Роль межпредметных связей в процессе формирования интереса учащихся к непрофильным предметам

В современных условиях наблюдается тенденция развития наук как единого комплекса, что приводит к возникновению пограничных наук (биохимия, биогеография, геофизика, медицинская физика и др.).

Определенным выражением таких интеграционных процессов выступают межпредметные связи. Содержание школьного образования качественно выходит на более высокий уровень при опоре на комплексное использование межпредметных связей в процессе обучения. Особенно это необходимо в дисциплинах естественнонаучного цикла (физика, математика, биология, химия).

Формирование межпредметных связей способствует развитию  у учащихся цельного представления о явлениях природы и взаимосвязи между ними и поэтому делает знания практически более значимыми и применимыми для решения практических задач.

Межпредметные связи следует рассматривать как отражение в учебном процессе межнаучных связей, составляющих одну из характерных черт современного научного познания.

При всем многообразии видов межнаучного взаимодействия можно выделить три наиболее общие направления:

1. Комплексное изучение разными науками одного и тоже объекта.

2. Использование методов одной науки для изучения разных объектов в других науках.

3. Привлечение различными науками одних и тех же теорий и законов для изучения разных объектов.

Рассмотрим на примере явления диффузии первый и третий вид взаимодействия.

Явление диффузии является одним из явлений переноса. Явлениями переноса называются самопроизвольные необратимые процессы, в которых благодаря молекулярному движению из одной части системы в другую переносится какая-либо физическая величина (для диффузии это перенос массы).

В школьном курсе диффузию рассматривают в основном в рамках физики 7 класса, в результате чего большинство учащихся ассоциирует диффузию с распространением запаха и не придают ей большого значения. Сталкиваясь с диффузией в биологии, учащиеся зачастую не осознают, что рассматриваемый ими процесс физический, химический и биологический одновременно. Нельзя рассматривать данное явление только с точки зрения биологии, т.к. знания будут неполными и однобокими.

Данную взаимосвязь очень важно понимать в особенности учащимся профильных классов, которые впоследствии хотят связать свою жизнь с биологией и медициной.

Явление диффузии лежит в основе жизнедеятельности всех клеток любого живого организма. Клетки окружены полупроницаемой мембраной, обмен веществ через которую осуществляется благодаря процессу диффузии.

Рассмотрим процессы, протекающие в клеточных мембранах.

Клеточная мембрана (плазмалемма, цитолемма, плазматическая мембрана) — эластическая молекулярная структура, отделяющая содержимое любой клетки от внешней среды и обеспечивающая её целостность.

Структурную основу мембраны составляет двойной фосфолипидный слой с погруженными в него белками (рис.1).

Рис. 1 Схематичное строение мембраны: L - толщина мембраны; пб - поверхностные белки; иб - интегральные белки; к - белки, формирующие ионный канал (пору)

Молекула фосфолипида состоит из гидрофильной головки и двух гидрофобных хвостов. Головки - полярны (заряжены) и гидрофильны (растворимы в воде). Хвосты - неполярны (незаряжены) и гидрофобны (нерастворимы в воде) (рис. 2).

При образовании мембран гидрофобные участки молекул оказываются обращены внутрь, а гидрофильные — наружу.

Рис. 2 Строение молекулы фосфолипида

Свойства мембраны

Полярность. Внутренняя поверхность мембраны (обращенная к цитоплазме) в нормальных условиях жизнедеятельности всегда заряжена отрицательно по отношению к внешней среде. Разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями составляет для разных типов клеток от 4 до 100 милливольт (мВ). Для нервных клеток эта величина равна примерно 70-75мВ.

Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью - одни вещества пропускают, а другие нет. Это свойство обеспечивает обмен веществ между клеткой и внешней средой. Процесс прохождения веществ через клеточную мембрану называют трансмембранным транспортом (переносом) веществ; он лежит в основе процессов поддержания клеточного гомеостаза, оптимального содержания в клетке ионов, воды, ферментов и субстратов. Мембраны проницаемы для низкомолекулярных веществ и непроницаемы для высокомолекулярных веществ (рис. 3).

Рис.3 Избирательная проницаемость мембран

Виды транспорта через мембрану

• Пассивный транспорт - перенос молекул и ионов через мембрану, который осуществляется в направлении меньшей их концентрации. Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии. Он стремится выровнять концентрации частиц по разные стороны от мембраны, т.е. свести к нулю величины их градиентов. Если бы в клетках существовал только пассивный транспорт, то значения физической величины внутри и вне клетки сравнялись бы, но этого не происходит.

Различают несколько типов пассивного транспорта (рис. 4).

Рис. 4 Типы пассивного транспорта веществ

а) Простая диффузия через липидный слой. Она подчиняется уравнению Нернста-Планка. В живой клетке такая диффузия обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, ряда лекарственных веществ. Однако простая диффузия протекает достаточно медленно и не может снабдить клетку в нужном количестве питательными веществами.

б) Транспорт через каналы (поры). Канал - участок мембраны, включающий белковые молекулы и липиды, который образует в мембране проход. Этот проход допускает проникновение через мембрану молекул воды, крупных ионов. Наличие каналов увеличивает проницаемость Р. Проницаемость Р зависит от числа каналов и от их радиуса. Каналы могут проявлять селективность по отношению к разным ионам, это выражается в различной проницаемости для разных ионов.

в) Облегченная диффузия - перенос ионов специальными молекулами-переносчиками за счет диффузии переносчика вместе с веществом. Наиболее подробно это явление изучено для случая переноса ионов некоторыми антибиотиками, например валиномицином. Установлено, что валиномицин резко повышает проницаемость мембраны для ионов калия К+ благодаря специфике своей структуры. В нем формируется полость, в которую точно и прочно вписывается ион К+ (ион натрия Na+ слишком велик для отверстия в молекуле валиномицина). Молекула валиномицина, «захватив» ион калия К+, образует растворимый в липидах комплекс и проходит через мембрану, затем ион К+ остается, а переносчик уходит обратно.

г) Эстафетная передача. В этом случае молекулы-переносчики образуют временную цепочку поперек мембраны и передают друг другу диффундирующую молекулу.

Кроме перечисленных видов транспорта существует процесс диффузии растворителя (например, воды) через полупроницаемую мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный раствор. Этот процесс называется осмосом (рис. 5).

Рис. 5 Схема протекания осмоса

Явление осмоса можно пронаблюдать с учащимися на уроке биологии, срезав тонкую пленку красного лука и поместив ее под микроскоп.

Сначала на пленку капают концентрированным раствором поваренной соли (гипертонический раствор). В течение часа будет наблюдаться явление, которое в биологии называется плазмолиз. Вода по градиенту концентрации выходит из клетки. Клетка сморщивается (сжимается).

Затем раствор соли убирают фильтровальной бумагой и капают обычную или дистиллированную воду (гипотонический раствор). Вода начнет всасываться обратно в клетку, и клетка восстанавливает свой объем, а затем начинает расти в размерах и может разорваться.

Полезно также параллельно на уроках химии рассмотреть модель, которая называется клеточкой Траубе. Она представляет собой модель, на которой можно продемонстрировать осмотические процессы, свойственные живой клетке, так как плёнка, формирующая её поверхность, обладает свойством полупроницаемости.

Для демонстрации готовится 5% раствор медного купороса CuSO₄. В него опускается кристалл жёлтой кровяной соли - K₄[Fe(CN)₆].

Практически сразу наблюдается образование плёнки железосинеродистой меди на границе соприкосновения кристалла с раствором и осмотический «рост растяжением» образовавшейся «клетки»:

K₄[Fe(CN)₆] + CuSO₄ ¾® Cu₂[Fe(CN)₆] + 2K₂SO₄.

Образовавшаяся в результате реакции плёнка является идеально полупроницаемой: пропускает только растворитель (воду) и не пропускает растворённые вещества. Так как концентрация раствора жёлтой кровяной соли, окружающая кристалл, выше, чем концентрация внешнего раствора CuSO₄, поступление воды идёт внутрь мешочка.

Данные явления можно обобщить на уроках физики 10 класса, рассказав про диффузию заходя за рамки школьной программы.

Примерное содержание материала

Диффузия в однородной среде - явление самопроизвольного переноса массы вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Количественно диффузия описывается специальными параметрами.

• Поток вещества через некоторую поверхность.

Потоком вещества (Ф) через элемент поверхности, который перпендикулярен направлению диффузии, называется количество этого вещества, переносимого через данный элемент за единицу времени.

Поток пропорционален градиенту концентрации (dc/dx) диффундирующего вещества в направлении ОХ. Поэтому имеет место следующая формула для расчета потока:

Коэффициент пропорциональности D называется коэффициентом диффузии. Знак «-» означает, что поток направлен в сторону убывания концентрации вещества (т.е. перенос происходит из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией).

Коэффициент D зависит от свойств жидкости, свойств диффундирующих частиц, температуры. Его численное значение выражается формулой: D = σ²/(3τ), где σ - среднее перемещение молекул (среднее расстояние между молекулами), τ - среднее время «оседлой жизни» молекулы.

• Плотность потока вещества.

Плотностью потока вещества (J) называется отношение потока вещества (Ф) через элемент поверхности к площади этого элемента (S):

Плотность потока в однородной среде выражается уравнением диффузии (уравнением Фика):

Знак «-» показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону, противоположную градиенту концентрации (dc/dx).

Завершить рассмотрение данного явления рекомендуется решением межпредметных задач. Например, связь биологии и физики: молярная концентрация кислорода в атмосфере с_а = 9 моль/м³. Кислород диффундирует с поверхности тела насекомых внутрь через трубки, называемые трахеями. Длина средней трахеи равна приблизительно h = 2 мм, а площадь ее поперечного сечения S = 2х10^-9 м². Считая, что концентрация кислорода внутри насекомого (с) в два раза меньше, чем концентрация кислорода в атмосфере, вычислить поток диффузии через трахею. Коэффициент диффузии кислорода D = 10^-5 м²/с.

1. Баляйкина В.М., Маскаева Т.А., Лабутина М.В., Чегодаева Н.Д. МЕЖПРЕДМЕТНЫЕ СВЯЗИ КАК ПРИНЦИП ИНТЕГРАЦИИ ОБУЧЕНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2019. – № 6.; URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=29320 (дата обращения: 25.12.2023).
2. Афанасьева И.А. Реализация межпредметных связей как одно из направлений повышения качества образования, URL: https://urok.1sept.ru/articles/527712 (дата обращения: 25.12.2023).
3. Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами: учеб. пособие / В.Н. Федорова, Е.В. Фаустов. - 2008. - 592 с.
4. Ремизов А.Н., Максина А.Г. Сборник задач по медицинской и биологической физике. - М.: Дрофа, 2001.
5. Ремизов А.Н., А.Г. Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика. - М.: Дрофа, 2003.