“血糖調(diào)節(jié)”模型建構(gòu)及應(yīng)用

王飛　楊夢(mèng)姝　楊建霞

目前，模型建構(gòu)在科學(xué)教育中的重要作用已經(jīng)逐漸被研究者所認(rèn)識(shí)，成為科學(xué)教育中的重要研究領(lǐng)域。研究表明，模型建構(gòu)可以使學(xué)生形成對(duì)知識(shí)內(nèi)容的深入理解，提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，形成正確對(duì)待科學(xué)問(wèn)題的觀點(diǎn)和態(tài)度，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，同時(shí)對(duì)于教育教學(xué)改革具有巨大潛力。《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中多次提到“模型”“模擬”，高中生物學(xué)必修教材均強(qiáng)化了對(duì)于學(xué)生模型建構(gòu)方法的訓(xùn)練。“血糖調(diào)節(jié)”是現(xiàn)行新課標(biāo)高中生物學(xué)教材《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，其目的在于讓學(xué)生理解人體內(nèi)血糖平衡的重要性及其調(diào)節(jié)機(jī)制，進(jìn)一步理解胰島素和胰高血糖素在血糖調(diào)節(jié)過(guò)程中的“拮抗作用”。但是，由于其內(nèi)容比較抽象，僅憑借教師的講述，學(xué)生很難真正理解。雖然教材中給出了“建立血糖調(diào)節(jié)的模型”參考案例，但卻存在操作過(guò)程復(fù)雜、難以擴(kuò)大交流范圍、結(jié)果不夠直觀等缺陷。因此，本研究在參考“負(fù)反饋機(jī)制的模型”基礎(chǔ)上，通過(guò)反復(fù)實(shí)踐與改進(jìn)，最終構(gòu)建出“血糖調(diào)節(jié)”模型。

1“血糖調(diào)節(jié)”模型建構(gòu)過(guò)程

1.1原理——胰島素和胰高血糖素的生理功能

本模型（圖1）建構(gòu)所依據(jù)的生物學(xué)原理主要是“胰島素和胰高血糖素的生理功能”：胰島素能促進(jìn)組織細(xì)胞加速攝取、利用和儲(chǔ)存葡萄糖，從而使血糖水平降低；胰高血糖素能促進(jìn)糖原分解，并促進(jìn)一些非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)化為葡萄糖，從而使血糖水平升高。胰島素和胰高血糖素相互拮抗，共同維持人體內(nèi)血糖含量的穩(wěn)定與平衡。

1.2材料準(zhǔn)備

乒乓球若干個(gè)、2 L礦泉水瓶1個(gè)、橡皮球（直徑大于礦泉水瓶口，可用彈力球代替）、鐵架臺(tái)、長(zhǎng)約10 cm的細(xì)線2根、橡皮塞1個(gè)、500 mL燒杯1個(gè)、加有紅墨水的清水約2 L（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“紅墨水”）。

1.3模型制作

（1）將礦泉水瓶底部剪掉，并倒置固定于鐵架臺(tái)上。

（2）取1根細(xì)線，將一端固定在乒乓球上（乒乓球的數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加或減少），另一端固定在橡皮球的某一頂點(diǎn)上。

（3）取另一根細(xì)線，將一端固定在與上一根細(xì)線相對(duì)的橡皮球的頂點(diǎn)上，另一端與橡皮塞連接，如圖2所示。

（4）將圖2結(jié)構(gòu)按照橡皮塞在下、乒乓球在上的順序放置于礦泉水瓶中，橡皮塞穿過(guò)礦泉水瓶口，并將燒杯放置在礦泉水瓶正下方，如圖3所示。

2模型操作過(guò)程

2.1操作步驟

（1）向礦泉水瓶中緩慢注入紅墨水，當(dāng)紅墨水未將乒乓球充分浮起時(shí)（也就是連接乒乓球與橡皮球之間的細(xì)線未被充分拉直時(shí)），觀察此時(shí)瓶口紅墨水流出的速度。

（2）繼續(xù)向礦泉水瓶中緩慢注入紅墨水，當(dāng)紅墨水將乒乓球充分淹沒(méi)時(shí)（也就是連接乒乓球與橡皮球之間的細(xì)線被充分拉直時(shí)），觀察此時(shí)瓶口紅墨水流出的速度，并與上一步進(jìn)行對(duì)比。

（3）繼續(xù)觀察：當(dāng)?shù)V泉水瓶中的水位逐漸恢復(fù)到第一步時(shí)，觀察此時(shí)瓶口紅墨水流出的速度。

3演示結(jié)果及解釋

3.1演示結(jié)果

模型演示結(jié)果及現(xiàn)象見(jiàn)表1。

3.2結(jié)果解釋及說(shuō)明

在此模型中，紅墨水模擬人體內(nèi)的血糖含量，礦泉水瓶模擬人體內(nèi)環(huán)境，乒乓球模擬胰島素，橡皮塞模擬胰高血糖素。當(dāng)?shù)V泉水瓶中的紅墨水含量較低時(shí)，橡皮塞在重力的作用下拉動(dòng)橡皮球，從而使礦泉水瓶中的紅墨水流出速度緩慢，甚至不流出，以此模擬當(dāng)人體中血糖含量較低時(shí)，胰腺分泌胰高血糖素，從而減少血糖的分解。當(dāng)?shù)V泉水瓶中的紅墨水含量達(dá)到一定高度時(shí)，乒乓球在浮力的作用下會(huì)拉動(dòng)橡皮球，從而使得礦泉水瓶中的紅墨水流出速度加快，以此模擬當(dāng)人體中血糖含量較高時(shí)，胰腺分泌胰島素，從而加快血糖的分解，最終使得血糖含量降低。同時(shí)，乒乓球?qū)ο鹌で蛳蛏系睦拖鹌と麑?duì)橡皮球向下的拉力，也可以模擬胰島素和胰高血糖素在人體血糖調(diào)節(jié)中的“拮抗作用”。

4總結(jié)與反思

通過(guò)反復(fù)實(shí)踐和不斷改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)此“血糖調(diào)節(jié)”模型存在以下優(yōu)點(diǎn)和不足之處。

4.1優(yōu)點(diǎn)

（1）材料易得，制作簡(jiǎn)單。此“血糖調(diào)節(jié)”模型中所用的材料均是日常生活中常見(jiàn)的物品，且制作方法簡(jiǎn)單，通常約10 min便可完成，便于學(xué)生在課堂上制作。

（2）便于操作，節(jié)省時(shí)間。相較于生物學(xué)教材中的“糖卡”模型，此模型操作步驟和方法簡(jiǎn)單，且最終演示現(xiàn)象明顯、直觀，既有利于教師在課堂上進(jìn)行直觀演示，也便于學(xué)生實(shí)際操作。

（3）抽象內(nèi)容直觀化。此模型最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)ⅰ把钦{(diào)節(jié)”這一復(fù)雜的、抽象的生物學(xué)知識(shí)直觀化、具體化，瓶中紅墨水流出速率可直觀反應(yīng)胰島素和胰高血糖素在血糖調(diào)節(jié)中的復(fù)雜生物學(xué)機(jī)理。

（4）此模型亦可作為其他“反饋調(diào)節(jié)機(jī)制”演示模型，如胰島素和腎上腺素的拮抗作用等。

4.2缺點(diǎn)及補(bǔ)充

（1）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象容易受溶液性質(zhì)的影響。在此模型中，模擬“血糖”的溶液最好選用蒸餾水、紅墨水、葡萄糖溶液等來(lái)代替，不宜選用染料等帶有顆粒物的懸濁液。因?yàn)閼覞嵋褐械奈⑿腋☆w粒會(huì)使得橡皮球與瓶口之間形成細(xì)小的縫隙，從而對(duì)水流出的速率造成影響。

（2）模型容易受溫度等的影響。如橡皮球在較冷的環(huán)境中會(huì)變硬，使得其與瓶口不能充分接觸，從而對(duì)水流速率造成一定程度的影響。