神經(jīng)調(diào)節(jié)中興奮產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)

李宏偉 孫立新

一、教材分析

“通過神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)”是人教版高中生物學(xué)必修3“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊中的重點章節(jié)，也是高考的熱點知識。

本節(jié)教學(xué)內(nèi)容源自人教版教材P18小字內(nèi)容。該部分內(nèi)容在現(xiàn)行的人教版教材中未涉及過多篇幅來介紹動作電位的形成分析方法和過程，但是浙教版教材卻做了詳細的介紹。這部分知識要求學(xué)生能夠分析靜息電位和動作電位產(chǎn)生的原因及運用物質(zhì)跨膜運輸方式的特點來解釋離子進出神經(jīng)細胞的特點，其中靜息電位和動作電位產(chǎn)生時離子進出神經(jīng)細胞的特點是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點內(nèi)容。

這部分內(nèi)容在近年來的高考題中有不同程度的考查，會涉及離子跨膜運輸?shù)南嚓P(guān)知識，也會涉及有關(guān)動作電位的波形分析。因此在教學(xué)中我們很有必要對這部分內(nèi)容加以深入的探究和學(xué)習(xí)。

二、教學(xué)過程

1.驗證神經(jīng)沖動以電信號方式傳播

如果用電刺激蛙的坐骨神經(jīng)腓腸肌，可以發(fā)現(xiàn)其肌肉會立即收縮，而且這個反應(yīng)非常迅速。

問1.感受器受到刺激后會形成神經(jīng)沖動，沖動繼續(xù)傳播使效應(yīng)器肌肉做出了相應(yīng)的應(yīng)答。這個過程用時很短，也就是說沖動傳播速度非常快。請問神經(jīng)沖動是化學(xué)信號還是電信號？

問2.生物學(xué)上的電信號反應(yīng)與物理學(xué)科的電學(xué)實驗原理是一樣的。你能設(shè)計實驗驗證神經(jīng)沖動是電信號嗎？

設(shè)計意圖：以生物學(xué)的知識引出課堂研究的主題，并采用學(xué)科相融的觀點，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與能力發(fā)展做好鋪墊。在學(xué)生自主發(fā)言，相互討論和觀點交流的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)：利用電流表可以驗證在神經(jīng)沖動傳遞過程中是否產(chǎn)生了電流，如果有電流產(chǎn)生則說明神經(jīng)沖動就是以電信號的方式傳播。給出提示——在蛙的坐骨神經(jīng)上連接上兩個微電極，然后與一個電流表相連接。電流表指針靜止時，神經(jīng)表面不存在電位差;用電刺激神經(jīng)，電流表指針快速發(fā)生偏轉(zhuǎn)，證明電信號產(chǎn)生，興奮以電信號形式傳導(dǎo)。

2.驗證電信號傳遞的生物學(xué)方式

（1）靜息電位時

科學(xué)家研究過很多脊椎動物其軸突直徑最大都在0.02mm，最新發(fā)現(xiàn)槍烏賊的神經(jīng)軸突的直徑可達1mm。無疑槍烏賊的軸突就是研究膜電位的最佳材料之一?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)靜息狀態(tài)下神經(jīng)細胞膜的兩側(cè)也有電位差，示波器顯示器差值為-70mV，說明膜內(nèi)電壓明顯低于膜外。因而說明靜息電位時細胞內(nèi)為負電荷，而細胞外是正電荷。

問1.請結(jié)合課本資源解釋這一現(xiàn)象可能出現(xiàn)的原因。

學(xué)生猜測K+流向膜外導(dǎo)致。

問2.如何驗證這一假設(shè)是否成立？

學(xué)生結(jié)合化學(xué)平衡原理，提出設(shè)想，在細胞外液中再加以一些K+，打破原有的電位差，觀察示波器的數(shù)值會如何變化。

因?qū)嶒炇覘l件限制，這個實驗采用多媒體演示實驗代替，證明學(xué)生的假設(shè)可行性，并驗證相關(guān)結(jié)論。教師進一步提出反思性問題：膜內(nèi)側(cè)K+是否會一直外流，它的運動受什么影響？進而得出結(jié)論，當(dāng)膜內(nèi)外的電位差穩(wěn)定在-70mV，K+停止運動。這部分知識與化學(xué)平衡移動原理相通，學(xué)生很容易理解。

（2）動作電位時

動作電位時研究過程與靜息電位時相類似，主要區(qū)別在于實驗開始時要給予神經(jīng)細胞膜一定的電位刺激，使其電位差發(fā)生改變。通過示波器觀察動作電位發(fā)生過程中電位差的數(shù)值變化，以研究膜內(nèi)外離子的運動情況。

這個過程同樣是以多媒體演示實驗來完成，在觀看過程中可以發(fā)現(xiàn)示波器的數(shù)字發(fā)生了一個明顯的變化：由-70mV逐漸上升到0并出現(xiàn)+35mV的峰值。邊播放電子演示實驗，邊通過問題引導(dǎo)學(xué)生有效思考：這一過程中細胞膜內(nèi)外的離子可能產(chǎn)生了哪些變化？結(jié)合教材內(nèi)容給出自己的解釋。并提出問題：Na+是以何種方式內(nèi)流的？Na+會一直內(nèi)流嗎？

設(shè)計意圖：通過層層的問題引導(dǎo)，讓學(xué)生既能認真觀察實驗現(xiàn)象，同時認真思考實驗中的一些細節(jié)問題，加強學(xué)生對教材內(nèi)容的理解和鞏固。

（3）回歸靜息電位

神經(jīng)興奮結(jié)束后，再次測定細胞內(nèi)外的K+濃度和Na+濃度，可以發(fā)現(xiàn)與實驗開始前時幾乎相同。這進一步說明K+和Na+在神經(jīng)細胞膜內(nèi)外雙向流動的特征。與課本內(nèi)容完全相符，這時候教師可以再縱向延伸，引導(dǎo)學(xué)生思考神經(jīng)細胞膜內(nèi)外的離子跨膜運輸方式，進一步彰顯生物教學(xué)的整體性。

三、教學(xué)反思

通過本節(jié)課的教學(xué)，發(fā)現(xiàn)在課堂上以一系列提問串的提問方式能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)探究的興趣，并且促進學(xué)生能夠積極地參與課堂學(xué)習(xí)。學(xué)必有疑，疑必有思，只有設(shè)置情景引發(fā)學(xué)生思考，才能使學(xué)生主動學(xué)習(xí)。因此在備課時要設(shè)計有針對性、啟發(fā)性、趣味性和探究性的問題，以激發(fā)學(xué)生的積極思維。在課堂教學(xué)中，老師需要合理地創(chuàng)設(shè)情境，有效地分層引導(dǎo)，起到主導(dǎo)作用，才能讓學(xué)生有更多時間思考、提問，主動參與學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮主體作用，取得更好的學(xué)習(xí)效果。

注：本文系2018年度甘肅省“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題《基于整體性教學(xué)設(shè)計的高中生物學(xué)教學(xué)策略研究》階段性成果，課

題批準(zhǔn)號為：GS[2018]GHB0359。

編輯 馮志強