數(shù)字化實(shí)驗(yàn)下“內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要性”的教學(xué)實(shí)踐

朱云鵬 王嵐

摘要：本文借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，從內(nèi)環(huán)境的理化性質(zhì)pH切入，開展實(shí)驗(yàn)獲得證據(jù)，建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，幫助學(xué)生建立內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)這一重要概念，進(jìn)而樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)?pH

《2017年普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》高度關(guān)注學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。核心素養(yǎng)涵蓋生命觀念、理性思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任四個方面的要求，其中生命觀念主要包括結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、物質(zhì)與能量觀等。本文正是選取內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的理化性質(zhì)中pH為切入點(diǎn)，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)獲得直觀證據(jù)，幫助學(xué)生建立數(shù)學(xué)模型，從定量的角度去分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲取證據(jù)，幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)探究能力，樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀，同時(shí)增強(qiáng)社會責(zé)任感。

一、演示實(shí)驗(yàn)，引出穩(wěn)態(tài)概念

教師在上課開始時(shí)先做一個簡單的學(xué)生飲食習(xí)慣調(diào)查：是否有吃東西蘸醋的習(xí)慣？是否有喝蘇打水的習(xí)慣？學(xué)生聯(lián)系自身實(shí)際，積極回答。教師追問：這些酸性或堿性食物進(jìn)入內(nèi)環(huán)境，內(nèi)環(huán)境的pH能否保持穩(wěn)定嗎？機(jī)體代謝會產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)嗎？學(xué)生聯(lián)系細(xì)胞呼吸內(nèi)容，提出機(jī)體通過無氧呼吸會產(chǎn)生乳酸這一酸性物質(zhì)，并根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，做出理性假設(shè)：認(rèn)為內(nèi)環(huán)境pH不會明顯變化。當(dāng)然為了解決問題，教師組織學(xué)生利用pH傳感器、滴數(shù)傳感器、酸堿滴定管、帶鐵架的磁力攪拌器組裝實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。開展實(shí)驗(yàn)探究，向血漿中分別滴加少量的HCl和NaOH，可得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2。全班學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：無論酸性物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)環(huán)境還是堿性物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)環(huán)境都不會引起pH發(fā)生巨大變化，內(nèi)環(huán)境能夠維持pH的穩(wěn)定。

教師追問：那內(nèi)環(huán)境的其他理化性質(zhì)如體溫能否保持穩(wěn)定？內(nèi)環(huán)境的成分又能否保持穩(wěn)定？然后生物興趣小組展示他們調(diào)查得到的學(xué)材：血常規(guī)檢查化驗(yàn)單和“家庭成員一天內(nèi)體溫變化調(diào)查表”，并提出他們的學(xué)習(xí)困惑。學(xué)生在真實(shí)調(diào)查結(jié)果的輔助下得出內(nèi)環(huán)境的成分和理化性質(zhì)，能保持穩(wěn)定，繼而師生共同總結(jié)得出：內(nèi)環(huán)境的各種成分含量并非是恒定不變的，而是處于一種動態(tài)變化中，而且健康人體的內(nèi)環(huán)境其他方面的理化性質(zhì)也都能處在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。所以，健康人體的內(nèi)環(huán)境能夠保持著相對穩(wěn)定的狀態(tài)。教師補(bǔ)充科學(xué)發(fā)現(xiàn)背景資料——穩(wěn)態(tài)概念的提出和發(fā)展，梳理歸納得出穩(wěn)態(tài)的概念，明確穩(wěn)態(tài)這一生命科學(xué)的基本概念在生物學(xué)中的地位和意義。

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生熟悉的日常生活中提出探究性問題，創(chuàng)建合理的學(xué)習(xí)情境，將課內(nèi)、課外探究性學(xué)習(xí)活動高效地結(jié)合到一起。學(xué)生在問題串的引導(dǎo)下有目的、有步驟地開展實(shí)驗(yàn)探究，完成對相關(guān)事物的觀察、描述、抽象與概括。這樣以探究活動為課堂起點(diǎn)的教學(xué)一方面能夠直接促成學(xué)科核心素養(yǎng)中“理性思維”“科學(xué)探究”的落實(shí)，另一方面也能夠間接促成另外兩個核心素養(yǎng)的達(dá)成。

二、模擬實(shí)驗(yàn)，探尋機(jī)體pH穩(wěn)定的調(diào)節(jié)機(jī)制

正常機(jī)體為什么能夠維持穩(wěn)態(tài)呢？師生繼而共同探究內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)機(jī)制。學(xué)生小組討論，設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)方案——利用pH傳感器檢測向緩沖溶液、蒸餾水分別滴加NaOH和HCl之后的pH 變化。如圖3和圖4。

教師追問：（1）對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2、3、4中pH變化曲線，血漿更像哪種溶液？（2）鼓勵學(xué)生大膽解釋緩沖液pH變化情況與蒸餾水pH變化情況不同的原因。（3）滲透學(xué)科交叉思想，明確機(jī)體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制。對比pH變化曲線圖，學(xué)生能夠很容易得出機(jī)體的pH變化更像緩沖液，pH變化不明顯。對于第2個問題，教師提示學(xué)生結(jié)合已有的化學(xué)酸堿平衡知識，通過小組討論得出：緩沖液中Na2HPO4呈酸性，可以與酸性物質(zhì)中和;而NaH2PO4呈堿性，可以與堿性物質(zhì)中和。蒸餾水則不一樣，所以加入酸堿之后，pH變化很大。針對第3個問題，學(xué)生能夠通過類比推理得出血漿中也可能含有緩沖物質(zhì)用于維持pH的穩(wěn)定。學(xué)生聯(lián)系細(xì)胞呼吸可以生成CO2的知識，不難推測出內(nèi)環(huán)境中可能存在的緩沖物質(zhì)是：H2CO3/NaHCO3。當(dāng)機(jī)體酸性代謝產(chǎn)物乳酸進(jìn)入血漿中，會與NaHCO3反應(yīng)，生成H2CO3和乳酸鈉，而當(dāng)堿性物質(zhì)Na2CO3進(jìn)入血漿后，會與H2CO3反應(yīng)生成NaHCO3，因而并沒有引起機(jī)體的pH 明顯變化。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生針對提出的問題，利用pH傳感器，設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過類比推理，得出初步結(jié)論，在量的變化中理解內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的本質(zhì)，不僅水到渠成地發(fā)展了學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)探究能力，同時(shí)也提升了語言表達(dá)能力以及合作交流能力。

三、建構(gòu)概念圖，樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀

教師繼續(xù)追問：反應(yīng)生成過多的H2CO3和NaHCO3的去向呢？教師展示機(jī)體與外界環(huán)境的物質(zhì)交換模型動畫演示，提問：（1）機(jī)體需要的葡萄糖、氨基酸等有機(jī)物、水、O2通過哪些器官或系統(tǒng)到達(dá)內(nèi)環(huán)境？（2）機(jī)體代謝產(chǎn)生的廢物和CO2通過哪些系統(tǒng)或器官排出體外？學(xué)生識圖分析討論，并完成教師提供的概念圖，如圖5。

依據(jù)以上內(nèi)容，師生共同梳理完善機(jī)體保持pH穩(wěn)定的調(diào)節(jié)機(jī)制：當(dāng)機(jī)體代謝產(chǎn)生乳酸等酸性物質(zhì)進(jìn)入血漿后，與NaHCO3中和，轉(zhuǎn)化為乳酸鈉和H2CO3，H2CO3是一種弱酸，會分解成CO2和水，過多的CO2會經(jīng)過呼吸系統(tǒng)到達(dá)外環(huán)境;而當(dāng)堿性食物通過消化系統(tǒng)進(jìn)入內(nèi)環(huán)境后，會與H2CO3發(fā)生反應(yīng)生轉(zhuǎn)化為NaHCO3。過多的NaHCO3會以無機(jī)鹽的形式通過泌尿系統(tǒng)排出體外。

學(xué)生通過具體實(shí)例遷移思考得出：除內(nèi)環(huán)境的理化性質(zhì)pH以外，內(nèi)環(huán)境的其他理化性質(zhì)和內(nèi)環(huán)境中的各種成分要保持穩(wěn)定，需要包括呼吸、消化、循環(huán)、泌尿等多個系統(tǒng)和器官參與。

教師提問：在維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的過程中，如何能保證各器官和系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合呢？學(xué)生自主研讀課本，能夠認(rèn)同：神經(jīng)—體液—免疫調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)是機(jī)體維持穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)機(jī)制。并認(rèn)識到科學(xué)知識是在不斷發(fā)展和修正的，不要盲目迷信權(quán)威，要敢于質(zhì)疑和挑戰(zhàn)。

設(shè)計(jì)意圖：教師為了幫助學(xué)生形成內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)這一重要概念進(jìn)而建立“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”，一方面可以給予學(xué)生各種契合學(xué)生經(jīng)歷、豐富且具有代表性的事實(shí)例來為學(xué)生的概念形成提供支撐，如體溫日變化表;另一方面，還要警惕教學(xué)活動不應(yīng)僅僅停留在讓學(xué)生識記一些零散的生物學(xué)知識的層面上，還可以依靠對概念圖建構(gòu)和逐步完善，通過對知識的抽象和概括，幫助學(xué)生促成生物學(xué)概念的構(gòu)建，并以此來整合有效的知識網(wǎng)絡(luò)，為學(xué)生能夠在新情境下解決相關(guān)問題打好基礎(chǔ)。

四、聯(lián)系生活，增強(qiáng)社會責(zé)任感

教師展示向血漿中滴加過量的HCl和NaOH之后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6。

得出結(jié)論：機(jī)體維持pH穩(wěn)定的能力是有限的。當(dāng)外界環(huán)境變化過于劇烈，或者人體自身的調(diào)節(jié)功能受到一定損傷時(shí)，內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)是能被打破的。教師呈現(xiàn)酸中毒和堿中毒的相關(guān)資料，酸中毒——當(dāng)人體血漿中pH<7.36，輕微酸中毒者常會感到身體乏力、口渴、心慌等;嚴(yán)重酸中毒者會發(fā)生胃酸過多、神經(jīng)衰弱、疲勞倦怠等。堿中毒——當(dāng)人體血漿中pH>7.44 時(shí)稱為堿中毒。輕微堿中毒可以出現(xiàn)呼吸頻率增快，煩躁不安，嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)四肢麻木、肌肉痙攣、意識障礙和呼吸衰竭等。

師生共同總結(jié)得出：人體維持內(nèi)環(huán)境pH的相對穩(wěn)定具有極其重要的意義。教師請同學(xué)結(jié)合自身經(jīng)歷，談?wù)劮€(wěn)態(tài)失衡的癥狀和危害，比如發(fā)燒、嚴(yán)重腹瀉后、高原反應(yīng)、糖尿病等。學(xué)生明確：機(jī)體內(nèi)生命活動的有序進(jìn)行必須要有內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)作為保障，但是穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)能力是相對的，所以平時(shí)應(yīng)注意依據(jù)外界環(huán)境的改變，做出應(yīng)對措施，要堅(jiān)持身體鍛煉，增強(qiáng)機(jī)體的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力，堅(jiān)持健康的飲食習(xí)慣和有規(guī)律作息習(xí)慣等。

設(shè)計(jì)意圖：在教學(xué)中將生物學(xué)與學(xué)生的日常生活等內(nèi)容密切結(jié)合，鼓勵學(xué)生將生物學(xué)學(xué)習(xí)融入到現(xiàn)實(shí)生活情境中，學(xué)會運(yùn)用生物學(xué)原理和方法對社會熱點(diǎn)問題做出理性分析，同時(shí)向他人宣傳健康的生活方式。

責(zé)任編輯：黃大燦