生物學(xué)模型與問題導(dǎo)引激發(fā)學(xué)科素養(yǎng)的探討

何宇家

【摘要】高中生物學(xué)牽涉很多微觀的生物結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象，若能將這些微觀的生物結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象模型化，加以辨析引導(dǎo)，將有助于學(xué)生更直觀地去理解和掌握相關(guān)的生物學(xué)結(jié)構(gòu)、生物學(xué)概念和生命現(xiàn)象。在教學(xué)活動(dòng)過程中，教師針對(duì)相關(guān)的生物學(xué)概念和生命現(xiàn)象提前準(zhǔn)備好問題導(dǎo)引、結(jié)合模型構(gòu)建與分析，然后面對(duì)學(xué)生進(jìn)行授課實(shí)踐，使學(xué)生對(duì)生命現(xiàn)象有更精確的把握和理解，從而有效地幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)與功能觀等生命觀念，也有助于學(xué)生養(yǎng)成理性思維等生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】高中生物;模型構(gòu)建;問題導(dǎo)引;學(xué)科素養(yǎng)

高中生物學(xué)的主要內(nèi)容板塊有《分子與細(xì)胞》《遺傳與進(jìn)化》《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》，其中很多核心概念都屬于微觀層次的，牽涉到很多微觀的生物結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象。學(xué)生在學(xué)習(xí)這些概念和現(xiàn)象比較吃力，對(duì)學(xué)生的抽象理解能力要求相當(dāng)高，對(duì)教師的信息處理手段要求也很高。教師在備課階段，若能將這些微觀的生物結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象直觀模型化，將有助于學(xué)生們更直觀化地去理解和掌握這些內(nèi)容。再結(jié)合正確的問題引導(dǎo)，則可使學(xué)生能更準(zhǔn)確地把握思考的方向。例如，當(dāng)生物科學(xué)現(xiàn)象存在動(dòng)態(tài)的情況下，則更需要有適當(dāng)?shù)膯栴}引導(dǎo)，學(xué)生才會(huì)比較準(zhǔn)確的思考動(dòng)態(tài)發(fā)展的方向，從而形成生物的穩(wěn)態(tài)與平衡觀。久而久之，學(xué)生在潛移默化過程中，可以養(yǎng)成生物學(xué)理性思維，也能形成正確的生命觀念。以下結(jié)合筆者在教學(xué)實(shí)踐中的關(guān)于腎小管和集合管重吸收問題的教學(xué)案例，談?wù)勅绾瓮ㄟ^將生物概念和現(xiàn)象模型化、結(jié)合問題導(dǎo)向進(jìn)行辨析，從而在教學(xué)活動(dòng)中逐漸幫助學(xué)生養(yǎng)成生物學(xué)的學(xué)科素養(yǎng)。

首先讓我們了解一下“重吸收”的相關(guān)知識(shí)背景：血液流經(jīng)腎小球經(jīng)過濾過作用形成原尿，原尿流經(jīng)腎小管集合管時(shí)被重吸收，所有的葡萄糖、部分無(wú)機(jī)鹽和約99%的水都會(huì)被腎小管和集合管重吸收，然后形成終尿。若重吸收功能失常，會(huì)導(dǎo)致糖尿病、尿崩等癥狀。針對(duì)背景知識(shí)提出的探究問題：在腎小管集合管對(duì)以上物質(zhì)進(jìn)行重吸收的過程中，牽涉到哪些物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式？其中對(duì)葡萄糖、無(wú)機(jī)鹽以及水，分別以哪種跨膜運(yùn)輸方式重吸收回血液中？

一、模型初步構(gòu)建，直觀體驗(yàn)結(jié)構(gòu)與功能觀

以“腎單位的結(jié)構(gòu)與尿的形成過程”為例，通過構(gòu)建模型，教師輔以相關(guān)知識(shí)講述，學(xué)生就可以直觀地去了解腎小球的濾過作用形成原尿過程、腎小管集合管的重吸收作用形成終尿的過程，并將之區(qū)分開來(lái)。

二、問題導(dǎo)引，激發(fā)理性思維

要解決到底腎小管集合管的對(duì)上述物質(zhì)的重吸收是什么跨膜運(yùn)輸方式？可以設(shè)計(jì)以下幾個(gè)導(dǎo)向性問題：

（1）通過回顧必修一課本內(nèi)容以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解生物膜對(duì)水的跨膜運(yùn)輸方式有哪些？

學(xué)生思考得知水的跨膜運(yùn)輸主要是以通道蛋白協(xié)助的協(xié)助擴(kuò)散方式，以前也認(rèn)為有自由擴(kuò)散的方式。并沒有主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞健?/p>

（2）進(jìn)一步思考，可推測(cè)生物膜應(yīng)該是缺乏主動(dòng)運(yùn)輸水的載體蛋白，也就是協(xié)助擴(kuò)散水的通道蛋白是沒有利用ATP的能力的。

（3）進(jìn)一步發(fā)問，既然腎小管集合管通過被動(dòng)運(yùn)輸（協(xié)助擴(kuò)散）的方式重吸收水，也就是說，腎小管集合管必需事先實(shí)現(xiàn)腎小管集合管管壁細(xì)胞內(nèi)濃度相對(duì)管腔內(nèi)溶液濃度的超高濃度比。那么，如何實(shí)現(xiàn)腎小管集合管管壁細(xì)胞的超高濃度？

（4）如果學(xué)生對(duì)上述問題仍感到迷茫，那么可以接下來(lái)提出以下問題：

生物膜對(duì)葡萄糖、無(wú)機(jī)鹽的跨膜運(yùn)輸方式有那些？

（5）得知有主動(dòng)運(yùn)輸和協(xié)助擴(kuò)散，但如果要實(shí)現(xiàn)濃度差，那么必須是主動(dòng)運(yùn)輸。通過這樣的連續(xù)問題導(dǎo)向，學(xué)生的思維得以往正確的方向思考，再結(jié)合進(jìn)一步模型建構(gòu)，將可直觀地體會(huì)和理解這些物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式的過程和原理。

三、模型再構(gòu)建，理性思維的升華

如此，學(xué)生可以直觀的理解到，腎小管、集合管的重吸收分為兩個(gè)步驟：（1）腎小管集合管管壁細(xì)胞通過主動(dòng)運(yùn)輸，把腎小管腔原尿中全部的葡萄糖、部分無(wú)機(jī)鹽重吸收回管壁細(xì)胞內(nèi)，再通過跨膜運(yùn)輸穿過毛細(xì)血管、傳送回血液中，從而使得血漿滲透壓升高。（2）血漿滲透壓相對(duì)腎小管腔原尿的滲透壓高，吸水能力強(qiáng)，水就通過被動(dòng)運(yùn)輸跨膜運(yùn)輸回血液中。結(jié)合2019年人教版新教材必修一，可以知道水的跨膜運(yùn)輸方式主要是通過通道蛋白的協(xié)助擴(kuò)散，也有部分通過自由擴(kuò)散的方式。

若是思維能力強(qiáng)的學(xué)生，還可以繼續(xù)往深度拓展，進(jìn)一步升華學(xué)科素養(yǎng)。例如，通過以下的問題導(dǎo)引：“抗利尿激素為什么能促進(jìn)腎小管集合管對(duì)水的重吸收？其原理是什么？”

模型辨析與解讀：當(dāng)機(jī)體缺水時(shí)，內(nèi)環(huán)境滲透壓偏高，刺激位于下丘腦的滲透壓感受器，促使垂體釋放下丘腦分泌的抗利尿激素?？估蚣に叵氡卮蠹叶剂私?，其作用是促進(jìn)腎小管、集合管加強(qiáng)對(duì)水的重吸收，從而減少尿量的形成，使內(nèi)環(huán)境滲透壓降低或者不繼續(xù)升高?？估蚣に嘏c腎小管和集合管細(xì)胞膜上的特異性受體結(jié)合后，通過一系列過程激活細(xì)胞中蛋白激酶，使含有水通道蛋白的囊泡釋放出水通道蛋白鑲嵌到細(xì)胞膜上，增加管腔膜上的水通道，從而增加水的通透性。當(dāng)飲水過多等導(dǎo)致內(nèi)環(huán)境滲透壓下降的情況下，抗利尿激素釋放減少，腎小管集合管膜上的水通道蛋白減少，對(duì)水的通透性降低。

以上是以探究腎小管集合管重吸收作用過程中涉及的不同物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸方式教學(xué)案例，闡述在生物教學(xué)中，可以通過模型構(gòu)建與問題導(dǎo)引相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的理性思維，通過實(shí)例在腦海里構(gòu)建起結(jié)構(gòu)與功能觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀，逐步養(yǎng)成相關(guān)生命觀念。如此在長(zhǎng)期的教與學(xué)過程中潛移默化，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的養(yǎng)成。

參考文獻(xiàn)：

[1]王雪晴，李明霞.基于生物學(xué)核心素養(yǎng)的SSI教學(xué)思考[J].中國(guó)校外教育，2017（01）.

[2]李進(jìn)京.水鹽平衡及腎小管的重吸收作用[J].高考理科版，2011（8）：1.