在模型建構(gòu)的過程中發(fā)展學(xué)生的理性思維

李紅文+皮星

【摘 要】本文以興奮在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)模型構(gòu)建一課為例，論述通過引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型，是一種培養(yǎng)理性思維的有效教學(xué)模式；對于不同層次的知識(shí)，采取不同形式的模型：物理模型以實(shí)物或畫圖形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對象的特征，利于學(xué)習(xí)者直觀快速把握知識(shí)整體；數(shù)學(xué)模型將現(xiàn)實(shí)世界的原型抽象出來，完整系統(tǒng)地呈現(xiàn)事物本質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】生物學(xué)科 模型建構(gòu) 理性思維

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2017）05B-0038-03

理性思維是生物學(xué)科核心素養(yǎng)之一，構(gòu)建模型及運(yùn)用模型，也是生物學(xué)科的一大特點(diǎn)。在教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型構(gòu)建，有利于學(xué)生掌握學(xué)科核心概念。在構(gòu)建概念的過程中，學(xué)生逐步掌握學(xué)科的核心知識(shí)，理解學(xué)習(xí)的過程，把握學(xué)科的本質(zhì)及思想方法，形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。本文引入以下案例，是在進(jìn)行《興奮在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)》的教學(xué)中，運(yùn)用問題驅(qū)動(dòng)方式，讓學(xué)生將思考問題的答案用物理模型、數(shù)學(xué)模型一一呈現(xiàn)，使學(xué)生從簡到繁，層層撥開知識(shí)的面紗，深入理解興奮傳導(dǎo)的過程，從而發(fā)展學(xué)生的理性思維。

一、案例分析

（一）教學(xué)思路——基于發(fā)展學(xué)生理性思維的思考

理性思維就是一種建立在證據(jù)和邏輯推理基礎(chǔ)上的思維方式，是人類思維的高級(jí)形式，是人們把握客觀事物本質(zhì)和規(guī)律的能動(dòng)活動(dòng)。理性思維能力不是與生俱來的，而是需要后天刻苦的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，生物學(xué)科的學(xué)習(xí)對理性思維能力的養(yǎng)成有重大的意義。教師在引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生物現(xiàn)象背后的本質(zhì)規(guī)律時(shí)，對事物或問題進(jìn)行觀察、比較、分析、綜合、抽象與概括，就是理性思維訓(xùn)練的過程。

《興奮在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)》是一節(jié)高三復(fù)習(xí)課，學(xué)生經(jīng)過兩年學(xué)習(xí)，基本構(gòu)建了相關(guān)生物學(xué)知識(shí)框架，具有了一定的學(xué)科科學(xué)素養(yǎng)。復(fù)習(xí)課的核心在于進(jìn)一步完善學(xué)生的知識(shí)體系，讓學(xué)生進(jìn)一步深入理解學(xué)科核心概念。復(fù)習(xí)課不應(yīng)“炒舊飯”，而應(yīng)該發(fā)掘知識(shí)的外延，讓學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，促進(jìn)理性思維。

興奮在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)，這個(gè)內(nèi)容在教材中敘述較為簡單，而從高考題（見下 2010 年全國高考題）對這方面知識(shí)的考查角度來看，不經(jīng)過思維訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)，而僅僅知道一些事實(shí)性知識(shí)是難以順利解決問題的。

（2010年全國新課標(biāo)卷，5）將神經(jīng)細(xì)胞置于相當(dāng)于細(xì)胞外液的溶液 S 中，可測得靜息電位。給予細(xì)胞一個(gè)適宜的刺激，膜兩側(cè)出現(xiàn)一個(gè)暫時(shí)性的電位變化，這種膜電位變化稱為動(dòng)作電位。適當(dāng)升高溶液 S 中的鈉離子濃度，測量該細(xì)胞的靜息電位和動(dòng)作電位，可觀察到（ ）

A.靜息電位值減小

B.靜息電位值增大

C.動(dòng)作電位峰值升高

D.動(dòng)作電位峰值降低

對于上題的解答思路，動(dòng)作電位的產(chǎn)生與膜內(nèi)外離子流動(dòng)有關(guān)，學(xué)生需要經(jīng)過理性思維，根據(jù)膜內(nèi)外電位及膜內(nèi)外離子種類，推導(dǎo)出動(dòng)作電位的產(chǎn)生是需要陽離子內(nèi)流才能實(shí)現(xiàn)的，因此如果溶液 S 中陽離子的量少，就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作電位的峰值降低。從題目信息獲取分析出：減少溶液 S 中的 Na+ 的濃度，則會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作電位形成過程中 Na+ 內(nèi)流量減少，而使峰值降低。

因此，教師在復(fù)習(xí)課中主要任務(wù)是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理性思考，而幫助學(xué)生構(gòu)建模型，是促進(jìn)學(xué)生理性思維訓(xùn)練的有效途徑。

（二）教學(xué)過程——課堂上以問題驅(qū)動(dòng)幫助學(xué)生構(gòu)建模型

1.基于教材構(gòu)建物理模型

物理模型以實(shí)物或畫圖形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對象的特征，利于學(xué)習(xí)者直觀快速地把握知識(shí)整體。構(gòu)建興奮在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)的物理模型，能夠訓(xùn)練學(xué)生理性思維中的觀察、比較、分析能力。對于膜電位知識(shí)的直觀呈現(xiàn)來說，有利于學(xué)生理性分析、比較，推導(dǎo)得出興奮傳導(dǎo)方向與膜電流方向的關(guān)系等知識(shí)。

師：請同學(xué)們閱讀教材中“興奮在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)”部分。

學(xué)生通過回顧教材內(nèi)容，掌握相關(guān)專有名詞，初步構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。

師：讓我們用一個(gè)鼠標(biāo)拖動(dòng)游戲，檢驗(yàn)大家的復(fù)習(xí)情況。

學(xué)生代表上臺(tái)，將正確的名稱拖到到相應(yīng)位置，完成模型構(gòu)建，其余同學(xué)觀看、評(píng)價(jià)。拖動(dòng)游戲完成后，構(gòu)建的模型如下圖：

師：同學(xué)們一起構(gòu)建了“興奮在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)”的物理模型，讓我們根據(jù)這個(gè)模型，思考并回答如下問題。

問題 1：神經(jīng)元受到刺激后，受刺激部位膜內(nèi)電位如何變化？

生：膜內(nèi)電位由負(fù)電位變?yōu)檎娢弧?/p>

問題 2：神經(jīng)元受到刺激后，膜外局部電流的方向是什么？

生：膜外局部電流方向?yàn)?，從未興奮部位流向興奮部位。

問題 3：興奮在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)的方向，與哪里的局部電流方向相同？

生：膜內(nèi)電流方向與興奮傳導(dǎo)方向相同，都是雙向傳導(dǎo)，從興奮部位傳向未興奮部位。

2.深度學(xué)習(xí)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型將現(xiàn)實(shí)世界的原型抽象出來，真實(shí)、系統(tǒng)、完整、形象地反映客觀事物本質(zhì)，使知識(shí)更具有外推性。在構(gòu)建了膜電位物理模型的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，對形成膜電位的原因、膜電流變化的原因等進(jìn)行鉆研，有效訓(xùn)練學(xué)生比較、分析、綜合、抽象與概括能力，進(jìn)一步提升理性思維。

師：如果我們以神經(jīng)元膜內(nèi)某個(gè)點(diǎn)為研究對象，當(dāng)給神經(jīng)元一定刺激后，在興奮傳導(dǎo)的全過程中，該點(diǎn)的電位變化情況怎么樣？

生：（根據(jù)物理模型，動(dòng)態(tài)思考）該點(diǎn)電位由負(fù)變正，再恢復(fù)為負(fù)電位。

師：這個(gè)變化過程我們可以用數(shù)學(xué)坐標(biāo)系來表示。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示膜電位，請大家小組合作，構(gòu)建這個(gè)數(shù)學(xué)模型。

生：經(jīng)過小組合作，相互交流、比較、完善后，構(gòu)建如下圖的模型。

師：從這個(gè)數(shù)學(xué)模型中，我們可以看出，膜內(nèi)該點(diǎn)膜電位發(fā)生了 2 次反轉(zhuǎn)變化。這種變化是怎樣形成的呢？請跟著老師的問題進(jìn)行思考。

問題 1：人體內(nèi)環(huán)境中，細(xì)胞膜內(nèi)外鈉離子和鉀離子的分布是怎么樣的？

生：鈉離子主要在細(xì)胞外，鉀離子主要在細(xì)胞內(nèi)。

問題 2：受刺激后，膜上的鈉離子通道會(huì)迅速打開，這會(huì)引起什么變化？

生：（思考后回答）鈉離子順濃度梯度大量內(nèi)流進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，膜內(nèi)電位反轉(zhuǎn)為正。

問題 3：這個(gè)過程屬于跨膜運(yùn)輸?shù)哪姆N形式，鈉離子進(jìn)入細(xì)胞需要哪些條件？

生：（思考后回答）鈉離子進(jìn)入細(xì)胞需要載體蛋白，因?yàn)槭琼槤舛忍荻?，屬于協(xié)助擴(kuò)散。

師：膜內(nèi)電位反轉(zhuǎn)為正，是一個(gè)短暫的過程，極短的時(shí)間后，又將恢復(fù)為原來的負(fù)電位，這個(gè)過程是怎么形成的？

學(xué)生的回答出現(xiàn)了分歧。一部分同學(xué)認(rèn)為是原來進(jìn)入的鈉離子流出細(xì)胞外，另一部分同學(xué)認(rèn)為是膜內(nèi)的鉀離子流出細(xì)胞外。

教師通過陳述一個(gè)事實(shí)性知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生正確思考。

師：前面大家說的鈉離子的載體蛋白，其實(shí)是一種通道蛋白，它只能專一性讓鈉離子通過。當(dāng)鈉離子在內(nèi)流過程中，鉀通道被激活而開放。根據(jù)這個(gè)事實(shí)，大家說恢復(fù)膜內(nèi)電位的原因是什么？

生：膜內(nèi)鉀離子順濃度梯度外流到細(xì)胞外，導(dǎo)致細(xì)胞膜內(nèi)電位迅速下降，恢復(fù)為原來的負(fù)電位。

師：雖然膜內(nèi)恢復(fù)負(fù)電位，但出現(xiàn)了一個(gè)問題。此時(shí)，細(xì)胞膜內(nèi)仍有較多鈉離子，細(xì)胞外有較多鉀離子。而靜息狀態(tài)下，鈉離子很少在細(xì)胞內(nèi)，鉀離子很少在細(xì)胞外的，要真正恢復(fù)靜息狀態(tài)下的離子分布，還需要哪種跨膜運(yùn)輸？

生：（思考后回答）鈉離子主動(dòng)運(yùn)輸?shù)侥ね猓涬x子主動(dòng)運(yùn)輸?shù)侥?nèi)。

師：你是如何判斷出這是主動(dòng)運(yùn)輸過程的？

生：細(xì)胞外鈉離子濃度高于細(xì)胞內(nèi)，鈉離子逆濃度梯度運(yùn)輸?shù)侥ね?，需要能量，屬于主?dòng)運(yùn)輸。

師：大家的思考很好?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元膜上有一種鈉鉀泵，通過主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞綄⑩c離子泵出，鉀離子泵入。同學(xué)們經(jīng)過一次頭腦風(fēng)暴，對興奮在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)有了比較深刻的認(rèn)識(shí)。我們現(xiàn)在把剛才的數(shù)學(xué)模型的幾個(gè)特殊點(diǎn)用字母表示，請大家將各時(shí)間段的變化及原因歸納總結(jié)到表格中。

學(xué)生小組合作、相互交流完善圖形和表格。

3.運(yùn)用模型進(jìn)行解題

模型是理性思維的結(jié)晶，是幫助學(xué)生理清知識(shí)線索、明確方法步驟、規(guī)范執(zhí)行細(xì)節(jié)的好工具。著名科學(xué)家錢學(xué)森先生說：“模型就是通過對問題現(xiàn)象的分解，利用我們考慮得來的原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所創(chuàng)造出來的一副圖畫?！蹦Ｐ徒忸}就是用最簡單的模塊對應(yīng)的規(guī)律去解決各種各樣的問題。

教師再展示高考題（2010 年全國新課標(biāo)卷，5），引導(dǎo)學(xué)生思考。

生：（根據(jù)數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過思考作答）動(dòng)作電位的高低與鈉離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的量有關(guān)，細(xì)胞內(nèi)外鈉離子濃度差越大，則進(jìn)入胞內(nèi)的帶正電離子越多，動(dòng)作電位峰值就越大。

師：分析得很好。我們再來看另一道題，看看大家是否能將思維方式遷移應(yīng)用。

（2016 年新課標(biāo)卷，2）離子泵是一張具有 ATP 水解酶活性的載體蛋白，能利用水解 ATP 釋放的能量跨膜運(yùn)輸離子。下列敘述正確的是（ ）

A.離子通過離子泵的跨膜運(yùn)輸屬于協(xié)助擴(kuò)散

B.離子通過離子泵的跨膜運(yùn)輸是順著濃度階梯進(jìn)行的

C.動(dòng)物一氧化碳中毒會(huì)降低離子泵跨膜運(yùn)輸離子的速率

D.加入蛋白質(zhì)變性劑會(huì)提高離子泵跨膜運(yùn)輸離子的速率

生：這道題雖然沒有點(diǎn)明是神經(jīng)細(xì)胞膜上的鈉鉀泵，但是原理一樣，需要能量進(jìn)行的跨膜運(yùn)輸是主動(dòng)運(yùn)輸——逆濃度梯度進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸?shù)?，如果一氧化碳中毒，氧氣供?yīng)不足，那么將影響細(xì)胞呼吸，主動(dòng)運(yùn)輸受到抑制，運(yùn)輸速率下降。

二、案例反思

學(xué)習(xí)最忌淺嘗輒止。在復(fù)習(xí)課中，通過物理模型幫助學(xué)生構(gòu)建起神經(jīng)纖維上電位變化及興奮在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)的知識(shí)，這個(gè)過程還只是讓學(xué)生對生物學(xué)基本事實(shí)有了一定的了解。運(yùn)用模型，可以幫助學(xué)生清晰描述膜內(nèi)外電位情況、電流方向，直觀呈現(xiàn)興奮在神經(jīng)纖維上的雙向傳導(dǎo)，興奮傳導(dǎo)方法與膜內(nèi)電流方向的關(guān)系等。用這些事實(shí)性知識(shí)進(jìn)行簡單的推論，還不足以體現(xiàn)生物學(xué)科的深刻性，對學(xué)生理性思維形成的促進(jìn)作用還不夠大。

在高三復(fù)習(xí)課中，學(xué)生已有了一定的知識(shí)儲(chǔ)備，對生物學(xué)事實(shí)性知識(shí)掌握較好，教師要做的是在學(xué)生的知識(shí)孤島之間架起一座座橋梁，讓學(xué)生將知識(shí)連通起來，以事實(shí)性知識(shí)為基石，經(jīng)過理性思維進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，敲開一扇扇學(xué)科原理的大門。復(fù)習(xí)不僅要了解生物知識(shí)是什么、有什么，而且要思考為什么、怎么形成（也就是理解知識(shí)生成的過程）。

在本節(jié)復(fù)習(xí)課中，通過將物理模型轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型，通過幾個(gè)特殊點(diǎn)之間連線，使之呈現(xiàn)變化趨勢，讓知識(shí)從靜止的點(diǎn)，成為運(yùn)動(dòng)的線，將原理的面紗層層展開。學(xué)生通過事實(shí)性知識(shí)：①膜外為正電位、膜內(nèi)為負(fù)電位；②鈉離子主要分布在膜外，鉀離子主要分布在膜內(nèi)；③跨膜運(yùn)輸，協(xié)助擴(kuò)散順濃度梯度進(jìn)行。進(jìn)行一次思維的跨越聯(lián)系，理性思考得出結(jié)論：受刺激后，膜電位由靜息狀態(tài)的外正內(nèi)負(fù)反轉(zhuǎn)為外負(fù)內(nèi)正，原因是神經(jīng)細(xì)胞膜通道蛋白打開，鈉離子迅速內(nèi)流，使膜內(nèi)電位迅速上升，電位反轉(zhuǎn)。而電位的恢復(fù)過程，是膜內(nèi)鉀離子通過通道外流完成的。這兩個(gè)階段離子都是順濃度梯度，不需要能量，屬于協(xié)助擴(kuò)散。學(xué)生在思考這些問題的過程中，會(huì)出現(xiàn)一些分歧，這也是教學(xué)中難得的機(jī)遇，有利于學(xué)生在辨析中進(jìn)一步思考，更好地形成理性思維。

學(xué)生研讀教材之后，教師利用一個(gè)個(gè)問題將核心知識(shí)逐步呈現(xiàn)，幫助學(xué)生在思考中構(gòu)建物理模型、數(shù)學(xué)模型，形成正確的學(xué)科知識(shí)，并訓(xùn)練學(xué)生理性思維的能力。由簡到繁構(gòu)建模型，是對知識(shí)由淺到深的學(xué)習(xí)過程；用表格對數(shù)學(xué)模型各階段進(jìn)行注解，是對知識(shí)進(jìn)行整合升華的過程。運(yùn)用模型解決實(shí)際問題，能讓學(xué)生成為既具有獨(dú)立性、批判性、創(chuàng)造性又有合作精神、基礎(chǔ)扎實(shí)的優(yōu)秀的學(xué)習(xí)者。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳興華.借助模型建構(gòu)發(fā)展學(xué)生的理性思維[J].中學(xué)生物教學(xué)，2017（1-2）

[2]辛 濤，姜 宇，劉 霞.我國義務(wù)教育階段學(xué)生核心素養(yǎng)模型的構(gòu)建[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)〔社會(huì)科學(xué)版〕，2013（1）

（責(zé)編 盧建龍）