。元素之间相互作用形成复杂的有机化合物，尤其蛋白质的结构功能最为复杂，核酸分子中蕴含的信息极其多样。众多有机物相互作用形成单细胞生物，细胞中的精妙结构与功能相适应，复杂多细胞生物体中通过调节不断维持着自稳的状态。38亿年的生命进化史成就了物质世界的最高级形式，以至于拥有了智慧和思想的灵长目动物——人类才有机会“主宰”了地球。然而，若以跨学科的视域来看，人类进步带来的工业革命、科技革命、信息革命中的一些发明真的能主宰地球吗？要想实现可持续性发展，学生需要以跨学科的视角、更深层次去审视人类本身及其发明创造与自然之间的关系，这样才能真正形成跨学科的核心素养。

3.“物理观念”与“生命观念”价值共鸣

自然界中的现象纷繁复杂、瞬息万变，穷其一生我们所见所闻也只是沧海一粟、无法穷尽，通过学习最终在人的脑海中所遗留下来的总结性认识就是观念。“物理观念”和“生命观念”是从物理、生物学角度认识世界的意识，是透过物理和生命现象看本质，超越事实、概念、原理、规律的存在，是客观事物在人的思想意识中形成的概括性认知，这便是物理、生命观念重要的学科本位价值。

什么是观念？说到底，是哲学中形而上学的“道”。知识具有其自身的逻辑与结构体系，是相对客观的，而观念则是主体在大脑中建构的对事物的看法，有一定的主观性。教育的目标不是为了获取大量事实知识，完成逐渐深入探索的过程比结果更加重要。从物理、生物学视角来认识客观世界，形成合理解释自然现象和解决实际问题的思路、方法，最终上升为一种观念，从而去解决真实情境中的复杂性、综合性问题，更彰显其学科应用价值。

物理观念、生命观念既是学科素养的组成要素，更是核心的要素，而这些观念的形成要依靠科学探究和科学思维强力驱动。从心理学来看，观念还是态度和责任由潜到显的心理动因。如果说知识是理性化了的人类认识的事实经验和结果，那么概念就是通过对事物本身的特征抽象概括产生的理性认识，而观念则是经过凝炼和升华之后形成的特定思维方式，是学习者站在更高的高度、更全面地对物理、生命世界的认知。跨学科“观念”培育的价值最终指向受教育者的变化，是一种稳定的从物理和生物思维角度出发认识世界的心理能力，即便忘却具体的知识之后，我们依旧能从物理、生命观念的视角去看待和理解现象。可见学习者所具备的正确价值观、必备品格，正是态度和责任的外显表征，这些变化又都是在“观念”的形成中发生发展，体现出学科育人价值。

二、“物—生”跨学科“观念”融合的可行性

1.建构形成的观念具有概括性、统领性

布鲁纳的学科结构论告诉我们：任何学科都有其基本结构，任何与该学科有联系的事实、论据、观念、概念等都可以不断地纳入一个处于不断统一的结构之内，这种基本结构是将知识组织起来的最理想方式，应该成为教学过程的核心[6]。如今，我们重新审视这种“结构”，同样适用于物理和生物学科，都可认为是“观念”。用树式生长来理解，树根是“观念”，树干是“大概念”，树枝是“核心概念”，树叶便是“事实”“知识”。虽然说学习时学生首先接触的是物理和生命现象中的事实经验，但学习不能只是获取零散的知识、堆砌经验、习得概念，否则最后只能得到一堆树叶，一叶障目之下只见树叶不见树木，而跨学科观念的培养就是要让学生既见树木又见树林。当然，观念的形成不是一蹴而就的，需要经历从“事实经验”到“知识结构”，从“核心概念”到“大概念”，直至形成“观念”的建构，学生正是在这样的过程中主动建构，形成具有概括性、统领性的观念。

教学中只有把学科教育的目标定位在“观念”，才能组织零碎杂乱的知识形成体系，建构起独立的核心概念，进而形成大概念。如果说大概念居于学科的中心位置，那么“观念”则是更居于上位，这样的建构能建立更加广泛的联系和意义关联。以观念统领教学是目前新课程标准中着重强调的理念，观念的概括性和统领性有助于实现“课时教学”相对是割裂的、注重细枝末节的，迈向“大单元教学”。“课时教学”容易把内容碎片化处理，呈现孤立的知识点，丢失了“统领性”，而大单元教学相对是相互联系的，重在对所学知识内在意义和功能价值的思考。从观念出发也有利于进行大单元教学设计，组织与观念相关的所有内容，去深入探寻概念和规律的关联性，也有利于引导学生逐渐形成知识结构，以知识结构促进学生认知结构的发展，最终目标指向形成统领性观念的建构。

2.情境中生成的观念具有迁移性、稳定性

当代科技迅速发展、知识也在不断迭代更新，未来人才需要拥有解决实际问题的能力，尤其是在多变、复杂的情境之下，课堂教学应提供各种情境任务，通过具体的学习活动进行科学探究、科学思维，让学生在探究中親历学科知识和规律的发现过程，在高水平的思维活动中能够将所学的物理、生物知识进行合理的迁移与应用。一旦“观念”在学生的大脑皮层中形成稳定的映射，那么他们即便淡忘了具体的物理、生物知识，在身处纷杂多变的真实情境中，仍能主动地以“物理观念”和“生命观念”的视角来看待、分析问题。

建构主义学习观认为，学习是学生主动认知的过程，而并非老师简单地传授，学生被动地接受。在这个过程中，学生通过同化和顺应的思维活动使新旧知识产生联系，完成对新知识有意义的构建。建构主义学习理论中的“情境”“协作”“会话”和“意义建构”这四大要素同样适用于观念的生成。学生正是基于特定的情境任务，在老师帮助、同学协作下对外部客体进行认知加工，从而形成自己的见解，并在脑海中实现观念“图式”的构建。可喜的是，当下我们的课堂教学正发生着积极转变，关注重点从知识学习转移到观念形成，从理解记忆走向实践应用，从简单情境变为复杂情境，如此生成的观念才具有迁移性、稳定性。

3.进阶中树立的观念具有发展性、批判性

物理观念、生命观念是人们认识物质世界逐渐深入的结果，因为观念是辩证唯物的、动态发展的，用发展的眼光来审视，观念不是一成不变的，随着人类探索认识世界的不断深入，这种客观理性的认识伴随着实践而不断演进，被不断赋予新的内涵，于是观念也随之不断更新。物理学经历了从经典物理到现代物理的突破，生物学的发展亦是如此，从描述性生物学阶段到实验生物学阶段，从分子生物学阶段再到当代生物的发展，不同的历史阶段反映着观念的演进，这也让人类更加深入地理解、认识自然，无限接近世界的真谛，这种接近将是动态的、发展的、永恒的。与生物学中的系统重演论类似，学生的学习过程也在发生着这种“观念”的变化。物理学史和生物学史中这样的例子比比皆是：列文虎克发明了显微镜，这不仅是物理学上利用透镜成像原理的突破，更是打开了细胞这扇研究大门，人们开始形成动物植物的统一性观念，从而为细胞生物学的研究拉开了序幕，科学研究自此建立起了更加宽广的跨学科体系。

教学重演论与生物系统重演论类似，学生观念的发展是在学习的进阶中实现的，某一观念的认知水平是不断深入的，思维方式是从低层次向高层次不断提升的。从苏格拉底所倡导的探究性质疑到杜威提出的反省性思维，再如保罗建议的为改善思维而对思维的思考，以及布鲁姆教育目标分类中的评估，无不指向批判性思维的养成。我们的课程和教学应努力提供这种脚手架，开发出连贯的具有批判价值的学习资源，这恰好与当前国际科学教育领域研究的热点——学习进阶理论所倡导的发展路径相一致。

三、“物—生”跨学科“观念”融合的践行

1.以“能量观”融合跨学科观念

能量是整个自然科学领域核心观念之一，物理和生物学都在培养学生建立起能量观中起到重要的支撑。能量是客观存在的，但并非物理所特有。物理中指出能量具有多种形式，如动能、电能、光能、内能、化学能等等，而生物学中肌肉收缩、神经冲动的传导、萤火虫发光、人体体温的维持，甚至细胞的分裂、细胞器的运动、细胞骨架的解聚等都与之相关。

从能量转化的角度来看，储存在弹性材料中的势能在形变恢复时转化为动能，感应电流在磁场中做正功或负功，其能量的转化形式是不同的。不同形式的能量转化同样发生在生物体中，如肾脏中的化学能转换成渗透能，纤毛细胞、肌纤维细胞中的化学能转换成机械能，味细胞、嗅细胞中的化学能转变为电能，视锥细胞、视杆细胞将光能转变成电能等。

物理学中的能量守恒观是能量观念中的核心，在力学、热学或电磁学中都有所反映，譬如力学的机械能守恒定律和功能之间的关系、热学的热力学第一定律、电磁学的焦耳定律、电荷守恒以及楞次定律等。在生物体中也体现了这样的规律，活细胞中有氧呼吸时在进行糖酵解和三羧酸循环，其中发生糖类中的化学能转化为线粒体内膜上电子传递链中电能，进而在转化为ATP中的能量同时伴随以热的形式的能量释放。能量不会凭空消失，也不会凭空产生，它不过是从一种形式转化为另一种形式。能量是不可消灭，也是不可创生的，即便在生物体中同样依循能量守恒定律。

至于能量的耗散观更是将无生命的物体和生命体联系在了一起。我们知道能量不会消失，那为何在现实生产生活中还要“节约能源”？这问题能很好地引发学生思考能量在转化的过程中出现的耗散，比如热机的能量耗散问题，能量并没有消失，只是没有复原。由热力学第二定律可知，在分析热机效率时，是应当以绝热过程为前提的。再看生物体可知，生命个体在空间结构上是高度有序的，在物质变化的时间上，譬如细胞新陈代谢、个体发育过程也是高度有序的。生物体无休止的物质和能的代谢必然要导致熵的增加，而熵的不断增加势必冲击、侵蚀乃至最后毁灭对生命至关重要的有序性。但在事实上，生物体却能够在新陈代谢过程中保持它的有序性，能够很好地完成生长、繁殖等过程，而整个生物界也经历了从低级到高级的过程，产生了愈来愈复杂的，即有序性愈来愈高的生物体。

物理学的能量耗散理论很好地解释了这个“悖论”。原来，只是在和外界既无物质交换、又无能量交流的封闭系统中，自发过程才会导致熵的增加，才会使得整个系统从有序走向无序。然而细胞和生物体并不是一个孤立的系统，而是和外界环境紧密联系的开放系统。一方面，细胞和各种生物体在生存过程中要发生无数的化学反应，要在体内和向体外做无数的机械功，这些过程都是伴随着能的转化的。当一种形态的自由能转化为另一种形态的自由能时，总有一部分能转化为热，即转化为分子无规则运动的能，这是在生物体中不能做功的能。从分子运动的角度来看，这就导致了熵的增加。然而细胞和生物体是开放的系统，它们不断同环境进行物质和能量的交换。植物从外界吸收阳光，动物、真菌、细菌从外界摄取富含自由能的有机物，把热以及含自由能很少的代谢废物送回到环境中。或者说，活细胞和生物体一直在和它们的环境中发生着熵的交流，交流的结果是细胞和生物体的熵值减少表示处于生长和进化状态，而当熵值基本不变时，意味着维持生存状态，而当熵值在增加时则意味着体质下降，向死亡发展。以物理学的耗散观来看，活细胞和生物体是通过使环境中的熵增加，或者说从环境中吸收负熵来抵消体内熵的增长，依靠不断供应自由能来维持其结构的有序性。

2.以“能力进阶”达成跨学科观念

如果说知识指向物理和生物学事实现象，概念则指向事物的本质，那么观念就直指人的发展。教师在教学中可以围绕某一主题，如“夏日萤火虫中的能量”，展开跨学科实践教学（如图1）。

在跨物理生物学科视角下，真实情境达成跨学科大观念，从能量的形式、转化转移、守恒和耗散四个维度建立起的能量观念内涵更加丰富，有助于学生未来在所处不同情境中能够自觉以能量观认识事物和解决问题，进而可以引导他们形成科学的自然观、价值观、社会观和人生观。

参考文献

[1] 马丹.高中生物理观念形成的现状调查研究[D].兰州：西北师范大学，2021.

[2] 李艳梅，張军.从跨学科到超学科：基于高中生物教学的20年探索[J].现代教育，2021（12）：55-59.

[3] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：4-5.

[4] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：4-5.

[5][6] 顾明远，国际教育新理念（修订版）[M].北京：教育科学出版社，2020：37，39.

【责任编辑  孙晓雯】