О. П. Коклюшкина ;
А. В. Лашкул

Интегрированные уроки биологии

Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые.
Д.ХЕВЕШИ

Общеизвестно, что самостоятельно добытые знания являются самыми глубокими и прочными. Поэтому мы, педагоги, используем в работе такие приемы и методы, которые активизируют умственную деятельность учащихся, их познавательный интерес, пробуждают положительное эмоциональное отношение к изучаемому материалу. Только испытывая потребность что-либо понять, ученики начинают мыслить. Для этого мы используем интеграцию предметов школьного курса, например физики и биологии, и проводим такие интегрированные уроки вместе – преподаватель физики и преподаватель биологии. Эти уроки помогают ребятам понять взаимосвязь элементов в природе, создают целостную картину мира.

Нами разработаны планы-конспекты уроков такого типа в курсе «Биология. Человек» по темам: «Опорно-двигательная система – двигательная активность жизненно необходима», «Кровообращение – движение крови по сосудам. Закон Бернулли», «Дыхание – газообмен в легких и тканях», «Кожа, ее строение, значение и функции – теплорегуляция организма», «Нервная система. Органы чувств – физиология зрения и оптика» и в курсе «Биология. Животные» по темам: «Тип Хордовые. Надкласс Рыбы – строение организма рыб в связи со средой обитания», «Хордовые. Класс Птицы – особенности строения организма птиц в связи с полетом». Конспекты двух последних приводятся ниже в качестве примера.

Изучая широкий круг явлений природы на уроках интегрированного типа, учащиеся познают окружающий мир и возможность использования его законов в практической деятельности человека.

Информация на бинарных уроках делает знания актуальными, позволяет расширить кругозор детей и ответить на многие «почему».

При рациональном использовании времени сорока минут вполне хватает для проведения такого урока.

Урок «Строение организма рыб в связи со средой обитания». 8-й класс

Оборудование: таблицы «Тип Хордовые. Надкласс Рыбы. Речной окунь», «Морские рыбы», «Пресноводные и проходные промысловые рыбы», репродукции из энциклопедии.

Домашнее задание по физике при подготовке к этому уроку: § 27, 37, 47 (Громов С.В., Родина Н.А. Физика, 7-й класс).

Ход урока

Учитель биологии. Сегодня мы проводим обобщенный урок по пройденной теме «Тип Хордовые. Надкласс Рыбы». Сначала проверим ваши знания и умения. Знаете ли вы строение организма рыб, значение маскирующей окраски тела рыб, значение и функции плавников и хвоста?

Вы должны уметь сравнивать изученных рыб, находя черты сходства в их строении, и на этой основе давать общую характеристику класса рыб, делать вывод о существенном значении рыб в природе, о сложных взаимоотношениях их с разнообразными факторами окружающей среды, лежащих в основе многообразия самих рыб.

• Итак, вспомним, каких животных называют хордовыми.

Ответы учащихся. Это животные, имеющие опорную ось организма, представленную у низших форм хордой – плотными особыми клетками, тесно прилегающими друг к другу и образующими единый тяж, у высших – хрящевым или костным позвоночником. Примеры: ланцентник имеет упругий стержень, рыбы костные или хрящевые – костный или хрящевой скелет.

• Какова среда обитания рыб и каково их разнообразие?

Ответы учащихся. Рыбы распространены во всех водах нашей планеты. У берегов и на большой глубине. Велико разнообразие рыб по внешнему облику, величине и образу жизни. Например, среди рыб есть гиганты и карлики. Самая крупная из ныне живущих рыб – китовая акула. Длина ее тела 15 м, масса – 10 т. Обитает в теплых водах Мирового океана, питается планктоном, для человека неопасна, аквалангисты часто садятся на нее верхом. Самая маленькая рыба – бычок-пигмей (длина тела около 1 см) обитает на Филиппинских островах. Продолжительность жизни рыб различна, одни живут несколько месяцев, другие – десятки лет. Например, долгожительница среди рыб – белуга, ее возраст достигает порой ста лет. Рыбы держатся в зависимости от вида стайками или особняком.

• Каково строение тела рыб?

Учащиеся показывают по таблицам отделы тела: голову, туловище и хвост.

• Какова окраска тела?

Ответы учащихся. У большинства рыб окраска маскирующая. У многих спина окрашена темнее боков и брюха, это делает рыбу малозаметной как сверху, так и снизу. У некоторых глубоководных рыб кожа не окрашена вовсе. Отдельные виды меняют свою окраску в зависимости от характера грунта, причем очень быстро, например камбала. Яркие полосы и пятна на теле некоторых видов создают искажение формы тела рыбы, разбивая контуры на части и тем самым дезориентируя врага или жертву. Такая окраска у многих коралловых рыб. У многих рыб окраска меняется в период размножения, «ухаживания» во время брачного периода.

• Какую роль играют чешуя и слизь, покрывающие тело рыбы?

Ответы учащихся. Чешуя защищает кожу рыбы. Чешуя имеет разнообразную форму и окраску. По чешуе можно определить возраст рыбы. Кожа содержит многочисленные железы, вырабатывающие слизь, которая обладает бактерицидным свойством.

• Как осуществляется движение рыб в воде?

Ответы учащихся. Движение рыб в воде обеспечивается мышцами туловища. Основной движитель – хвостовой плавник, его лопасти при волнообразных движениях туловища обеспечивают движение вперед. Хвост служит рыбе и «рулем». Для регулировки боковых и вертикальных перемещений используются движения грудных и брюшных плавников.

Учитель физики. Большое значение для движения рыб имеет форма их тела. Она очень разнообразна: веретеновидная (тунец), стреловидная (щука), змеевидная (угорь), дисковидная (рыба-луна), уплощенная (камбала). Но какой бы ни была эта форма, она чаще всего обтекаемая. Почему в процессе эволюции тело рыбы приобрело обтекаемую форму?

Ответы учащихся. Обтекаемая форма уменьшает силу сопротивления среды.

• Вы отметили, что наружные покровы рыб покрыты слизью. Какую еще роль, кроме бактерицидной, играет жидкость, вырабатываемая многочисленными железами?

Ответы учащихся. Снижает трение о воду при плавании.

• Рассчитайте, какое давление испытывает камбала на глубине 500 м.

Учащиеся решают задачу.

Ратм = 105 Па; h = 500 м ρ = 1000 кг/м3 g ≈ 10 Н/кг		Р = Ратм + Pж Рж = ρgh Р = Ратм + ρgh
Р – ?

Р = 10⁵ + 10³·10·500 = 10⁵·(1+50) = 51·10⁵ (Па).

Вот какое большое давление – давление атмосферы и давление жидкости испытывает тело придонных рыб.

• Рыбы приспособились к самым разнообразным условиям среды. Они обитают в пресных водах, в морях, у поверхности воды и на глубине до 10 км. Рыбы живут при температуре воды от 2 °С до +50 °С, в широком диапазоне солености и содержания кислорода. Кислород необходим для жизнедеятельности любого организма. Каким образом газы проникают в жидкость?

Ответы учащихся. Газы попадают в жидкость вследствие диффузии. Диффузия – это самопроизвольное перемешивание веществ в результате беспорядочного непрерывного движения молекул и атомов.

• Иногда при недостатке кислорода рыбы выпрыгивают из воды. Большую опасность для обитателей водной среды представляют нефтяные и масляные загрязнения водоемов. Почему?

Ответы учащихся. Пленка нефтепродуктов, образующаяся на поверхности воды, препятствует проникновению кислорода в жидкость, замедляет диффузию; это может вызвать массовую гибель рыб.

В ходе боевых действий в Персидском заливе в 1980-х гг. в воды залива попало более 7 млн баррелей нефти (1 баррель = 159 л) из взорванных терминалов, танкеров и подводных скважин. На поверхности образовались многочисленные гигантские пятна мазута толщиной 10 см. «Черные приливы» нефтепродуктов в течение нескольких лет накатывались на прибрежную полосу Саудовской Аравии. В результате экологической катастрофы погибло множество водных и околоводных организмов.

Сегодня вы рассказывали о движении рыб в воде. А знаете ли вы, что плавучесть рыб обеспечивается комплексом специальных приспособлений?

Брюшные и хвостовые плавники создают подъемную силу, подобно крылу самолета. Движения спинного, грудных, брюшных плавников обеспечивают положение тела рыбы спиной вверх, позволяют ей не заваливаться набок. Костные рыбы имеют специальный гидростатический орган – плавательный пузырь, представляющий собой заполненный смесью газов (кислород, углекислый газ, азот) вырост начальной части пищевода.

У хрящевых рыб, например акул, плавательный пузырь отсутствует. Плавучесть их тела достигается за счет накопления запасов жира в печени. В результате масса их печени составляет до 25% массы тела, тогда как у костных рыб – лишь 1–8%.

• Как функционирует плавательный пузырь и каково его назначение?

Ответы учащихся. В стенках плавательного пузыря развита густая сеть капилляров, которая поглощает из пузыря или выделяет в пузырь газовую смесь. Плавательный пузырь помогает рыбе оставаться на определенной глубине, на той, где вес рыбы равен весу вытесняемой ею воды. Пузырь играет важную роль при всплытии и погружении. Если рыба, работая плавниками, перемещается в более высокие слои, то внешнее давление уменьшается, в результате давление газов внутри плавательного пузыря становится больше внешнего, тело рыбы расширяется изнутри, увеличивается выталкивающая сила, (F = ρgV), и рыба далее всплывает без каких-либо мышечных усилий. Если же рыба, работая плавниками, опускается, то тело ее, испытывая большое давление со стороны воды, сжимается, сдавливая пузырь, уменьшается Архимедова сила, и рыба начинает погружаться все быстрее. Стенки плавательного пузыря лишены мышечных волокон и «сжать» его рыба не в состоянии – изменение объема пузыря непроизвольно и связано с изменением внешнего давления. При ловле рыб с большой глубины случается, что иная рыба высвобождается из сетей, но, вопреки ожиданию, не уходит вновь на глубину, а напротив, стремительно поднимается на поверхность. У таких рыб, как замечают рыбаки, плавательный пузырь выпячивается через рот.

Учитель биологии. Для ориентации в окружающей среде рыбы имеют хорошо развитые органы чувств. В основном все они находятся в головном отделе. Назовите их.

Ответы учащихся. Глаза, ноздри, ведущие в слепой мешок с чувствительными клетками, четко определяющими химический состав воды; чувствительные клетки слизистой рта, губ, усиков; внутреннее ухо, осязательные клетки, расположенные по всей поверхности тела; боковая линия – орган сейсмосенсорного чувства.

Учитель физики. Лишенные зрения рыбы сохраняют способность ориентироваться в водном пространстве, передвигаться, не натыкаясь на препятствия, и даже хватать добычу. Все это происходит благодаря боковой линии – группе чувствительных клеток, сообщающихся с внешней средой. Каналы боковой линии тянутся вдоль всего тела рыбы и воспринимают колебания воды, скорость и направление течений, наличие предметов на пути, давление и химический состав воды.

Рыбы хорошо чувствуют изменение погоды. Задолго до наступления шторма они отходят от берега и скрываются в глубинах моря.

Как чувствует рыба приближение бури? При сильном ветре воздух, ударяясь о гребни волн, то сжимается, то расширяется. В результате возникают звуки больших и малых частот – ультразвуки и инфразвуки, которые недоступны слуху человека, но которые хорошо воспринимают рыбы.

Но рыбы не только воспринимают звуки, они и издают их. Звуки эти напоминают стоны, скрип, щелчки, возникающие при трении зубов, сочленений между костями, при изменении объема плавательного пузыря.

Так физика объясняет множество особенностей в поведении рыб и в их строении. Поэтому, изучая основы наук, надо учиться видеть их взаимосвязь и использовать полученные знания для объяснения различных природных явлений.

Учитель биологии. Теперь за 5 мин выполните итоговую тестовую работу.

Надкласс Рыбы

I. Выберите один правильный ответ из нескольких предложенных.

1. Органы боковой линии у рыб выполняют функции:

а) обоняния;
б) осязания;
в) только ощущения глубины погружения;
г) ощущения глубины погружения, направления и силы течения воды.

2. Плавательный пузырь имеется у рыб:

а) всех видов;
б) всех видов, кроме хрящевых;
в) всех видов, кроме хрящевых и некоторых костных;
г) всех видов, кроме костно-хрящевых.

3. Плавательный пузырь у рыб выполняет функции:

а) только гидростатические;
б) гидростатические, а у некоторых видов рыб и дыхательные;
в) гидростатические, дыхательные (у некоторых видов рыб) и функции поддержания постоянного состава крови;
г) увеличения и уменьшения массы тела.

II. Выпишите номера правильных суждений.

1. Большинство видов рыб имеют обтекаемую форму тела.
2. Кожа рыб имеет железы, выделяющие слизь.
3. Глаза у рыб не имеют век, и рыбы спят с открытыми глазами.
4. Рыбы не имеют органов слуха.
5. Остатки хорды у большинства рыб имеются между позвонками.
6. Органы дыхания рыб – жабры.
7. Мочевой пузырь у рыб отсутствует.
8. Все рыбы имеют сжатое с боков тело.
9. Грудными плавниками рыба при движении пользуется как веслами.
10. Спинной плавник – это непарный плавник.
11. Рыбы видят предметы, расположенные на близком расстоянии.

(Правильные суждения: 1, 2, 3, 5, 6, 10, 11.)

Домашнее задание

• К уроку биологии:

– составить общую характеристику надкласса рыб;
– приготовить сообщение об обитателях Марианской впадины.

• К уроку физики:

– приготовить по желанию сообщение о функциях и значении световых органов глубоководных рыб.

• Решить задачу

Определите наибольшую глубину погружения титанового батискафа, если предельное выдерживаемое им давление равно 600 МПа.

Ратм = 105 Па; ρ = 1000 кг/м3 g ≈ 10 Н/кг

h = ?

Р_ж = ρgh = P – P_атм 600·10⁶ – 10⁵ = 10⁵·600

h = 10⁵·6000/1000·10 = 6·10⁴ м = 60 км

Урок «Особенности строения организма птиц в связи с полетом». 8-й класс

Оборудование: таблица «Тип Хордовые. Класс Птицы. Внутреннее строение голубя», репродукции из энциклопедии; самодельные рисунки и схемы.

Домашнее задание при подготовке к этому уроку: по физике – § 31 (Громов С.В., Родина Н.А.  Физика, 8-й класс); по биологии – § 53, 54, 55.

Ход урока

Учитель биологии. Сегодня у нас итоговый урок по теме «Птицы».

Сначала проверим ваши знания о строении птиц; об особенностях жизнедеятельности их организма; о приспособленности птиц к разнообразным условиям среды.

Итак, птицы – особый класс высших позвоночных, приспособившихся к полету. Их верхние конечности преобразовались в крылья, что дало им возможность помимо наземной освоить и воздушную среду.

Ряд крупных изменений в строении, множество частных приспособлений позволили птицам широко расселиться и образовать многочисленные формы. В результате длительного приспособления к самым различным местам обитания и возникло большое разнообразие птиц по величине, окраске и повадкам.

Ответы учащихся. Птиц насчитывается более 8000 видов, объединенных в 40 отрядов. Самая крупная птица мира – африканский страус, его рост 2 м 70 см, масса 90 кг. Самая маленькая птица – колибри. Их 300 видов. Карликами среди них считают колибри-шмеля, обитающую на Кубе, ее масса около 2 г.

• Несмотря на многообразие видов и разнообразие форм, птицы имеют типичное строение тела и характерные особенности внешнего и внутреннего строения организма в связи со средой обитания и способностью к полету. В чем же выражается приспособленность птиц к полету?

Ответы учащихся.

Форма тела птиц – обтекаемая.

Основные отделы тела – голова небольшая, шея хорошо выраженная, туловище компактное, конечности: крылья, ноги, свободный хвостовой отдел позвоночника очень укорочен.

Перьевой покров – маховые перья образуют летательные плоскости крыльев и хвоста, покровные перья расположены черепицеобразно для лучшей обтекаемости тела, пуховые перья обеспечивают теплоизоляцию.

Опорно-двигательная система – седловидной формы сочлененные позвонки шеи, спинная кость (сросшиеся грудные позвонки) и крестец (сросшиеся кости таза) обеспечивают непровисание тела во время полета, грудина и киль – место прикрепления мощных мышц, двигающих крыло, сросшиеся кости кисти увеличивают летательную плоскость, управление полетом осуществляется прикрепленными к ней рулевыми перьями, сросшиеся трубчатые кости конечностей и плоские губчатые кости скелета туловища обеспечивают прочность и легкость, сильно развитые грудные и подключичные мышцы двигают крыло.

Дыхательная система – легкие и воздушные мешки – обеспечивают непрерывный газообмен на вдохе и выдохе: двойное дыхание.

В ходе обсуждения ребята приходят к выводу, что специализация к полету у птиц привела к:

– формированию обтекаемой формы тела;
– облегчению массы тела за счет трубчатого и губчатого строения костей скелета;
– интенсификации дыхания за счет непрерывного газообмена (двойное дыхание);
– ограничению размеров тела.

Учитель физики. Современные технические средства (наблюдения с самолетов, скоростная съемка, радары) позволили определить скорости полета птиц.

Самая быстрая птица – черный стриж: его скорость при перелетах достигает 110–150 км/ч, в другое время – 80–90 км/ч.

Передвижение птиц происходит в основном на высоте 500–3000 м над уровнем моря. Причем перелеты весной происходят на больших высотах, чем осенью, а ночью выше, чем днем.

Так как же птицы летают? Что дает им такую возможность?

Рассмотрим механизм полета птиц.

Начнем с перьев птиц, которые служат и целям терморегуляции, и создают обтекаемую форму для уменьшения силы сопротивления воздуха, и предохраняют кожные покровы от повреждений.

Перья имеют различные размеры и форму, а значит, выполняют и разные функции. Для полета большое значение имеют маховые перья – они жестче остальных и во время полета создают тягу и подъемную силу, составляют несущую поверхность крыла. Для управления полетом большое значение имеют рулевые перья хвоста.

Вы обращали внимание на полет птиц? Его можно разделить на два вида: парящий (пассивный) и машущий (активный).

Обычно птицы комбинируют эти способы в зависимости от обстоятельств.

Рассмотрим подробнее парящий полет. При парении птица перемещается в воздухе продолжительное время, не делая взмахов крыльями. Как ей это удается? Ведь из-за действия силы тяжести она должна бы упасть на землю.

Сравним форму тела и крыльев у медленно и быстро парящих птиц. Медленно парящие птицы – большей частью материковые; они могут использовать слабые ветры и термальные потоки. Быстро парят преимущественно морские птицы; они могут использовать сильные ветры.

Медленно парящие птицы (грифы, орлы, ястребы и др.):

– маховых 2-го порядка много – для создания подъемной силы;
– положение крыльев при парении – крылья распластаны;
– широкое крыло обеспечивает большую подъемную силу;
– маховые 1-го порядка расправлены для увеличения подъемной силы;
– хвост используется для балансирования.

Быстро парящие птицы (альбатрос, чайка, баклан и др.)

– длинное узкое крыло;
– большой размах крыльев (например, у альбатроса 3,0–3,4 м);
– заостренные концы крыльев уменьшают лобовое сопротивление.

Вспомните: Землю обогревает Солнце. Равномерно ли? Нет. В результате в воздухе выделяются теплые и холодные слои. Теплые слои воздуха
не остаются у поверхности. Их плотность мала, и они поднимаются вверх (перемешивание), холодные слои опускаются вниз. То есть идет процесс конвекции.

Всходящие конвекционные воздушные потоки и используют птицы для своего подъема и парения. Высота полета птицы определяется мощностью и скоростью движения этих потоков. При парящем полете птица может парить на одной высоте, подниматься вверх и опускаться вниз.

Выясним условия этих полетов:

1) если сила тяжести (P_тяж), действующая на птицу, уравновешивается подъемной силой воздушного потока (F_под), то птица парит на одной высоте;
2) если F_под > Р_тяж, то птица поднимается вверх;
3) если F_под < Р_тяж, то птица опускается вниз.

Используя разницу в подъемных силах воздушных потоков, парящая птица может часами держаться в воздухе, не тратя особых мышечных усилий, и подниматься в нем, и опускаться, как это делают морские альбатросы, буревестники.

Для парящих птиц характерны крупные размеры, длинные крылья.

Теперь рассмотрим машущий полет. Он и сложнее, и разнообразнее. Это полет и стрижа, и вороны, и утки.

При машущем полете птицы могут или все время энергично работать крыльями, как делают мелкие птицы (воробьи), или их летательные движения могут состоять из последовательно сменяющихся фаз: за взмахами следует фаза, когда крыло не производит гребных движений, – это так называемый скользящий полет.

Чтобы понять физику активного полета, необходимо познакомиться с азами аэродинамики – раздела физики, который изучает законы движения газов. Большой вклад в развитие аэродинамики внес выдающийся русский ученый Николай Егорович Жуковский. В его трудах есть специальные работы о парении птиц, относящиеся к 1891 г.

На любое тело, находящееся в потоке газа, действует аэродинамическая сила, которая может быть разложена на силу лобового сопротивления и подъемную силу.

Тело изображено в виде формы профиля крыла.

Сила лобового сопротивления обусловлена трением. А почему возникает подъемная сила? Она обусловлена профилем крыла, которое имеет выпуклую верхнюю поверхность. В результате скорости воздушных потоков над крылом и под крылом различаются.

Воздушные потоки над и под крылом должны из точки А в точку В дойти за равный промежуток времени. Но путь над крылом из-за его выпуклости больше, значит, скорость движения воздуха там должна быть больше, чем под крылом.

Вы не раз наблюдали за течением реки. Вспомните, что происходит со скоростью течения, когда русло реки резко сужается? Скорость течения возрастает. Так происходит и в замкнутой системе труб разного сечения, по которым течет вода.

А что можно сказать о давлении жидкости в трубах? Давление зависит от высоты столба жидкости: P = ρgh.

Значит, давление в трубах большего сечения больше. В результате рассуждении мы вышли на следующую зависимость: давление жидкости (газа) там больше, где скорость течения струи меньше. Данное утверждение носит название закона Бернулли.

Возвратимся к механизму полета птиц: раз скорость воздушной струи над крылом птицы больше скорости струи под крылом, значит, согласно закону Бернулли, давление воздуха над крылом меньше, чем под крылом. Эта разница давлений и приводит к возникновению подъемной силы, которая используется птицами при полете.

Изучив аэродинамику полета птиц, Н.Е. Жуковский занялся теоретической разработкой профилей крыла самолета, конструкцией самолетных винтов и проектированием самих самолетов. За огромный вклад в самолетостроение его называют отцом русской авиации.

Вот так взаимопроникновение идей и методов различных наук помогает объяснению явлений природы, формированию целостной картины мира.

Познание и анализ процессов, протекающих в природе, позволяет моделировать их в технике и дает толчок для ее развития.

Те из вас, кто заинтересовался теорией полета, может расширить свои знания, обратившись к детской энциклопедии «Жизнь животных», том 6 (полет птиц), «Вещество и энергия», том 3 (основы аэродинамики, полеты самолетов).

Теперь вам надо выполнить тестовое задание.

Класс Птицы

Выпишите номера правильных суждений.

1. Все основные особенности строения птиц появились в связи с их приспособлением к полету.
2. Все птицы способны к полету.
3. Летательная поверхность крыла образована покровными перьями.
4. Крылья у птиц опускаются благодаря большим грудным мышцам, составляющим до 20% от общей массы тела.
5. Киль как вырост грудины присутствует у всех птиц.
6. Основное значение воздушных мешков – уменьшение трения между внутренними органами во время полета.

(Правильные суждения: 1, 4.)

ЛИТЕРАТУРА

Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога. – М.: Наука, 1986.
Ильченко В.Р. Перекрестки физики, химии, биологии. – М.: Просвещение, 1986.
Костюк П.К. Физиология человека / Пер. с англ. – М.: Мир, 1986.
Максимова В.Н., Груздева Н.В. Межпредметные связи в обучении биологии. – М.: Просвещение, 1987.
Маркссян П.Г. Физиология. – М.: Мир, 1985.
Маркушевич А.И. Энциклопедия. Человек. – М.: Педагогика, 1975.
Перельман Я.И. Занимательная физика. – М.: Наука, 1986.
Хрипкова А.Г., Колосов Д.В. Гигиена и здоровье школьников. – М.: Просвещение, 1988.
Жизнь животных (Энциклопедия). – М.: Просвещение, 1983.