我国新一轮的生物学课程改革强调对跨学科概念的教学。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》的教学建议指出，应注重学科间的横向联系，以促进学生理解跨学科的概念和过程[1]。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》新增跨学科实践学习主题，要求学生针对特定的生物学内容，综合运用多个学科的概念及“物质和能量”“因果关系”等跨学科概念，寻求科学问题的答案或制造相关产品[2]。其中，“物质和能量”既是各学科的核心概念，主要解释物质和能量的变化以揭示物理、化学、生物现象的规律及其机制，也是重要的跨学科概念，主要关注物质和能量的守恒[3]。物质和能量概念十分基础但又高度抽象，给学生的理解带来了较大的挑战，需要教师在教学中清楚解释物质和能量及其发生的变化[4]。本文旨在帮助生物学教师理解物质和能量的内涵以及二者的相互关系，并提出针对性的教学建议。 一、跨学科概念“物质和能量”的内涵 世界是由不断运动的物质构成的，能量描述了物质系统所处的状态，二者紧密相关。因此，当物质的运动形式发生变化时，能量的形式与多少也随之发生变化。但无论如何变化，封闭系统中的物质和能量都遵循守恒的定律。 （一）物质是不断运动的微观粒子构成的实体 物质是独立于人的意志而客观存在的实体，由微观粒子构成[5-6]。世界上的一切物体，无论有生命的还是无生命的，都是物质。在生物体中，构成物质的微观粒子既可以是分子，也可以是原子、离子、自由基，或者是比原子更小的基本粒子，如夸克等。此外，它们还可以是比分子更大的颗粒，如蛋白质复合物等[7]。其中，由单个分子通过聚合作用而形成的相对高分子质量的化合物被称为生物大分子，包括蛋白质、核酸、糖类和脂质，是细胞结构和功能的基本单位，也是研究生命现象的物质基础。 构成物质的微观粒子是不断运动的，因而人们感知到的世界是变化的[6]。湿衣服通过晾晒变干就是分子运动的体现。通常情况下，空气中温度越高，湿衣服变干的速度越快，这是因为温度越高，分子运动越剧烈。在生物体内，分子始终发生着激烈的热运动，分子移动位置，给化学反应提供能量，以及通过高频率的分子碰撞维持生化反应的正常发生[7]。无论是物质的合成还是分解，都要依靠分子的激烈热运动完成，如DNA的合成需要4种核苷酸以远远高于每秒8000次的频率与合成中心碰撞[7]。再如，淀粉水解的过程中，淀粉酶把淀粉分子中的粒子“拉扯”开，通过暴露出淀粉中的化学键使其变得“易于被攻击”，最终在分子热运动的冲击力下断开该化学键。 多种粒子间的不同组合方式形成了多样的物质形式，不断运动的粒子又赋予了物质多样的运动形式[5]。例如，在神经冲动的传递中，电荷的运动形成局部电流；葡萄糖分子中的原子之间通过共用外层电子的化学运动实现结构的稳定。正是物质的这种多样性特征奠定了生物的多样性，使得从微生物到高等生物都有着各自独特的结构和行为模式。这些生物之间以及它们与环境之间的相互作用，共同塑造了精彩的生命世界。 （二）能量是对物质运动规模和程度的量度 能量是物质系统的状态量[8]，描述了物质运动规模和程度的量化特征，即反映构成物质的粒子的大小、数量、运动范围、运动激烈程度的综合状态。能量越多，让物质运动改变的能力或本领就越大。这一概念的提出，基于科学家对物质运动形式之间的普遍联系和转化的深入探索[9]，如电池中物质的化学运动向电运动转化，电解则实现了物质的电运动向化学运动的转化。随着物质运动形式被越来越多地发现，科学家不再满足于使用一些物理量分析和比较同种形式的物质运动，如使用电流、电压、电势等分析电运动等；而是想要一种新的统一的框架[9]，能够将不同形式的物质运动放在相同的标准下进行分析和比较。于是“能量”被提出，代替了以往那些描述模糊的“活力”“某种能做功的物质”等概念，促使不同形式的物质运动的规模和程度能够被数值化并进行计算。自此，科学界使用“焦耳”作为能量的单位来衡量动能、热能、电能、化学能等。 科学界对能量的定义多样，如四维空间的物理量、具有守恒性质的东西、系统在理想条件下能做的功的量、让物质运动发生变化的本领等[10]。这些定义从不同的角度描述了能量的性质或特征，抽象程度和理解难度也不同。其中，从“做功”角度出发的能量定义被广泛地应用在学校教学中，如人教版八年级（下册）《物理学》第11章第3节中指出，能够对外做功的物体具有能量，能做的功越多表明物体具有的能量越大。在这一定义下，物体能量的变化就是做功的量。 （三）能量因物质运动形式不同而表现出不同的形式 物质的运动形式决定了其构成粒子的运动状态，而不同的运动状态对应表现出不同的能量形式[11]。例如，当物质发生位移时，可以考虑动能和势能及二者的变化。在生物学中，化学能、生物能、热能、内能是常见且易混淆的概念，如表1所示。凡是物质均具有内能和热能，热能是内能的一部分；化学能出现在化学反应中，生物能是以生物为载体的化学能。 （四）物质和能量密不可分
