建構(gòu)生物學(xué)模型，凸顯結(jié)構(gòu)與功能觀

孟湘蓮

摘? ? 要：建構(gòu)模型可使復(fù)雜的生命現(xiàn)象或過程直觀、簡潔，能有效發(fā)展學(xué)生的“結(jié)構(gòu)與功能觀”，使其對生命現(xiàn)象作出合理的解釋和預(yù)測。教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)良好的問題情境，從模型的源頭開展教學(xué)，關(guān)注模型是如何發(fā)生、形成和發(fā)展的，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)模型建構(gòu)的價(jià)值和內(nèi)涵。教師還要引導(dǎo)學(xué)生沿著“生物體的功能需要一定的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)”的思維線索，開展演繹、推理和論證活動(dòng)，并補(bǔ)充信息，讓學(xué)生再次分析主要問題，對模型進(jìn)行質(zhì)疑、論證、完善，在證據(jù)和推理的基礎(chǔ)上發(fā)展學(xué)生的理性思維，使其能運(yùn)用模型創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題。

關(guān)鍵詞：建構(gòu)模型;結(jié)構(gòu)與功能觀;泌尿系統(tǒng)

“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”是生物學(xué)的基本思想，運(yùn)用這一觀念能對生命現(xiàn)象作出科學(xué)解釋和預(yù)測，因此應(yīng)凸顯“結(jié)構(gòu)與功能觀”的教學(xué)[1]。傳統(tǒng)教學(xué)中，教師通常先介紹生物體的結(jié)構(gòu)，再講解活動(dòng)過程。結(jié)合過程介紹其功能，看似高效，學(xué)生卻由于缺乏推理、論證等活動(dòng)，只是被動(dòng)地獲得事實(shí)性知識(shí)，因而不能深刻理解“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”，更難以形成觀念。筆者在“泌尿系統(tǒng)”教學(xué)時(shí)，采用建構(gòu)模型的教學(xué)策略，有效發(fā)展了學(xué)生的“結(jié)構(gòu)與功能觀”。

一、創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)建模需求

基于生物學(xué)模型建構(gòu)的教學(xué)，不能讓學(xué)生停留在記住模型的形式和內(nèi)容上，而應(yīng)創(chuàng)設(shè)良好的問題情境，重視“原型”，從模型的源頭開展教學(xué)，關(guān)注模型是如何發(fā)生、形成和發(fā)展的，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)模型建構(gòu)的價(jià)值和內(nèi)涵。否則，學(xué)生就會(huì)缺乏建構(gòu)模型的內(nèi)在動(dòng)力，感受不到模型的魅力與內(nèi)在科學(xué)思想。泌尿系統(tǒng)的組成較為復(fù)雜，尤其腎單位的結(jié)構(gòu)和功能無法通過直接觀察來描述，且尿液的形成和排出是一個(gè)系統(tǒng)的過程。教師可從泌尿系統(tǒng)某些病變的成因和救治入手，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注腎臟的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，醞釀建構(gòu)生物學(xué)模型的需求。

筆者先用PPT展示“鋼腎哥”自制“鋼腎”維持生命13年的故事，引導(dǎo)學(xué)生思考如下問題。

（1）腎臟病變?yōu)槭裁从羞@么大的危害？（2）腎臟有什么功能？（3）“鋼腎”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的？（4）“鋼腎”是如何代替腎臟工作的？（5）如何正確應(yīng)對腎臟病變？

接著，筆者提供尿毒癥的成因、癥狀、危害等資料，讓學(xué)生明白腎臟是排泄廢物的主要器官。

“鋼腎哥”的故事真實(shí)生動(dòng)，學(xué)生被他頑強(qiáng)的生命意志感染，深深感知到腎臟對人體的重要意義。面對腎臟這一“黑箱”，學(xué)生感到強(qiáng)烈的好奇：腎臟具有什么特殊結(jié)構(gòu)能夠排出毒素，它又是如何形成尿液排出廢物的？

建構(gòu)模型前需要分析原型，找出原型的某種本質(zhì)特征，明確建模的目的和表現(xiàn)形式，以此為建模作準(zhǔn)備。筆者用3Dbody人體解剖軟件展示泌尿系統(tǒng)，并讓學(xué)生閱讀教材文本了解泌尿系統(tǒng)各器官的功能，從宏觀上感知泌尿系統(tǒng)的組成及其在人體中的分布，了解泌尿系統(tǒng)的整體功能。接著，筆者提供新鮮豬腎，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察腎臟的外部特征，學(xué)生發(fā)現(xiàn)腎臟呈紅褐色，有較強(qiáng)的膻味，有3根“管子”接在腎的中部。學(xué)生產(chǎn)生疑問“這3根‘管子’在腎臟內(nèi)部是怎樣聯(lián)系在一起的，它們是怎樣協(xié)調(diào)工作產(chǎn)生尿液的”，進(jìn)而意識(shí)到需要建構(gòu)結(jié)構(gòu)模型來解釋。

設(shè)計(jì)意圖：通過真實(shí)有意義的情境，讓學(xué)生感知建構(gòu)生物學(xué)模型是研究生命規(guī)律和解釋生命現(xiàn)象的重要方法。閱讀尿毒癥的資料、學(xué)習(xí)泌尿系統(tǒng)的組成和功能、觀察腎臟的外部特征，為學(xué)生提供建構(gòu)生物學(xué)模型的原型，引導(dǎo)學(xué)生從“結(jié)構(gòu)與功能”的視角來建構(gòu)模型，為下一步建構(gòu)生物學(xué)模型提供表象支持。

二、科學(xué)推理，建構(gòu)腎臟模型

建構(gòu)生物學(xué)模型最重要的是實(shí)現(xiàn)建模過程中行為與思維的統(tǒng)一。模型是科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維的具體表達(dá)。教學(xué)中若直接呈現(xiàn)腎臟模型，學(xué)生會(huì)由于缺少相應(yīng)的建模思維訓(xùn)練，不能對結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系理解到位，以致無法在日后運(yùn)用這個(gè)靠機(jī)械記憶的模型來分析、解釋、預(yù)測生命現(xiàn)象。

“結(jié)構(gòu)與功能觀”的內(nèi)容是：具有特定的結(jié)構(gòu)就一定會(huì)表現(xiàn)出特定的功能，生物體的特定生理功能必然是由特定的結(jié)構(gòu)所維持的，生物體的結(jié)構(gòu)和功能具有統(tǒng)一性[2]。因此，教師可引導(dǎo)學(xué)生沿著“生物體的功能需要一定的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)”的思維線索，開展演繹、推理和論證活動(dòng)。如：根據(jù)腎臟能夠形成尿液、排出含氮廢物、凈化血液，讓學(xué)生結(jié)合凈化水的經(jīng)驗(yàn)，類比推測腎臟內(nèi)有“過濾器”;根據(jù)腎臟能高效過濾廢物，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系肺泡周圍布滿毛細(xì)血管有利于氣體交換的特點(diǎn)，演繹推理出腎臟內(nèi)的“過濾器”由毛細(xì)血管網(wǎng)組成。在這些思維活動(dòng)的探究中，學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到腎臟結(jié)構(gòu)的精巧和高效，不僅發(fā)展了科學(xué)思維，還強(qiáng)化了“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的觀念。

驅(qū)動(dòng)性任務(wù)：為了排出血液中的廢物，你覺得腎臟內(nèi)部有哪些特殊結(jié)構(gòu)？請大家根據(jù)“生物體的特定生理功能必然是由特定的結(jié)構(gòu)所維持的”進(jìn)行大膽構(gòu)想，在白紙上畫一畫，并說出你的理由。

面對挑戰(zhàn)性的任務(wù)，學(xué)生興趣濃厚，積極尋找揭秘“腎臟黑箱”的蛛絲馬跡，并勾勒出腎臟內(nèi)部3根“管子”的連接方式，如圖1-ɑ所示。推理過程如下。

血液從動(dòng)脈流入，經(jīng)過腎臟后被凈化，從靜脈流出，同時(shí)產(chǎn)生尿液，由此推測腎臟中的血液兵分兩路：“血路”和“尿路”。根據(jù)尿液中沒有血細(xì)胞，所以“血路”和“尿路”是相互獨(dú)立的，血液中的廢物進(jìn)入尿液的過程類似過濾。

思維層次深一點(diǎn)的學(xué)生，根據(jù)動(dòng)脈血管和靜脈血管之間由毛細(xì)血管連接，腎臟呈紅褐色，作出如下推測，并建構(gòu)出了如圖1-b所示的模型。

腎動(dòng)脈進(jìn)入腎臟后分支成毛細(xì)血管網(wǎng)，毛細(xì)血管管徑小，血流速度慢，管壁只有一層細(xì)胞，有利于物質(zhì)濾過，有用的物質(zhì)保留在血液中，多余的水和廢物進(jìn)入下面的“尿路”中。

筆者點(diǎn)評后，順勢幫助學(xué)生建構(gòu)起“入球小動(dòng)脈、腎小球、出球小動(dòng)脈、腎小囊、原尿、濾過作用、腎小管”的概念。

設(shè)計(jì)意圖：建模教學(xué)不是教師簡單地進(jìn)行模型、教具展示，而是要讓學(xué)生自己動(dòng)手、動(dòng)腦參與建模活動(dòng)，促進(jìn)其深入理解知識(shí)和培養(yǎng)其良好的科學(xué)思維習(xí)慣[3]。把腎臟設(shè)計(jì)成一個(gè)“黑箱”，讓學(xué)生運(yùn)用“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的觀念，結(jié)合事實(shí)性知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理推理，猜想腎臟內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，并采用畫圖的形式建構(gòu)假想模型，變被動(dòng)接收為主動(dòng)探究，能更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力和建模能力。

三、科學(xué)論證，修正腎臟模型

模型如何解釋說明生物學(xué)現(xiàn)象，模型具有哪些優(yōu)勢和局限性，以及如何修正模型，應(yīng)該進(jìn)行科學(xué)論證，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇?、科學(xué)性和適用性，以便修正、完善甚至重構(gòu)出規(guī)范、直觀、簡潔的模型[4]。圖1中的模型只能簡單解釋腎小球的濾過作用，不能恰當(dāng)準(zhǔn)確地解決實(shí)際問題，教師應(yīng)該補(bǔ)充信息，讓學(xué)生再次分析主要問題，對自己的模型進(jìn)行質(zhì)疑、論證，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己沒有掌握的知識(shí)和沒有理解的自然現(xiàn)象，并進(jìn)一步探究新知，修正完善模型，在證據(jù)和推理的基礎(chǔ)上發(fā)展理性思維。

資料鏈接：（1）正常人的腎臟每小時(shí)可以將全身的血液凈化12遍，每天從腎小球?yàn)V過的原尿約有150L;（2）血液、原尿的成分表（略）。

學(xué)生分析以上信息，產(chǎn)生思維沖突：腎臟為什么如此高效？我們每天排出的尿?yàn)槭裁催h(yuǎn)小于150L？如何保證葡萄糖不流失？難道腎臟內(nèi)有一種結(jié)構(gòu)能夠把有用物質(zhì)吸收回去？

帶著這些問題，學(xué)生繼續(xù)推理論證如下。

尿液比原尿少，葡萄糖是營養(yǎng)物質(zhì)，不能隨尿液流失，應(yīng)全部吸收回血液，說明腎臟中一定有能夠把水和葡萄糖吸收回血液的結(jié)構(gòu)，根據(jù)小腸絨毛適應(yīng)于吸收營養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，推測腎小管周圍也布滿毛細(xì)血管，有利于把物質(zhì)重新吸收回血液。

接著，筆者組織學(xué)生尋找支持推理的證據(jù)：解剖豬腎，從宏觀上識(shí)別腎動(dòng)脈、腎靜脈、輸尿管，弄清3根“管子”的連接方式;觀察腎臟切片的顯微圖像，從微觀上感知腎臟內(nèi)部有無數(shù)相同的結(jié)構(gòu)，它們都由腎小球、腎小囊、腎小管組成。

結(jié)合豐富的直觀體驗(yàn)，學(xué)生加工新信息，在腎小管周圍補(bǔ)充了毛細(xì)血管，用箭頭表示物質(zhì)被重新吸收回血管，并提出毛細(xì)血管與腎小管相互纏繞，以提高重吸收效率，建構(gòu)起重吸收、腎小體、腎單位的概念。

然后，筆者組織學(xué)生嘗試用新模型來解釋腎臟工作的原理：腎臟內(nèi)有數(shù)量巨大的微小“過濾器”——腎單位。血液流經(jīng)腎小球時(shí)，除血細(xì)胞和大分子蛋白質(zhì)外的其他物質(zhì)均可通過濾過作用進(jìn)入腎小囊形成原尿。原尿經(jīng)過腎小管時(shí)，其中對人體有用的物質(zhì)，如大部分水、部分無機(jī)鹽、全部葡萄糖和氨基酸等，經(jīng)腎小管的重吸收作用進(jìn)入腎小管外的毛細(xì)血管重新回到血液中，而原尿中的其余成分如水、無機(jī)鹽、尿素和尿酸等最終形成尿液。

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)是基于證據(jù)的解釋，教師通過文字、圖片、實(shí)物等為學(xué)生提供豐富的信息，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)原有模型不能正確解釋腎臟的功能，于是積極搜集新證據(jù)，對獲得的新信息進(jìn)行深加工，完善模型后，再將其與腎臟內(nèi)部的真實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，思考原型與模型之間的關(guān)系，在輸出信息和輸入信息的比較中，深入理解腎單位的結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系。最后，師生合力抽象出泌尿系統(tǒng)的簡化模型，并將模型教學(xué)可視化，即以板書的形式呈現(xiàn)，以優(yōu)化學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。板書呈現(xiàn)如圖2所示（見下頁）。

四、項(xiàng)目遷移，應(yīng)用腎臟模型

建構(gòu)模型是為了使復(fù)雜的生命現(xiàn)象或過程直觀、簡潔，使之便于理解。應(yīng)用模型解決實(shí)際問題，將理論反哺實(shí)踐，既是學(xué)生認(rèn)識(shí)的提升，又有利于加深學(xué)生對模型及事物本質(zhì)的理解，還能檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒虒W(xué)是否達(dá)到了預(yù)期效果。建構(gòu)正確的泌尿系統(tǒng)模型，能幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)泌尿系統(tǒng)的主要特征、解釋尿液形成的機(jī)制、預(yù)測腎臟各項(xiàng)功能的發(fā)展趨勢。為了鞏固學(xué)生對泌尿系統(tǒng)模型的理解，筆者后續(xù)又展示了血尿、蛋白尿、糖尿等病人的尿常規(guī)化驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生根據(jù)這些病人與健康人化驗(yàn)報(bào)告的差異，對照泌尿系統(tǒng)的模型，很容易就能得出血尿、蛋白尿是因?yàn)槟I小球發(fā)生病變導(dǎo)致血細(xì)胞、蛋白質(zhì)進(jìn)入原尿中，而腎小管不能把原尿中的葡萄糖全部重吸收會(huì)導(dǎo)致糖尿病。這種對知識(shí)的成功遷移運(yùn)用，讓學(xué)生對后續(xù)學(xué)習(xí)保持動(dòng)力。

一般而言，解釋現(xiàn)象只是模型運(yùn)用的低級階段，運(yùn)用模型創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題才是教學(xué)的終極目標(biāo)。因此，教師還應(yīng)該對模型學(xué)習(xí)進(jìn)行項(xiàng)目遷移，以擴(kuò)展模型。筆者回歸“鋼腎哥”的故事，讓學(xué)生思考：“‘鋼腎’是如何代替腎臟工作的？它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的？”然后，筆者組織學(xué)生開展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)：設(shè)計(jì)人工腎。

筆者先讓學(xué)生仔細(xì)觀察“鋼腎”外面的四根“管子”，然后順著以下關(guān)鍵問題進(jìn)行思考。

（1）過濾廢物的材料應(yīng)該具什么特點(diǎn)？（2）運(yùn)輸廢物的液體應(yīng)該跟人體的什么成分相似？（3）需要重吸收嗎？（4）如何做到高效排出廢物？

學(xué)生將“鋼腎”與腎臟進(jìn)行類比遷移，結(jié)合腎單位的結(jié)構(gòu)模型分析如下。

用一種過濾膜來代替腎小球，只能讓有毒有害物質(zhì)透過;用與血漿相似的液體來運(yùn)走有毒有害物質(zhì)，由于葡萄糖等有用物質(zhì)不能透過，所以不需要重吸收裝置，結(jié)構(gòu)更加簡單。

筆者展示部分“鋼腎”設(shè)計(jì)稿，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步優(yōu)化。學(xué)生提出為了增大過濾面積，應(yīng)將半透膜做成彎曲的管子，模擬毛細(xì)血管;還提出增加血液動(dòng)力泵，增加加熱裝置確保溫度恒定為37℃;等等。最后，筆者展示人工腎的結(jié)構(gòu)示意圖，學(xué)生在比較分析之后，不禁慨嘆科技的智慧。

設(shè)計(jì)意圖：模型為學(xué)生解釋腎臟病變的原因提供了思維線索，學(xué)生在體驗(yàn)?zāi)I臟結(jié)構(gòu)的精妙中，認(rèn)同腎臟的形態(tài)結(jié)構(gòu)與形成尿液是相適應(yīng)的，感悟“生物體是一個(gè)統(tǒng)一的有機(jī)整體”，這就使學(xué)生對健康的理解由“知”到“信”再到“行”，逐步形成科學(xué)、健康的行為習(xí)慣。設(shè)計(jì)人工腎，可讓學(xué)生的模型思維、創(chuàng)新思維得到發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生用科技服務(wù)社會(huì)的責(zé)任感，升華“結(jié)構(gòu)與功能觀”的價(jià)值。

綜上，學(xué)生只有能自覺運(yùn)用“結(jié)構(gòu)與功能觀”去分析和解決生物學(xué)問題，才能真正體會(huì)到生物學(xué)的魅力[5]。運(yùn)用模型的方法表征生物學(xué)現(xiàn)象，教師需要設(shè)計(jì)合適的活動(dòng)，讓學(xué)生參與推理、論證等過程，經(jīng)歷模型的建構(gòu)、評價(jià)、修正和應(yīng)用，凸顯“結(jié)構(gòu)與功能觀”的培養(yǎng)。

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