跨学科融合视角下高中生物课程与物理化学知识的整合路径探究

引言

经济的快速发展使得社会人才需求发生转变 ，“创新”、“综合”一度成为热门词汇 ， 随之，教育领域人才培养的方式也正在转变。2017 年教育部颁布了高中生物学新课程标准，其中多次强调“加强学科之间的联系”、“促进学生全面发展”。跨学科教学有助于帮助教师打造兴趣魅力课堂从而促进学生全面发展，因此认知并应用跨学科教学应是教师追求专业发展的职业觉悟。

一、学科壁垒的现实困境与融合的必然性

高中生物教材中，诸多核心概念与理化知识紧密交织。例如，理解物质的跨膜运输（如主动运输需消耗 ATP），离不开对能量转化（物理）与分子磷酸化（化学）的认知；认识光合作用的光反应阶段，必须明晰光能如何被叶绿素分子吸收并转化为电能及化学能（物理与化学过程）。然而，当前教学常局限于生物学科内部描述，对支撑这些现象的理化原理浅尝辄止或避而不谈。这种只知其然，不知其所以然的状态，导致学生对生命现象的理解流于表象，难以触及本质，更阻碍了其运用综合思维解决复杂科学问题的能力发展。因此，实现有意义的整合，是提升学生科学认知深度的必由之路。

二、核心整合路径的设计与实践

实现生物与理化知识的有效融合，关键在于找到自然的连接点并设计恰当的教学策略。

（一）基于真实情境的课堂渗透

在高中生物教学中，许多核心概念都建立在物理和化学原理的基础上。教师应当有意识地挖掘教材中这些潜在的连接点，在讲解生物现象时自然地引入相关理化知识。比如在讲解酶的高效性时，可以先从化学反应速率的一般规律讲起：通常情况下，温度每升高 10% ，反应速率会提高2-3 倍。但人体温度只有 37% ，却能维持高速代谢，这就引出了酶的特殊作用。这时可以引入化学中的活化能概念，解释酶通过降低反应所需的活化能来加速反应。再结合物理中的分子碰撞理论，说明酶如何通过特定的空间结构增加底物分子有效碰撞的概率。这样学生就能理解，酶的高效性不是魔法，而是有明确的理化基础。

在讲解神经冲动传导时，可以先让学生思考：为什么神经信号传导速度比血液中的化学信号传递快得多？这时就需要引入物理学中的电位差概念，解释静息电位和动作电位的形成机制。通过分析细胞膜内外 Na+ 、 K+ 离子的浓度差（化学）及其产生的电势能（物理），学生就能明白神经传导的本质是电信号而非化学信号。这种嵌入式讲解不是简单地告诉学生结论，而是让他们看到知识之间的联系，理解生命现象背后的科学原理。

（二）问题驱动的跨学科项目

设计跨学科研究项目时，要选择那些必须综合运用多学科知识才能解决的现实问题。探究影响本地池塘生态系统光合作用效率的因素就是一个很好的选题。在项目实施过程中，学生需要测量不同时段的光照强度和光谱组成（物理），这关系到叶绿素对不同波长光线的吸收效率；需要检测水体的温度、pH 值和溶解 CO2 浓度（化学），这些因素直接影响暗反应中酶的活性；同时还要观察浮游植物的种类和数量变化（生物），分析其对整体光合效率的影响。这样的项目不是各学科知识的简单叠加，而是让学生在解决实际问题时自然地调用不同学科的知识。比如在分析数据时，学生可能会发现正午时光照最强但光合速率反而下降的现象，这就需要综合考量强光导致的气孔关闭（生物）、高温引起酶活性降低（化学）等多重因素。通过这样的项目实践，学生能够建立起知识间的联系，培养综合运用多学科知识解决问题的能力。

（三）实验探究的融合重构

传统生物实验往往只关注生物层面的现象观察，而跨学科融合实验则要引导学生思考现象背后的理化机制。以探究 pH 对唾液淀粉酶活性的影响实验为例，在完成基础实验得出最适 pH 后，可以进一步追问：为什么 pH 变化会影响酶活性？这时可以引导学生思考蛋白质分子在不同 pH 环境中的结构变化（化学），特别是氢键等次级键的断裂与重组如何导致酶分子空间构象的改变。再进一步思考这种结构变化如何影响酶与底物的结合效率（物理），包括分子识别、结合能等因素。还可以在实验中增加理化检测指标，比如用 pH 计精确控制反应体系的酸碱度，用电导率仪监测离子浓度的变化。这些改进不仅提升了实验的精确度，更重要的是让学生理解生物实验同样需要理化技术的支持。

三、案例示范：酶催化中的跨学科透视

在高中生物酶的特性教学中，采用跨学科视角可以让学生更深入地理解催化机理。具体实施可分为三个步骤：

从物理视角切入。课堂开始时可以做一个简单演示：将过氧化氢溶液分别置于常温和加热条件下，观察气泡产生速率的差异。学生能直观看到温度升高反应加快的现象。这时引导学生思考：为什么加热能加速反应？因为温度升高使分子运动加快（物理中的动能概念），增加了有效碰撞几率。接着提出关键问题：人体温度恒定在 37% ，为什么细胞内反应能快速进行？这就自然引出酶能降低反应所需活化能的特殊功能。然后用化学视角深化理解。借助三维分子模型软件，展示酶与底物结合时的动态过程。重点说明：酶蛋白的活性中心通过氨基酸残基（化学中的官能团）与底物形成暂时性结合，这种特异性结合改变了反应路径。具体表现为：酶- 底物复合物的形成使反应过渡态更稳定（化学中的能量变化），从而降低了达到过渡态所需的能量门槛。可以让学生计算比较有酶和无酶条件下的活化能差值，将抽象概念量化。最后回归生物学意义。让学生讨论：如果酶不能降低活化能，维持人体代谢需要多高的体温？通过计算可知，若无酶催化，维持生命活动需要约 100% 的高温，这显然不可能。因此酶的理化特性是生命适应常温环境的关键进化成果。

进一步联系实际：临床上某些遗传病就是由于特定酶活性异常导致的，说明酶的功能对生命活动至关重要。这个教学案例通过三个学科视角的递进分析，使学生不仅知道酶能降低活化能这个结论，更能理解其背后的科学原理。

结语

在生物课堂中渗透物理、化学视角，并非知识的简单叠加，而是引导学生构建理解生命现象的多维认知框架。成功的整合有赖于教师深度挖掘知识连接点，精心设计融合情境、问题与活动。

参考文献：

[1] 何怡佳. 高中生物学与化学、物理跨学科知识的整合与应用-- 以人教版高中生物学必修一为例[D]. 河南： 河南大学，2023.

[2] 吴 桂 珊 . 高 中 生 物 学 跨 学 科 理 念 的 教 学 实 践 [J]. 中 学 生 物学 ，2025，41（1）：20-22.

[3] 曾文俊 . 巧用跨学科知识突破高中生物学难点 [J]. 新课程导学 ，2024（32）：84-86.