Эпиграф к уроку
«Природа производит все из основ, незначительных по величине, но мощных по своему качеству.
… как верно то, что мир состоит из четырех элементов (видоизменяющихся только по своим формам), так, несомненно, и научное образование состоит из немногих начал, из которых, если только знать способы их различия, возникает бесконечное множество положений, подобно тому, как на дереве из основательно укрепившегося корня могут вырасти сотни ветвей, тысячи листьев, цветов и плодов.
Да умилосердится Бог над нашим веком и откроет у кого-либо мысленные очи, чтобы тот правильно понял связи вещей и сообщил это другим».
Я.А. Каменский (Великая дидактика гл.XVII. Основоположение III).
Многолетняя практика показывает, что на вопрос: «Какие вы знаете основные законы, объясняющие явления природы, и почему считаете их основными?» учащиеся на уроках физики перечисляют все законы, которые им встречались при изучении этого предмета: законы Паскаля, Архимеда, закон сохранения энергии, закон Ома, законы Ньютона и т.д. На уроках химии соответственно перечисляются законы химии: закон сохранения массы веществ, периодический закон, закон Авогадро и т.д., а на уроках биологии – закон естественного отбора, законы Менделя, закон зародышевого сходства, законы необратимости эволюции и др. Учащиеся не понимают, что к основным законам природы следует отнести наиболее общие законы, изучаемые различными науками. Например, закон сохранения и превращения энергии является основой для объяснения явлений, которые изучаются и механикой, и молекулярной физикой, и термодинамикой, и электродинамикой, и химией, и биологией. Казалось бы, ничего страшного нет в том, что ученики не могут назвать основные законы природы. Но ведь это означает, что они не понимают роль этих законов в объяснении явлений и фактов, изучаемых на уроках, не обращаются к ним при объяснении физических, химических, биологических явлений, знания о природе у них состоят из множества фактов, явлений, формул, правил, не объединенных на единой основе. В сознании человека знания об окружающем мире не просто преломляются, как «солнце в малой капле вод», они во многом формируют отношение человека к миру, влияют на его нравственные качества, особенно в детском возрасте.
В связи с этим урок ставит следующие задачи:
1. Объединение знаний, полученных на уроках физики, химии, биологии вокруг некоторых основополагающих понятий этих наук, понятий, которые входят в состав ядра естественных наук, в «золотой фонд» естественнонаучного образования, составляют знания, которые помогут молодому человеку создать единый взгляд на мир.
2. Глубокое проникновение в тайны природы, через которое раскрывается обаяние науки.
3. Закрепление представлений учащихся о некоторых биологических процессах с точки зрения физики и химии.
Оборудование: таблицы и рисунки по теме урока:
- Всасывание питательных веществ в кишечнике млекопитающих.
- Строение молекулы воды. Структура воды в состоянии льда.
- Строение органа зрения.
- Периодическая система химических элементов.
- Иллюстрация к биогенетическому закону Мюллера-Геккеля.
- Симметрия в природе.
В кабинете – плакаты с высказываниями великих людей:
«Естествознание так человечно, так правдиво, что я желаю удачи каждому, кто отдается ему…» И.В. Гёте
«Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удается связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые» Д. Хевеши
«Сведение множества к единому – в этом первооснова Красоты» Пифагор
Стихи должны помочь более эмоциональному восприятию информации:
Не то, что мните вы, природа,
Не слепок, не бездушный лик.
В ней есть душа, в ней есть свобода,
В ней есть любовь, в ней есть язык. Ф. Тютчев
«Невозмутимый строй во всем,
Созвучье полное в природе» Ф. Тютчев
Подготовка к конференции:
В конференции участвуют физики, химики, биологи. Учащиеся заранее готовят сообщения по следующим темам:
- О растворах и химических реакциях в них.
- Диффузия в процессах питания и дыхания.
- Воздушный замок (о гидрофильных и гидрофобных связях).
- О зрении.
- Об окраске цветков.
- О периодичности в природе.
- О законе сохранения массы вещества в природе.
- О превращении энергии в биосфере.
- Почему надо чистить зубы?
- О симметрии в природе.
Раздел «Молекулярно-кинетическая теория»
Учитель физики:
Молекулярно-кинетическая теория – одна из фундаментальных научных теорий, утверждающая древнейшую научную идею – идею о дискретности вещества. Она служит основой для объяснения многих физических, химических, биологических явлений, без нее не может обойтись ни одна из естественных наук. О значении этой теории образно сказал известный американский физик Р. Фейнман. Он задал вопрос: «Какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, содержало бы наибольшую информацию для передачи грядущим поколениям, если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными?»
И сам ответил: «Это – атомная гипотеза: все тела состоят из атомов – частиц, которые находятся в непрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из тел плотнее прижать к другому». В этой фразе содержится огромная информация о мире.
При объяснении большинства физических и химических явлений на уроках физики и химии вы обращались к основным положениям молекулярно-кинетической теории. А какую роль играет эта теория при объяснении биологических явлений?
Cообщение учащегося «О растворах и химических реакциях в них» с точки зрения химии и физики.
Учитель биологии:
Каждый живой организм может рассматриваться как водный раствор, вода – поистине живая. Представьте себе, что вы находитесь у озера летом и вам захотелось попить воды. Но прежде вспомните андерсеновскую «Каплю воды»: «Если через увеличительное стекло посмотреть на каплю воды, взятой из пруда, то увидишь тысячи диковинных зверьков, которых вообще никогда не видно в воде, хотя они, без всякого сомнения, там есть». Невидимые нами существа без голов, без глаз, без ртов. Как они едят, пьют? Питательные вещества, как и вода, в одноклеточные организмы поступают через всю поверхность их тела благодаря явлению диффузии. Без диффузии не обходятся процессы питания и во всех других организмах. Рассмотрим, например, схему всасывания питательных веществ в кишечнике млекопитающих.
Сообщение учащегося «Диффузия в процессах питания и дыхания»
Учитель физики:
Итак, мы убедились, что без диффузии… Каким вообще был бы мир без диффузии? Прекратись тепловое движение частиц – и вокруг все станет мертвым. Превратятся в безжизненные, оледеневшие фигуры растения, животные. Не станет вокруг Земли атмосферы – с прекращением теплового движения молекулы воздуха притянутся к Земле. Вокруг ни звука, ни ветра.. На черном небе еще несколько минут будет видно Солнце – столько, сколько времени будут идти от него последние лучи… Какая страшная сказка! Хорошо, что она невозможна даже в мыслях, потому что мы знаем – тепловое движение частиц в окружающем мире вечно.
Учитель биологии:
Пока мы рассуждали о диффузии, ее роли в живой и неживой природе, паук-серебрянка (обитатель нашего озера) построил себе дом – воздушный замок. Как он красив – настоящий водолазный колокол. В нем паук сможет спокойно провести зиму: кислород, который всегда есть в воде, вследствие диффузии будет проникать через пленку колокола и таким же путем будет выходить углекислый газ. Более двух часов он трудился только над тем, чтобы сплести паутину, натянуть ее между стеблями трав. Потом много раз поднимался на поверхность, нырял под воду с пузырьками воздуха между волосков на теле и под паутиной снимал их с себя. Вот они собрались под паутиной в один большой пузырь, благодаря выталкивающей силе паутина прогнулась, поэтому форма дома получилась в виде колокола. Наверное, дом показался пауку тесным, и он снова поднялся на поверхность за новой порцией воздуха. Посмотрите, вот паук нырнул под воду, окруженный как бы целлофановым блестящим мешочком… А что, если бы ему действительно приходилось воздух «упаковывать»? Из какого вещества он мог бы образовать пленку? Давайте об этом подумаем.
Сообщение учащегося «Воздушный замок (о гидрофильных и гидрофобных связях»
Раздел «Квантовая теория»
Учитель физики:
Говоря о теориях, которые с успехом используются в физических, химических, биологических науках, мы не можем не упомянуть квантовую теорию. Началась она с гипотезы Планка, согласно которой атомы и молекулы излучают и поглощают энергию не непрерывным потоком, а отдельными порциями – квантами. Дальнейшее развитие этой теории связано с именами Резерфорда и Бора. Квантовые представления являются основой объяснения явлений в современной научной картине мира. Например, нас окружает потрясающий своим разнообразием многокрасочный мир. А почему мы видим его объекты?
Учитель биологии:
Посредством зрения мы получаем около 90% информации о мире. Поэтому вопрос о механизме зрения интересовал человека всегда.
Демокрит учил: «Видим мы оттого, что в нас попадают и остаются там видности». Для нас эти «видности» - кванты света. Атомисты под ними понимали другое. Например, Эпикур считал, что от светящихся и освещенных тел постоянно отделяются тончайшие пленки, «слепки», летящие во всех направлениях и попадающие в глаза. А в чем заключается процесс видения мира?
Сообщение учащегося «О зрении» с точки зрения биологии и физики.
Учитель: Вывод: в механизме зрения используются квантовые свойства света.
Учитель: «А задумывались ли вы над вопросом, зачем цветку красота?»
Выступление учащегося с сообщением по теме «Об окраске цветков».
Как красивы лепестки нежно-фиолетового венчика сон-травы! И ведь он как чудесная чашечка, в которую льются лучи неяркого весеннего солнца. Форма цветка нам понятна сразу: он, как вогнутое зеркало, фокусирует отраженные от лепестков пучки света в центральной части цветка – там происходит оплодотворение.
Даже если температура воздуха около 0°С, внутри цветка сравнительно тепло (около 8°С).
А почему цветок сон-травы, как и цветки других ранневесенних растений, например, медуницы, имеет окраску фиолетовых, лиловых тонов? Биологи знают, что окраска цветков обусловлена наличием в них фенольных соединений – флавоноидов, а сине-фиолетовой и красно-малиновой расцветкой растения обязаны группе флаваноидов-антоцианов (от греч. «антос» - цветок, «кианос» - синий). Ученые считают, что наличие антоцианов предохраняет растение от действия пониженных температур. Сине-фиолетовая окраска цветков позволяет им поглощать больше энергии солнечного света, чем это было бы, например, при желтой или оранжевой окраске. Лепестки сон-травы отражают те пучки света, которые несут меньше всего энергии, остальные же лучи они поглощают, чтобы «согреться» в холодные дни ранней весны. К тому же, в центральной части фокусируются отраженные от лепестков лучи с самыми «сильнодействующими» квантами видимого света.
Но вот отцветут ранние фиолетовые и сине-малиновые цветы, пригреет майское солнышко, появятся желтые лютики и одуванчики, оранжевые купальницы. Если не отразить те лучи, на которые в спектре солнца приходится максимальная энергия – желтые лучи – «живьем свариться». Вот почему, например, лютик такого золотого цвета. Красота цветка связана с его жизнестойкостью… .
«В каждом растении ты видишь влияние
вечных законов, громче и громче с тобой каждый
цветок говорит»
И. В. Гете
Раздел «Периодический закон»
Учитель химии:
Всем вам из школьных курсов химии и физики известны периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. Но периодичность в природе представлена не только периодическим законом.
Выступление учащегося по теме «О периодичности в природе»
Учитель химии:
Изучением космических процессов, их влияния на развитие жизни многие годы занимался выдающийся российский ученый, биолог, один из основоположников гелиобиологии Александр Леонидович Чижевский (1897-1964). К примеру, он исследовал и установил влияние периодической изменяемости активности Солнца на такие процессы, как рост древесины, интенсивность размножения и миграции насекомых, время цветения растений, вековой и годовой ход смертности и др.
Уместно было бы закончить рассказ о периодичности явлений и процессов в природе словами великого Гераклита: «Этот мировой порядок не создан никем из богов и никем из людей, но он был, есть и будет вечно живым огнем, мерами угасающим и мерами вспыхивающим».
Раздел «Закон сохранения массы вещества»
Учитель химии:
Этот закон – первый закон сохранения в истории науки, он утверждал важнейшую научную идею – идею сохранения. Закон сохранения массы веществ неразрывно связан с именем выдающегося русского ученого М.В. Ломоносова, который им был экспериментально доказан на основе опытов по обжигу металлов в запаянных сосудах.
Учитель биологии:
Совершим небольшой экскурс в историю: именно представления о сохранении массы вещества, которые бытовали в науке еще до открытия закона сохранения массы вещества, помогли опровергнуть господствовавшее на протяжении многих веков в науке мнение, что земля – единственная пища растений. Сделал это голландский естествоиспытатель Гельмонт. Его знаменитый опыт длился 5 лет. В горшок насыпали тщательно просушенную и взвешенную землю. В нее посадили тщательно взвешенную ветку ивы. Горшок был накрыт крышкой, чтобы в него не попадали пыль и сор, иву поливали дождевой водой. Через 5 лет растение увеличило свою массу на 65,675 кг, а масса земли в горшке уменьшилась только на 60 г. Таким образом, земля никак не могла являться единственной пищей растений. Этот опыт дал толчок к проведению множества других опытов, благодаря которым была раскрыта сущность фотосинтеза.
Сообщение учащегося о значении закона сохранения массы вещества на примере обмена белков.
Раздел «Закон сохранения и превращения энергии»
Учитель биологии:
Рассмотрим возможности применения закона в биологии. Популяризаторы науки Н.Н. Дроздов и П.П. Второв так проиллюстрировали превращения вещества и энергии в биосфере – круговорот веществ в биосфере, движущей силой которого является энергия Солнца, сравнивается с колесом водяной мельницы, которое крутится под напором воды. Как же распределяется энергия Солнца, попадающая на Землю?
Сообщение учащегося «О превращении энергии в биосфере»
Раздел «Закон сохранения электрического заряда»
Учитель физики:
Из истории открытия этого закона: Закон сохранения электрического заряда был открыт Фарадеем в связи с исследованием электростатической индукции. Но Фарадей не дал четкой формулировки этого закона. Впервые утверждение о неучтожимости и несотворимости электрического заряда встречается у Максвелла. Его современная формулировка такова: алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой системе остается постоянной при любых процессах, происходящих в ней. Во всех процессах, связанных с самыми разнообразными явлениями – механическими, тепловыми, электрическими, магнитными, внутриатомными и внутриядерными, химическими, биохимическими, - закон сохранения электрического заряда действует без ограничения. Науке не известно ни одного случая нарушения этого закона.
Поговорим о применении этого закона в химии и биологии.
Сообщение учащегося «Почему надо чистить зубы?»
Учитель физики:
Итак, можно сказать, что все превращения в микромире происходят с учетом закона сохранения электрического заряда. Вспомним хотя бы реакции фотосинтеза. Посмотрите, сколько вокруг зелени, сколько электронов покидают молекулы хлорофилла в этот миг, получив квант света! Что было бы, если бы некоторые из них «потерялись?» Молекулы хлорофилла выключились бы из «работы». Но такого не случается, т.к. действует закон сохранения электрического заряда. Молекула хлорофилла, потеряв электрон, приобретает положительный электрический заряд, иначе говоря, в ней есть место для электрона, называемое в физике дыркой. Долго оно не остается вакантным. Его занимает электрон иона гидроксила, образовавшегося при диссоциации молекулы воды. И молекула хлорофилла снова готова принять следующий квант. Покинувший ее электрон и ион водорода, образовавшийся вместе с ионом гидроксила при фотолизе воды, попадают в ферментную систему, где происходят реакции фотосинтеза. Ни один электрический заряд из бесчисленного множества участвующих в биохимических реакциях зарядов не пропадает. Вот у кого надо учиться бережливости – у природы…
И снова умрешь, и появишься снова,
Год ли спустя, миллион ли годов –
Частный случай на вечной основе,
Который мгновенно возникнуть готов.
Да, я родился, проживу до ста,
Чтобы затем навсегда умереть.
Но я - электронов случайная доза,
А эта случайность возможна и впредь
И. Сельвинский
Учитель биологии:
А теперь поговорим о симметрии в природе, проявление которой мы можем найти сколько угодно.
Сообщение учащегося «О симметрии в природе»
Учитель биологии:
Таки образом, закон естественного отбора, закон всемирного тяготения способствовали тому, что мы видим ель такой прекрасной, что она не может не поразить наше воображение. Действие любого закона природы не зависит от времени, все они симметричны по отношению к переносу в пространстве и времени. Симметрия живых организмов связана с симметрией законов природы. Можно сказать, что на симметрии держится мир. Когда мы видим проявление симметрии в форме тел живой и неживой природы, невольно испытываем чувство удовлетворения тем всеобщим порядком, который царит в природе.
Заключительное слово:
Итак, мы попытались объяснить некоторые известные нам биологические явления с точки зрения не только биологии, но и физики, химии. Для нашего времени характерно проникновение в науку идеи всеобщей связи явлений. Мир, как и в древние времена, - это единое органическое целое. А.Л. Чижевский в свое время писал: «Теперь мы можем сказать, что в науках о природе идея о единстве и связанности всех явлений в мире и чувство мира как неделимого целого никогда не достигали той ясности и глубины, какой они мало-помалу достигают в наши дни».
Вопросы викторины, которые можно предложить учащимся после проведения урока-конференции.
- Почему альпийские растения низкорослы? Почему во всех частях этих растений сахара накапливается больше, чем у таких же растений, находящихся не в альпийской зоне?
- В низовьях Днестра и Дуная живет умбра, или рыба евдошка. Дышит она не так, как другие рыбы. Плавательный пузырь у нее связан с глоткой широким протоком. Высунувшись из воды, рыба набирает воздух в пузырь, который густо оплетен кровеносными сосудами. Из пузыря кислород проникает в кровь. Воздух, насыщенный углекислым газом, рыба выталкивает через рот. Чем объяснить такие изменения в органах дыхания этой рыбы?
- В теле взрослого человека имеется до 160 млрд. капилляров. Благодаря этому каждая клетка снабжается необходимыми питательными веществами и кислородом. Смачивает ли кровь стенки сосудов?
- Какие физические процессы играют роль при приживании привоя к дикому дереву?
- Почему перед заморозком рассаду помидоров, огурцов следует обильно поливать?
- Большой сосуд с водой, помещенный в погреб, предохраняет овощи от замерзания. Почему?
- Почему в лиственных лесах прохладно даже в жару?
- Какова роль сахара и соли при консервации продуктов? Почему при этом необходимо соблюдать определенную норму?
- Можно сделать фотографию без проявления. Возьмите 5%-ный раствор, одинаковый для трех веществ: красной кровяной соли К3[Fe(CN6], хлорида железа (III) FeCl3 и щавелевой кислоты. Объем каждого раствора 100 мл. Пропитайте полученным раствором лист фильтрованной бумаги и высушите. Если вы выставите этот лист с трафаретом на солнечный свет, то получится изображение. Объясните механизм его получения.
- Прочитайте рубаи Омара Хайяма:
«Ты жаждой не страдал, голодным ты не был.
Ты все, чем томишься, от четырех добыл.
И каждому возвратишь ты подарок,
И снова станешь тем, чем ты вначале был».
«От четырех добыл» - имеется в виду четыре стихии – земля, вода, воздух, огонь, из которых, как считали во времена Омара Хайяма, состоит все сущее.
Как это стихотворение сочетается с представлениями о круговороте веществ в биосфере, с законом сохранения массы вещества? - В самые сухие и жаркие дни пчелы на верхних стенках каморок в улье развешивают капельки воды. Каково их назначение?
- Личинки и куколки пчел, развиваясь, сами выделяют много энергии. Причем того количества теплоты, которое выделяется пчелиным расплодом в десяти рамках улья за две недели, достаточно, чтобы вскипятить бочку воды. За счет чего выделяется эта энергия?
- Пуская кровь заболевшему матросу, корабельный врач Р. Майер обратил внимание на необычайно алый цвет венозной крови. Его наблюдения показали, что в жарких странах венозная кровь гораздо светлее, чем в северных. Как этот факт помог Майеру в открытии закона сохранения и превращения энергии?
- Почему утки ходят переваливаясь?
- Как бы вы расшифровали афористическое высказывание об искусстве икебаны: «Один цветок лучше, чем сто, передает великолепие цветка»?
Список используемой литературы
В.Р. Ильченко «Перекрестки физики, химии и биологии». М.: Просвещение.1986
В. Ильченко, К.Гуз .Образовательная модель «Логика природы». М.: Народное образование. Школьные технологии. 2003.