以史为鉴的生物学概念教学——以“神经冲动的产生和传导（第一课时）”为例
时间：2023-06-11 21:40:07 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
韦银凤
（江苏省无锡市洛社高级中学 江苏无锡 214187）
“内容聚焦大概念”是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）的基本理念之一。新教材围绕大概念来构建内容体系，并构建了大概念、重要概念和次位概念的三级概念体系。传统教学缺乏对核心概念的深刻理解和建构过程，学生往往生成碎片化的概念，难以形成结构化的大概念并进行迁移和应用。因此，概念教学亟待探索和实践。
生物学概念往往是在漫长的研究历程中逐步建立并完善的。要深刻理解概念的内涵，亲历概念的建构过程无疑是最有效的方式。科学发现史是最佳的素材来源之一，教师可将其转化为可实施的实验、可开展的探究活动，创设系列教学情境，设计连贯的学习任务，借助现代化教学手段，推动概念的逐步生成，使学生在深度的学习体验中建构概念，提升学科素养和关键能力。下文以人教版《选择性必修1·稳态与调节》第二章第三节“神经冲动的产生和传导”第一课时为例，进行生物学概念教学实践，以探索概念教学的有效策略。
1.1 教学内容分析
神经冲动的产生和在神经纤维上的传导，隶属于次位概念“阐明神经细胞膜内外在静息状态具有电位差，受到外界刺激后形成动作电位，并沿神经纤维传导”，服务于重要概念“神经系统能够及时感知机体内、外环境的变化，并作出反应调控各器官、系统的活动，实现机体稳态”。学生已经了解神经系统通过反射的基本方式来完成调节活动。反射传导的是兴奋，但兴奋的本质是什么？兴奋是怎样产生，又是如何传导的？回答这两个问题则需要全新建构的概念。学生学完本节内容要能够从细胞水平上阐明神经调节的内在机制，体会神经调节准确、迅速的特点，进而认同神经调节对机体稳态调节的重要性。
1.2 创设学习任务
基于《课程标准》的内容要求，围绕核心概念的建构，笔者创设系列情境化的学习任务（图1）。
图1 目标导向的系列学习任务
2.1 感知兴奋的产生和传导过程
学生以蛙坐骨神经-腓肠肌标本为材料，以学习小组为单位进行体验活动：用锌铜弓刺激蛙的坐骨神经，观察腓肠肌的反应。学生在真实的体验活动中，对兴奋传导速度之快会获得感官上的直观体验。
教师提出问题：刺激坐骨神经后产生的兴奋最可能以一种什么信号形式在神经纤维上传导？学生根据知识经验说出“电流”等。教师追问：这个过程中是否真有电流产生？下面可通过实验进行验证。
2.2 探究兴奋在神经纤维上的传导形式
2.2.1 检验蛙的坐骨神经受刺激后是否有电流产生
教师介绍实验设计：在数字化实验分析仪上连接微电流传感器，将传感器的两个电极分别夹在坐骨神经上，每5 s用锌铜弓刺激一次坐骨神经，同时利用分析仪中的“Edislab Pro”软件对电流信号进行采集和记录。学生自主阅读操作流程及注意事项后小组合作开展探究活动。教师利用希沃白板中的投屏功能同步展示各小组的结果，并请小组代表阐述记录到的结果。实验结果显示每刺激一次坐骨神经，就会立即出现一个电流信号，说明坐骨神经受到刺激后的确有电流产生。
2.2.2 确认兴奋在神经纤维上传导的信号形式
教师将经典的生物科学史进行精心设计，转化为问题情境，巧妙地穿插于教学活动之中，帮助学生确认兴奋在神经纤维上的传导形式。
教师提出问题：检测到的电流信号是否一定就是蛙的神经自身产生的，还需要做进一步的确认。并介绍科学史上著名的伽尔瓦尼与伏特之争：伽尔瓦尼认为蛙肌肉收缩是因为蛙的组织产生了电流即生物电。而物理学家伏特则认为产生电流是因为两种不同的金属之间存在电位差。为了证明的确有生物电的存在，伽尔瓦尼及其后继者又进行了一系列的研究。
教师展示如下实验：制备两个独立的神经-肌肉标本，将2号标本的神经断面搭到1号标本的神经上，只给予2号标本以金属刺激（图2）。并提出问题：1号标本的肌肉会收缩吗？对于1号标本其刺激来源是什么？如果1号标本的肌肉也可收缩，可以说明什么？
图2 蛙腿肌肉收缩实验
学生分析后，得出：1号标本的刺激来源是2号标本的神经。如果1号标本的肌肉也能收缩，就可以说明神经组织自身可以产生电信号。教师播放提前录制的关于实验结果的视频，1号标本与2号标本的肌肉都发生了收缩。学生观看后，得出结论：兴奋在神经纤维上的确是以生物组织自身产生的电信号的形式传导的。教师补充：这种电信号也称为神经冲动。
2.3 阐述兴奋在神经纤维上的产生机制
2.3.1 实验材料枪乌贼的发现
教师将科学史转化为环环相扣的问题，驱动学生的思维：科学家发现神经细胞在未受到刺激时其膜内、外本就存在着电位差。如何直接测量神经细胞膜内、外的电位差？学生提出需要有单个的神经细胞、测量工具。简介电位仪后，教师继续提问：电位仪的两个电极应该如何放置？学生提出一个电极放在膜外，一个插入膜内。教师追问：用蛙的坐骨神经作为材料可行吗？并介绍蛙的坐骨神经干是由若干神经纤维集结而成，其单根神经纤维直径非常细，难以将电极插入其中。继而提问：如何突破这项研究？学生提出需要神经纤维足够粗，记录电极足够细。接着，教师再介绍：英国解剖学家杨发现枪乌贼的神经中单根轴突的直径异常粗大，是研究电生理的绝佳材料，且微电极技术长足发展，使得将微电极直接插入神经纤维内成为可能。
2.3.2 静息电位与动作电位概念的生成
教师介绍生理学家霍奇金和赫胥黎将微电极插入枪乌贼轴突内部记录到的结果。学生分析，总结：在静息时膜内、外的电位表现为“内负外正”，生成“静息电位”的概念。继而，教师再展示枪乌贼轴突受电刺激后得到的研究结果。学生分析图示后，总结出当受刺激后神经细胞膜内、外的电位会出现反转，即由静息时的“内负外正”转变为“内正外负”，从而生成“动作电位”的概念。
2.3.3 静息电位与动作电位产生机制的阐述
教师将科学史实转化为学生进行模型构建的事实依据，通过建模将细胞水平微观的动态变化过程直观地呈现出来，使学生在演示和阐述的过程中深刻理解兴奋产生的离子机制，在训练学生科学思维的同时，渗透了结构与功能相适应的生命观念。
教师提出问题：膜内、外的电位表现最可能与什么因素有关？学生提出可能与膜内、外离子的分布有关。教师以资料、数据呈现当时的研究背景，学生分组合作在神经元细胞膜模型上，利用Na+、K+模型、构建出两种离子在膜内、外的分布概况。
教师提出问题：这样的一种离子排布与静息电位和动作电位的形成有什么关联？并呈现当时的主要研究成果资料。资料1：当细胞膜处于静息状态时K+极易通过细胞膜，而细胞膜对其他离子通透性极低。利用能斯特方程计算出的静息状态下的钾离子平衡电位与实际测量的静息电位值非常接近。降低膜外的钾离子浓度后，测得静息电位的绝对值将增大。资料2：1947年，霍奇金和赫胥黎进行了如下实验，将枪乌贼巨神经纤维神经膜外的钠离子全部移去，结果神经轴突无法产生动作电位；
如果增加了枪乌贼巨神经纤维神经膜外的钠离子浓度，结果神经轴突动作电位幅度将增大。资料3：霍奇金和赫胥黎假设介导钠离子内流的是膜上的钠离子通道。他们将按照这一假设得到的理论结果与实验测定值进行比较，发现二者高度一致。
学生分析资料，得出静息电位与动作电位的产生主要与Na+、K+的流动有关，并主要借助于膜上相应的离子通道来实现。进而，学生分析出静息电位产生的主要原因是在静息状态下膜上K+通道打开，K+外流，而动作电位产生的主要原因则是受到刺激后膜上Na+通道打开，Na+内流所引起。在此基础上，学生借助模型精确阐述了静息电位与动作电位产生的主要离子机制（图3、图4）。
图3 静息电位产生的主要机制
图4 动作电位产生的主要机制
2.4 探讨兴奋在神经纤维上的传导机制
教师将教材中的静态图片转化为动态的模型，引导学生在借助模型进行阐述的过程中将思维可视化，并同步暴露出其思维的误区和困惑。经过解释和修正之后而建立起来的概念将是立体的、深刻的。
教师提出问题：产生的兴奋又是如何迅速在神经纤维上传导的呢？
学生以学习小组为单位，借助模型构建出神经元接受刺激后，A区域产生的动作电位如何相继传导到B、C区域的动态过程，并进行演示和阐述，最终建构起神经冲动在神经纤维上的传导机制（图5）。
图5 兴奋（神经冲动）在神经纤维上的传导机制
2.5 分析生物电的研究在生活中的应用
教师介绍心电、脑电、肌电等生理电活动的监测在临床上的广泛应用，麻醉剂如普鲁卡因（一种钠离子通道阻断剂）等的使用对于外科手术的历史性贡献，展示电生理学的研究和发展对人类生活的重要价值和意义。学生自然体会到科学研究的重要价值和深远意义，认同科学研究是造福人类的伟大事业，激发其将来从事科学研究的热情，提升社会责任素养。
教师引导学生建构概念图（图6）。
图6 学生建构的概念图
神经冲动的产生及其在神经纤维上的传导机制所凝练的几个核心概念，均需要在细胞水平来阐述，理解难度大，因此创设良好的学习情境对于概念的建构尤为重要。本节课上，教师利用科学研究中的事实作为材料，连接学生的旧有经验，促进学生发现与生物学相关的问题，从而助力于概念的建构、观念的提炼以及思维的训练。教师借鉴科学史实，设计系列学习情境，通过优化的实验方案、原创性的模型，遵循学生的认知规律，将实验探究、模型构建设置于学习任务的驱动下环环相扣地展开，并巧妙服务于概念的建构过程。以科学发现史作为概念教学的素材，做到了课堂中让学生有体验，有感受，更加有思考。学生亲历了每个核心概念建构的完整过程，进而建立概念之间的内在联系，有利于形成结构化的概念，同时也提升了学生的生物学学科核心素养。
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