Inhoud
- Wetenschapsdisciplines definiëren en integreren
- Integratie van biologie en chemie
- Integratie van biologie en natuurkunde
- Integratie van biologie, scheikunde en natuurkunde
- Biologie, scheikunde of natuurkunde?
Veel middelbare scholen onderwijzen biologie, scheikunde en natuurkunde als afzonderlijke klassen. Afzonderlijke klassen kunnen suggereren dat de onderwerpen geen verband houden, maar dit zou een onjuiste veronderstelling zijn. Geïntegreerde wetenschapsklassen verbinden steeds meer de onderwerpen biologie, scheikunde en natuurkunde.
Wetenschapsdisciplines definiëren en integreren
Zoals Merriam-Webster ze definieert, is biologie de studie van het leven, meer specifiek "een tak van kennis die zich bezighoudt met levende organismen en vitale processen"; chemie bestaat uit "een wetenschap die zich bezighoudt met de samenstelling, structuur en eigenschappen van stoffen en met de transformaties die ze ondergaan"; en natuurkunde betekent "een wetenschap die zich bezighoudt met materie en energie en hun interacties."
Integratie van biologie en chemie
De relatie tussen chemie en biologie biedt veel mogelijke verbanden en wetenschappelijke experimenten voor studenten in de biologie. Alle leven hangt af van chemische processen. Het chemische proces van fotosynthese, dat de energie van de zon gebruikt om water en kooldioxide om te zetten in glucose (suiker), vormt de basis van de meeste voedselketens. Net als fotosynthese slaat chemosynthese energie op door middel van chemische processen en ondersteunt het de voedselketens langs diepzee-openingen, wat suggereert dat het leven op andere planeten en manen het vroegste leven op aarde mogelijk is.
Bioluminescentie betekent levend licht. Chemische processen in verschillende organismen, variërend van planten tot schimmels tot dieren, waaronder dinoflagellaten, kwallen en zeeduivel, creëren dit levende licht. Spijsvertering en cellulaire ademhaling zijn ook afhankelijk van chemische reacties in levende organismen. Inzicht in de chemie van de olieproductie, gebaseerd op de afbraak van algen onder hitte en druk, biedt een oplossing voor de wereldwijde energiecrisis door aardolie uit algen te maken, maar het creëert mogelijk een nieuwe milieucrisis door het voortdurende gebruik van voorheen niet-hernieuwbare fossiele brandstoffen.
Integratie van biologie en natuurkunde
De fysica van levende organismen biedt ook kansen voor wetenschappelijke experimenten voor studenten biologie. Natuurkunde omvat de studies van mechanica, warmte, licht, elektriciteit en geluid. Studies van de energie die wordt gebruikt door levende organismen, of het nu gaat om fotosynthese of cellulaire ademhaling, vervagen de grens tussen biologie en fysica. Bioluminescentieonderzoek bestudeert zowel de energie als het licht dat wordt gegenereerd door organismen en combineert fysica en biologie. De elektriciteit van het zenuwstelsel, de mechanismen die winterslaap of estivatie veroorzaken, en de gevoeligheid van het netvlies en het trommelvlies passen de fysische principes toe op de mechanismen van organismen.
Onderzoek naar de krachten die botten breken, biedt inzicht in biomechanische ontwerpen voor het herstellen van diezelfde botten tot hun vooraf gebroken sterkte en suggereert methoden om ecologische of genetische defecten of tekortkomingen te corrigeren. Inzicht in de mechanica en structurele vereisten van verschillende lichaamsgewrichten heeft al de informatie opgeleverd die nodig is om vervangende knie-, heup- en schoudergewrichten te ontwerpen.
Integratie van biologie, scheikunde en natuurkunde
Organismen, levend, dood of uitgestorven, functioneren vanwege hun gecombineerde biologische, chemische en fysische elementen. Begrip uit deze disciplines biedt inzicht in de evolutionaire en structurele kenmerken van organismen. Bomen staan bijvoorbeeld omdat de cellulose in hun celwanden en het water dat in hun vacuolen is opgeslagen, de structurele sterkte bieden om de bomenbiomassa op te houden, inclusief de bladeren die water en koolstofdioxide omzetten in energie om de chemische processen die cellen toelaten te voeden groeien en reproduceren om nieuwe cellen te vormen. Inzicht in de structurele sterkte van botten en de chemische processen van metabolisme helpt wetenschappers de biologie van uitgestorven organismen zoals dinosaurussen en mariene reptielen te begrijpen en opnieuw te creëren. Het bestuderen van de fysica en chemie van aardgebonden biologische systemen suggereert het bestaan en de structuren van potentiële levensvormen onder buitenaardse omstandigheden.
Biologie, scheikunde of natuurkunde?
Veel hogescholen bieden nu geïntegreerde wetenschappelijke programma's in plaats van geïsoleerde studies in de biologie, scheikunde of natuurkunde. Deze universiteitsprogramma's erkennen de interconnectiviteit van wetenschappelijke disciplines. De huidige kleuterschool door middel van middelbare school wetenschapsnormen richten zich op geïntegreerde wetenschap, met een toenemende nadruk op onderling verbonden wetenschap, technologie, engineering en wiskunde (STEM of, met de toevoeging van kunst, STEAM) onderwijs. Veel hogescholen, variërend van Princetons Integrated Science Curriculum tot University of Oregons Department of Chemistry and Biochemistry tot the Biology Department aan Harvey Mudd College, bieden nu cursussen en graden aan die zich niet beperken tot een enkele traditionele wetenschappelijke discipline.