8. Cấu trúc của đề tài
2.4. Các nội dung kiến thức sử dụng để tích hợp liên môn
Dạy học Sinh học theo hướng tích hợp liên môn là sự kết hợp các kiến thức của môn Sinh và các kiến thức khác có liên quan hình thành nên một nội dung thống nhất. Từ cấu trúc như vậy, cần phải căn cứ vào nội dung bài học để lựa chọn các kiến thức tích hợp phù hợp, có liên quan và có hiệu quả cao trong việc truyền đạt kiến thức đến HS. Người dạy có thể tích hợp các kiến thức Toán, Lý, Hóa,…. vào nội dung dạy học Sinh học.
2.4.1. Các kiến thức Toán có thể sử dụng để tích hợp
Trong dạy học nội dung Sinh lý thực vật, các kiến thức Toán sẽ được vận dụng để làm sáng tỏ bản chất các nguyên lý, quy luật Sinh học thông qua các con số, bài toán cụ thể.
Ví dụ 2: dạy nội dung “Sự thoát hơi nước qua khí khổng” bài 2 “Trao đổi nước ở thực vật” Sinh học 11 nâng cao.
Để chứng minh cấu tạo lá thích nghi với chức năng thoát hơi nước của cây, GV có thể đưa ra bài toán như sau:
Theo một nghiên cứu của Kixenbec ở cây ngô: số lượng khí khổng trên 1 cm2 biểu bì trên là 9300 còn biểu bì dưới là 7684. Tổng diện tích lá trung bình (cả hai mặt lá) ở một cây là 6100cm2. Kích thước trung bình một khí khổng là 25,6 x 3,3 cm.
Hãy cho biết:
a. Tổng số khí khổng của cây ngô? Tại sao ở đa số loài cây, số lượng khí khổng ở biểu bì dưới thường nhiều hơn số lượng khí khổng ở biểu bì trên, còn cây ngô thì không như vậy?
27
b. Tại sao tỷ lệ diện tích khí khổng trên diện tích lá rất nhỏ (<1%) nhưng lượng nước bốc hơi qua khí khổng lại rất lớn (chiếm 80-90% lượng nước bốc hơi từ toàn bộ mặt thoáng tự do của lá)?
GV tiến hành cho HS giải bài tập trên và đưa ra các kết luận có thể rút ra về quá trình thoát hơi nước thông qua bài tập trên.
Lời giải:
a. Tổng số khí khổng của cây ngô là:
(7684 + 9300) x 6100 = 103602400
Đa số loài cây, số lượng khí khổng ở biểu bì dưới thường nhiều hơn số lượng khí khổng ở biểu bì trên vì biểu bì dưới tránh được sự đốt nóng của ánh sáng mặt trời (do lá cây mọc ngang), điều này giúp các khí khổng thường xuyên được mở ra tạo điều kiện cho quá trình thoát hơi nước và quang hợp diễn ra tốt hơn. Còn cây ngô lá mọc đứng vì thế không cần đặc điểm này.
b. Tỷ lệ diện tích khí khổng trên diện tích lá:
103602400 x (2,5 x 3,3) x 10-3 / (6100x102) x 100% = 0,14% Thông qua phép tính này, GV có thể chứng minh ngay được với HS rằng tỷ lệ diện tích khí khổng trên diện tích lá rất nhỏ đồng thời tạo ra một tình huống chứa mâu thuẫn rằng: “Tại sao tỷ lệ diện tích khí khổng trên diện tích lá rất nhỏ (<1%) nhưng lượng nước bốc hơi qua khí khổng lại rất lớn (chiếm 80-90% lượng nước bốc hơi từ toàn bộ mặt thoáng tự do của lá).” HS sẽ đi tìm ra câu trả lời để giải quyến tình huống trên.
Có hai lý do để trả lời cho câu hỏi trên: - Hiệu quả mép.
28
Cơ sở vật lí của quá trình bốc hơi nước đã chứng minh rằng: các phân tử nước bốc hơi và thoát vào không khí ở mép chậu nước dễ dàng hơn nhiều so với các phân tử nước bốc hơi từ giữa chậu nước. Như vậy, vận tốc thoát hơi nước không chỉ phụ thuộc vào diện tích thoát hơi mà còn phụ thuộc chặt chẽ vào chu vi của các diện tích đó. Rõ ràng là hàng trăm nghìn khí khổng trên mặt lá sẽ có tổng chu vi lớn hơn rất nhiều so với chu vi lá và đó là lí do tại sao lượng nước thoát qua khí khổng là chính và với vận tốc lớn.
Ví dụ 3: dạy nội dung: “Bón phân hợp lý cho cây trồng” bài 5 “ Trao đổi khoáng và nitơ ở thực vật” Sinh học 11 nâng cao.
Mục đích tích hợp
Thông qua việc sử dụng các công thức, HS được rèn luyện kĩ năng tư duy (phân tích, tổng hợp) và kĩ năng giải quyết vấn đề trong thực tiễn cuộc sống. Một trong các nội dung để thực hiện mục đích trên là việc HS phải xác định được mối quan hệ giữa liều lượng phân bón cho cây với sinh trưởng của cây và điều kiện môi trường (nếu lượng phân bón thiếu cây trồng sẽ không đủ dinh dưỡng để phát triển, nếu lượng phân bón thừa sẽ gây ô nhiễm môi trường và cũng ảnh hưởng đến sinh trưởng của cây).
Tổ chức dạy học
Để giúp HS xác định được mối quan hệ qua lại giữa cây trồng, phân
bón và môi trường, người dạy có thể sử dụng khái niệm “hiệu suất từng
phần” đối với lượng chất dinh dưỡng cây đã lấy từ nguồn phân bón và được
tính theo công thức:
X = (Xn - Xn-1) / (Vn - Vn-1) (theo Kimura và Chiba. 1963) Trong đó:
29
Xn : năng suất sau khi bón thêm chất dinh dưỡng Xn-1 : năng suất trước khi bón thêm chất dinh dưỡng Vn : lượng chất dinh dưỡng bón thêm
Vn-1 : lượng dinh dưỡng trước khi bón phân GV rút gọn công thức trên:
X = ∆X/∆V
Và yêu cầu người học trả lời câu hỏi: “Hiệu suất từng phần đối với
lượng chất dinh dưỡng cây đã lấy từ nguồn phân bón phụ thuộc vào những yếu tố nào?”
GV tổ chức dạy học giúp HS rút ra các kết luận sau: - Năng suất phụ thuộc vào lượng phân bón.
- ∆X/∆V nhỏ gây lãng phí phân bón.
- ∆X/∆V lớn có nghĩa là cây đã sử dụng phân bón hiệu quả.
Vì thế trong thực tiễn cần bón phân với liều lượng sao cho ∆X/∆V là hợp lý nhất.
Để tạo hứng thú cho HS và xác định được ý nghĩa của việc tính toán lượng phân bón thích hợp, từ nhu cầu dinh dưỡng và hệ số sử dụng phân bón đối với mỗi loại cây trồng, biết hàm lượng dinh dưỡng có sẵn trong đất, có thể tính ra được nhu cầu phân bón.
GV đưa ra bài tập nhỏ như sau để HS luyện tập:
“Trong điều kiện bình thường ở đồng bằng Bắc Bộ, muốn có một tạ thóc lúa chiêm cần cung cấp 1,4 kg N, lúa mùa cần 1,6 kg N. Hệ số sử dụng phân nitơ hóa học là 60%. Vậy lượng nitơ cần thiết phải bón để đạt 50 tạ thóc/ha/một vụ là bao nhiêu?
30 Lời giải
Lượng phân bón N cần với lúa chiêm là: (1,4 x 50 x 100)/60 = 116,7 kg N Lượng phân bón N cần với lúa mùa là:(1,6 x 50 x 100)/60 = 133,3 kg N
2.4.2. Các kiến thức Lý có thể sử dụng để tích hợp
Nội dung Sinh lý thực vật giới thiệu về các đặc trưng sống của cơ thể thực vật, đó là chuyển hóa vật chất và năng lượng, cảm ứng, sinh trưởng, phát triển, sinh sản. Các đặc trưng này đều bao gồm các quá trình sinh lý trong của cơ thể thực vật vì các vận động sinh học này có bản chất là các quy luật vật lý của vật chất. Như vậy, việc tích hợp các kiến thức Vật lý vào Sinh học sẽ làm sáng tỏ các kiến thức Sinh học, nâng cao hiệu quả dạy học phần Sinh lý thực vật.
* Quang phổ của ánh sáng
Hình 2.1. Quang phổ của ánh sáng
Ví dụ 4: phần “Vai trò của các nhóm sắc tố trong quang hợp” bài 7: Quang hợp Sinh học 11 nâng cao.
Mục đích tích hợp: giúp HS hiểu rõ hơn vai trò của các nhóm sắc tố trong quang hợp thông qua kiến thức về quang phổ ánh sáng.
31
Hoạt động của thầy và trò Nội dung
GV nên nhắc lại cho học sinh các kiến thức cơ bản về quang phổ của ánh sáng
Hình 2.2. Quang phổ hấp thụ của chất diệp lục
Sau đó GV yêu cầu HS quan sát hình và cho biết nhóm diệp lục a,b và nhóm caratenoit hấp thụ ánh sáng chủ yếu ở vùng nào ?
Trả lời : Nhóm diệp lục chủ yếu hấp thu ánh sáng ở vùng đỏ và vùng xanh tím.
- GV yêu cầu HS quan sát hình và trả lời câu hỏi SGK tr.33 Giải thích tại sao lá cây màu xanh ?
- Nhóm diệp lục chủ yếu hấp thu ánh sáng ở vùng đỏ và vùng xanh tím, có bước sóng ngắn và năng lượng cao, chuyển năng lượng thu được từ các photon cho quá trình quang phân li nước và các phản ứng quang hóa để hình thành ATP và NADPH
- Nhóm carotenoit sau khi hấp thu năng lượng ánh sáng sẽ truyền năng lượng thu được cho diệp lục
32
Hình 2.3. Mô hình giải thích lá cây có màu lục
Trả lời: Vì lá cây chỉ hấp thụ ánh sáng đỏ và xanh tím, không hấp thụ màu xanh .Do đó lá có màu xanh.
* Tính thấm của tế bào
Là một hệ thống hở, tế bào luôn diễn ra quá trình trao đổi chất với môi trường ngoài. Quá trình này chỉ có thể xảy ra nhờ khả năng của tế bào cho thấm hoặc giải phóng khí, nước, các chất hòa tan trong nước. Khả năng đó của từng loại tế bào, mô thể hiện rất khác nhau và bị chi phối không chỉ bởi chức năng đặc trưng của chúng mà còn phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của chúng. Tính chất đặc biệt này của tế bào gọi là tính thấm của tế bào. Tính thấm có vai trò quan trọng đối với quá trình trao đổi chất, phân bố các chất giữa tế bào và môi trường cũng như đối với bệnh lý và dược lý tế bào.
Quá trình xâm nhập của các chất vào tế bào là một quá trình rất phức tạp. Hiện nay, người ta thường phân biệt ba cách xâm nhập của vật chất vào tế bào. Vận chuyển vật chất vào tế bào theo tổng gradient không hao tốn năng lượng gọi là vận chuyển thụ động. Vận chuyển vật chất vào tế bào ngược tổng
33
gradient cần hao tốn năng lượng gọi là vận chuyển tích cực. Ngoài ra ở một số tế bào, trong những giai đoạn hoạt động nhất định, do chức năng tích cực của màng tế bào, một số chất hòa tan trong nước, các loại protein và ngay cả các hạt bao gồm số phân tử khá lớn cũng có thể xâm nhập vào tế bào, quá trình thâm nhập này gọi là thực bào và ẩm bào.
Một trong những cơ chế cơ bản của sự thâm nhập các chất vào tế bào là
hiện tượng khuếch tán.
Tốc độ khuếch tán được tính bằng biểu thức Fich: dm/dt = - DS(dC/dx) Trong đó:
dm/dt : tốc độ khuếch tán (gam/giây) dC/dx: gradient nồng độ (gam/cm2) S : tiết diện ngang (cm2)
D : hệ số khuếch tán (cm2/giây)
Hệ số D là đặc trưng cho bản chất của chất khuếch tán.
Tốc độ khuếch tán không những phụ thuộc vào bản chất của từng chất khuếch tán mà còn phụ thuộc vào chiều dày của màng. Đối với các đối tượng khác nhau, chiều dày của màng cũng khác nhau. Việc xác định chiều dày của màng rất khó khăn nên phương trình Fich được thay thế bằng phương trình:
dm/dt = -PS(C2-C1) Trong đó:
C2-C1: hiệu số nồng độ vật chất giữa tế bào và môi trường S: diện tích bề mặt của màng tế bào
34
Tốc độ thâm nhập của vật chất vào tế bào duy trì ở mức không đổi, nó phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài (đặc biệt phụ thuộc vào nồng độ của các chất ở môi trường ngoài) và vào cường độ trao đổi chất bên trong tế bào.
Màng tế bào có một đặc tính quan trọng là cho vật chất thấm qua có chọn lọc. Đối với nhiều chất, màng tế bào chỉ cho thấm qua một chiều (bán thấm). Nhờ tính chất này mà giữa tế bào và môi trường tồn tại gradient nồng độ, đáp ứng nhu cầu sống của tế bào. Chiều thấm của vật chất được quyết định bởi tính chất lí hóa của màng tế bào. Tính thấm một chiều của màng tế bào không phải là bất biến mà có thể thay đổi. Khi thay đổi tính chất lí hóa của môi trường có thể làm tăng hoặc giảm tính thấm của tế bào và mô đối với một vật chất nào đó, thậm chí thay đổi cả chiều thấm. Khả năng thấm một chiều của tế bào chỉ tồn tại khi tế bào đang còn sống. Khi tế bào bị chết thì tính thấm chọn lọc của tế bào sẽ biến mất.
* Thẩm thấu và áp suất thẩm thấu.
Thẩm thấu là sự chuyển dịch của dung môi từ dung dịch có nồng độ thấp sang dung dịch có nồng độ cao hơn qua màng. Quá trình thẩm thấu giữa hai dung dịch sẽ tiếp tục cho đến khi nồng độ của hai dung dịch bằng nhau. Quá trình thẩm thấu là một đặc trưng rất quan trọng của các quá trình sinh học.
Áp suất thẩm thấu là lực đẩy của các phân tử dung môi từ dung dịch có nồng độ thấp đến dung dịch có nồng độ cao qua màng. Áp suất thẩm thấu đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống của sinh vật. Đối với đời sống thực vật, những quá trình vận chuyển dinh dưỡng và nước từ đất vào rễ cây, lên thân, sự vận chuyển nhựa dọc theo thân cây đều gắn liền với áp suất thẩm thấu.
Áp suất thẩm th bình được ngăn cách nhau b đi qua mà không cho các ch
dịch nhưng nồng độ khác nhau (C A, tức là từ nơi có nồng đ
mực nước của bên A cao hơn bên B. C thẩm thấu lên màng ngăn, đ
đầu, dòng dung môi từ bằng khi bên ngăn A tạ dâng cao gây nên. Po đư
Hình 2.4. Thí nghi Ở nhiệt độ không đ nồng độ của chúng và đư Trong đó: P : là áp suấ R : là hằng s T : là nhiệt đ C là nồng độ 35
m thấu của các dung dịch: Khi hai phần A và B c c ngăn cách nhau bởi một màng bán thấm C (màng chỉ
đi qua mà không cho các chất tan đi qua). Hai bên đều chứa cùng m khác nhau (CA>CB). Dung môi sẽ chuyển d
ng độ thấp đến nơi có nồng độ cao hơn. Kế a bên A cao hơn bên B. Cột nước dâng lên ấy tạ
u lên màng ngăn, đẩy dung môi trở lại bên B. Tuy vậy trong th ừ B sang A vẫn lớn hơn từ A sang B. Dòng
ạo được một áp suất thẩm thấu Po nào đó do m dâng cao gây nên. Po được gọi là áp suất thẩm thấu của dung dịch ngăn A.
Thí nghiệm về áp suất thẩm thấu và màng bán thấm
không đổi, áp suất thẩm thấu của dung dịch l a chúng và được tính bằng biểu thức:
P = CRT
ất thẩm thấu thường tính theo đơn vị atmôtphe ng số = 0,082
t độ tuyệt đối = 273 + toC,
ộ dung dịch tính theo nồng độ phân tử (gam/lít).
n A và B của một ỉ cho dung môi a cùng một dung n dời từ B sang ết quả làm cho ạo một áp suất y trong thời gian A sang B. Dòng ấy chỉ cân u Po nào đó do mực nước ch ngăn A. ệm về áp suất thẩm thấu và màng bán thấm. ch luôn tỉ lệ với atmôtphe-atm gam/lít).
36
Áp suất thẩm thấu phụ thuộc vào nồng độ các tiểu phần hòa tan (số lượng các phân tử hay ion). Vì vậy, hai dung dịch có cùng nồng độ nhưng dung dịch điện phân bao giờ cũng có áp suất thẩm thấu lớn hơn dung dịch không điện phân. Biểu thức tổng quát sẽ là:
P = αCRT α : hệ số phân ly
Đối với hệ keo và các dung dịch cao phân tử loãng thì có thể áp dụng được phương trình trên nhưng cần lưu ý:
- Áp suất thẩm thấu của các dung dịch cao keo thường có giá trị bé hơn áp suất thẩm thấu của dung dịch thực, vì hệ keo có khả năng keo tụ, nên kết quả là số lượng hạt trong hệ sẽ giảm đi.
- Nếu hai hệ keo có cùng nồng độ, nhưng khác nhau về kích thước hạt do quá trình keo tụ thì ở cùng một điều kiện nồng độ, áp suất thẩm thấu của chúng sẽ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 3 của bán kính phân tử, cho nên thay đổi kích thước của hạt không đáng kể cũng dẫn tới sự thay đổi của áp suất thẩm thấu.
Đối với dung dịch thực hoặc dung dịch có nồng độ cao, thì giá trị của