Интеграция естественнонаучных дисциплин как способ
формирования единой картины мира
И.В. Елтышева,
учитель биологии и физики
МАОУ «Лицей №4», г. Пермь
Развитие науки и промышленности со второй половины XX века отличается мощными процессами интеграции. В связи с этим важным условием профессионализма ученых, инженеров, преподавателей и представителей других профессий является владение системным знанием о мире и умениями, которые способствуют комплексному применению знаний разных наук. Согласно Л.С. Выготскому, критерием знания является его «жизненная ценность или принцип реальности» (1). «Междисциплинарное знание – одна из ключевых компетенций современного человека», - отмечает А. Кондаков (2).
Согласно ФГОС основного общего образования «изучение предметной области «Естественно-научные предметы» должно обеспечить: формирование целостной научной картины мира…». В связи с этим поиск практического опыта интеграции остаётся актуальной задачей современного образования.
Осуществление интеграции биологии, физики и химии возможно на тематическом, проблемном и концептуальном уровнях.
Тематическая интеграция носит иллюстративно-описательный характер, суть её в том, что два-три учебных предмета раскрывают одну тему. Материал для осуществления тематической интеграции физики с биологией и химией довольно широко представлен в литературе и был систематизирован и дополнен мною в период преподавания физики (приложения 1,2). На уроках биологии и химии данный материал используется для объяснения биологических и химических явлений на основе физических закономерностей.
Суть проблемной интеграции – решение одной проблемы (задачи) возможностями ряда предметов. Осуществление данного вида интеграции возможно на проблемных уроках интегрированного содержания. Целью таких уроков является решение проблемного вопроса, которое возможно только с использованием знаний разных дисциплин. За годы преподавательской деятельности были разработаны и проведены уроки:
«Влияние электромагнитных полей на живые организмы» (проблемный вопрос: Как объяснить влияние электромагнитных полей на живые организмы?)
«Биоэлектрические явления» (проблемный вопрос: Можно ли применить законы физики для объяснения биоэлектрических явлений?)
«Биологическое действие радиоактивного излучения» (проблемный вопрос: В чём сущность губительного влияния радиации для жизни?)
«Химическое действие света» (проблемный вопрос: Как объяснить химическое действие света?)
Проблемную интеграцию также осуществляю через решение задач межпредметного содержания и объяснение проблемных ситуаций, примеры которых приведены в приложении 3. Многие из задач были составлены на основе энциклопедических данных, факты для создания проблемных ситуаций собирались из источников научно-популярной информации.
С использованием тематических и проблемных интеграционных связей между биологией и физикой был разработан элективный курс «Физика в биологии и медицине» для учащихся старшей ступени. Программа курса приведена в приложении 4.
Концептуальная интеграция заключается в рассмотрении какой-либо концепции несколькими учебными предметами в совокупности всех их средств и методов. Идеями, связывающими все естественнонаучные курсы, являются закон сохранения и превращения энергии, философские законы единства и борьбы противоположностей, перехода количества в качество; идея глобальной эволюции.
Формирование представлений об универсальности философских законов возможно через демонстрацию примеров из разных естественнонаучных дисциплин. Примерами вопросов из курсов физики, биологии и химии, демонстрирующими закон перехода количества в качество, являются:
- зависимость свойств электромагнитных излучений от длины волны;
- зависимость агрегатного состояние вещества от кинетической энергии молекул вещества (от температуры);
- изменчивость организмов как результат количественных и качественных изменений молекул ДНК;
- проявление биологических свойств белковой молекулы после построения всех структур;
- изменение генофонда популяции как эволюционный процесс;
- богатство видового состава как условие устойчивости биогеоценоза;
- зависимость свойств химических элементов и их соединений от количества энергетических уровней в атоме и количества электронов на внешнем энергетическом уровне;
- зависимость свойств простого вещества от состава молекулы у аллотропных соединений;
- зависимость свойств карбоновых кислот от количественного состава углеводородного радикала.
Примерами вопросов из курсов физики, биологии и химии, демонстрирующими закон единства и борьбы противоположностей, являются:
- корпускулярно-волновой дуализм световых волн, электронов;
- роль наследственности и изменчивости в сохранении жизни;
- роль продуцентов и редуцентов в круговороте веществ;
- роль гормонов-антагонистов, симпатической и парасимпатической нервной системы в регуляции процессов жизнедеятельности;
- химические свойства амфотерных соединений;
- химические свойства кислот и оснований, взаимодействие кислот и оснований;
- химические свойства металлов и неметаллов, взаимодействие металлов и неметаллов.
Формирование представлений об универсальности закона сохранения и превращения энергии возможно на примере биофизических и экологических процессов, таких как энергетический обмен, фотосинтез, перемещение энергии по цепям питания и др.
Развитие – универсальное свойство материи. Темы уроков, на которых учащихся изучают процессы развития физической, химической и биологической форм материи:
«Происхождение и развитие Солнечной системы» (природоведение, 5 класс)
«Элементарные частицы: классификация, свойства, происхождение во Вселенной» (физика, 11 класс)
Уроки темы «Происхождение и развитие жизни» (биология, 9,11 класс).
Образовательной целью уроков и факультативных занятий с использованием интеграции естественнонаучных дисциплин является закрепление знаний из школьных курсов предметной области «Естественные науки», развивающими - формирование умений решать задачи с использованием знаний разных учебных дисциплин, а также формирование представлений о единстве биологической, химической и физической форм материи.
Тематическая и проблемная интеграция школьных предметов создают возможность реализации личностно-ориентированного подхода в обучении. Разные виды интеграции, но, в большей степени, концептуальная интеграция, составляют основу метапредметного содержания школьных курсов физики, химии и биологии. В частности, только через интеграцию естественнонаучных дисциплин возможна реализация метапредметной темы «Мир как система», межпредметные задачи и проблемы являются метапредметными заданиями, формирующими представления об универсальности природных и философских законов, способствующие развитию универсальных учебных действий и мыслительной деятельности.
Список литературы:
1. Л.С. Выготский. Педагогическая психология. М., 1999.
2. А. Кондаков. Главный риск – низкая конкурентноспособность российских выпускников. Образовательные программы: назначение, структура, секреты создания. - Естественные науки. – зима 2011/2012.
3. Федеральный государственный образовательный стандарт общего образования [Текст] / Мин-во образования и науки Российской Федерации. М., 2010.
Приложение 1
Примеры тематической интеграции физики с биологией
Разделы и темы курса физики
|
Материал биологии
|
МЕХАНИКА
Давление жидкостей и газов
Кинематика и динамика
Статика
Законы сохранения
Механические колебания и волны
|
Осмос. Корневое давление. Поглощение воды растениями, влияние засухи и засоления на этот процесс. Обмен газов и жидкостей в тканях живых организмов. Кровообращение.
Значение физических упражнений для человека как здоровьесберегающего фактора
Скелет как опорная структура животных. Рычаги в костно-мышечной системе человека.
Проявление закона сохранения импульса при движении некоторых живых организмов. Закон сохранения и превращения энергии в биологических процессах. Расчёт калорийности меню при различных физических нагрузках.
Источники звуков в живой природе. Слуховой анализатор.
|
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
Взаимные превращения жидкостей и газов
Капиллярные явления
I и II законы термодинамики
Тепловые двигатели
|
Терморегуляция в организме растений и животных.
Передвижение веществ по капиллярам растений, животных и почвы.
Закон сохранения и превращения энергии в биосфере. Экологический аспект необратимости процессов природы.
Загрязнение среды продуктами сгорания топлива. Безотходные технологии.
|
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Электрический ток
Потенциальная энергия заряда в электрическом поле
Электромагнитные излучения
Законы геометрической оптики
|
Токи в живых организмах. Действие тока на живые организмы.
Мембранный потенциал. Синтез АТФ.
Влияние электромагнитных излучений на живые организмы. Использование электромагнитных излучений в медицине и сельском хозяйстве. Фотопериодизм.
Глаз как оптическая система. Близорукость и дальнозоркость.
|
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Химическое действие света
|
Биофизика фотосинтеза. КПД фотосинтеза.
|
АТОМНАЯ ФИЗИКА
Получение радиоактивных изотопов, их использование
Виды радиоактивных излучений
|
Использование радиоактивных изотопов в биологии и палеонтологии.
Влияние ионизирующих излучений на организм как поражающих и мутагенных факторов. Радиоактивное загрязнение среды.
|
Приложение 2
Примеры тематической интеграции физики с химией
Разделы и темы курса физики
|
Материал биологии
|
МЕХАНИКА
Кристаллические и аморфные тела
|
Строение твёрдых веществ. Кристаллическая решётка. Аллотропные видоизменения веществ.
|
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
Тепловые двигатели
|
Виды топлива, их получение. Энергия химической связи. Экзотермические реакции.
|
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Сторонние силы. Электродвижущая сила.
Основные положения электронной теории проводимости металлов.
Электрическая проводимость полупроводников, её зависимость от температуры. Собственная и примесная проводимость полупроводников.
Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.
Электролиз.
Электрический ток в газах
|
Гальванический элемент. Электродный потенциал. Нормальные потенциалы металлов.
Металлическая химическая связь. Физические и химические свойства металлов.
Природа ковалентной химической связи. Свободные электроны. Электронная дырка.
Теория электролитической диссоциации. Электролиты.
Химизм электролитических реакций. Практический выход реакции.
Энергия химической связи. Ионизация.
|
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Фотоэлектрический эффект и его законы.
Химическое действие электромагнитных волн.
Спектры.
|
Металлическая химическая связь. Свободные электроны.
Энергия химической связи. Реакции, протекающие на свету.
Качественный анализ химических веществ.
|
Приложение 3
Проблемные ситуации и задачи межпредметного содержания
Первая в мире электростанция, использующая для выработки электричества явление осмоса, открылась 24 ноября 2009 года в Норвегии. Объясните принцип работы такой электростанции.
(Ответ: Солёная морская и пресная вода на электростанции разделены мембраной; так как концентрация солей в морской воде выше, между солёной и пресной водой развивается явление осмоса, в результате чего давление солёной воды самопроизвольно возрастает. Так как давление солёной воды подвергшейся осмосу больше, чем атмосферное давление, возникает мощный поток воды, который и приводит в действие гидротурбину, вырабатывающую энергию.)
Известно, что учёные пытаются воспроизвести естественный процесс фотосинтеза. Этот проект называется «Искусственный фотосинтез». Какие экологические проблемы поможет решить использование искусственного фотосинтеза в промышленных масштабах?
(Ответ: Водород, полученный на первой стадии искусственного фотосинтеза может быть использован в водородных двигателях для генерирования «чистой» энергии. Предполагается, что темновая фаза, воспроизведённая в промышленных масштабах, поможет противостоять глобальному потеплению, т.к. она может быть использована для поглощения избыточного количества углекислого газа из атмосферы. Однако такой процесс будет требовать значительных источников энергии, как это происходит при фотосинтезе в растениях.)
В качестве возобновляемого источника электроэнергии лондонские архитекторы собираются использовать вибрации от проезжающих грузовиков, проходящих поездов и даже пешеходов. Для эксперимента новую технологию внедрят в лестницу: "впитывать" энергию шагов она будет посредством гидравлических или пьезоэлектрических элементов. Авторы проекта полагают, что эта система сможет получать от каждого прошедшего человека 3-4 ватта, примерно половину от тех 6-8 ватт, которые каждый человек, якобы, тратит, при ходьбе по ступенькам. Какие превращения энергии будут происходить при данном способе получения энергии при её переходе от первичного состояния (какого?) к конечному?
Сколько молекул АТФ синтезируется за счёт энергии двух электронов, которые переносятся по ферментным конвейерам митохондрий от удерживающего водород фермента с потенциалом -0,32 В к атому кислорода, имеющему потенциал 0,83В? КПД дыхательной цепи 54%. Энергетическая ценность одной макроэргической связи в расчёте на один моль составляет 36,9 кДж.
Ежегодно зелёные растения на планете образуют около 100 млрд. тонн органического вещества. Сжигание этой массы дало бы 4,5×1018 ккал тепла. Всего на Землю поступает с солнечной радиацией около 5×1020 ккал энергии. Найти коэффициент преобразования солнечной энергии в энергию биомассы. Рассчитать полезную мощность фотосинтетический системы биосферы. Какое количество усвоенной растениями энергии переходит к консументам I и II порядков?
Ультрафиолетовое излучение с длиной волны 200-280 нм губительно для бактерий. Рассчитайте минимальную энергию кванта, способного разрушить химические связи в молекулах биополимеров растений.
Приложение 4
Программа элективного курса «Физика в биологии и медицине»
Тема курса
|
Содержание темы
|
Количество часов
|
1. Механические свойства биологических тканей
|
Механические свойства биополимеров и биологических тканей. Энергия упругих деформаций в живых тканях. Последствия гиподинамии.
|
2
|
2. Биоакустика
|
Механизмы излучения звуков в природе. Восприятие звука. Инфразвуки и ультразвуки в природе. Ультразвуковая диагностика.
|
1
|
3. Биологическая гидродинамика
|
Гемодинамика. Работа и мощность сердца. Физические основы измерения кровяного давления.
|
1
|
4. Поверхностное натяжение и капиллярные явления в природе
|
Поверхностное натяжение и асфиксия. Смачивание и эмболия. Капиллярные явления в организме животных и растений.
|
1
|
5. Биологическая термодинамика
|
Живой организм как термодинамическая система. Законы термодинамики в живой природе. Правило экологической пирамиды. Теорема Пригожина.
|
2
|
6. Биоэнергетика
|
Получение энергии автотрофами и гетеротрофами. Физические основы окислительного фосфорилирования, фотосинтеза и хемосинтеза.
|
2
|
7. Излучение энергии живыми организмами
|
Виды излучений: тепловое, люминисценция, хемилюминисценция – их сущность и причины.
|
1
|
8. Действие электрического поля на организм
|
Электростатические поля живого организма. Сущность действия электрического поля на живой организм. Электротерапия.
|
1
|
9. Действие магнитного поля на организм
|
Сущность действия постоянного и переменного магнитного поля на живой организм.
|
1
|
10. Действие электрического тока на организм
|
Электрические токи в живом организме. Сущность действия постоянного и переменного электрического тока на живой организм. Электрофорез.
|
2
|
11. Действие коротковолновых излучений на организм
|
Рентгеновское излучение. Виды радиоактивного излучения. Единицы радиоактивного излучения: активность, энергодоза, эквивалентная доза. Энергодоза и причинённый вред здоровью. Механизмы поражающего действия коротковолновых электромагнитных излучений. Фотопротекторы и фотосенсибилизаторы.
|
2
|
12. Единство физической и биологической форм материи
|
Единство физической и биологической форм материи
|
1
|
ИТОГО
|
17
| |
