“興奮的傳導(dǎo)”創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)

張純

【摘? 要】提出問(wèn)題是思維的起點(diǎn)，教學(xué)中力求培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用已有的知識(shí)學(xué)會(huì)探究，可以從教師創(chuàng)設(shè)的具體情境中提出問(wèn)題，通過(guò)小組討論設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并完成實(shí)驗(yàn)操作。在“興奮的傳導(dǎo)”教學(xué)中，筆者以三個(gè)實(shí)驗(yàn)“生物組織帶有生物電嗎？”“興奮在蛙坐骨神經(jīng)上是以什么信號(hào)傳導(dǎo)？”“動(dòng)作電位是鈉離子順濃度梯度內(nèi)流引起的嗎？”為主線，將生物電的發(fā)現(xiàn)科學(xué)史和興奮在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)內(nèi)容重新組合，學(xué)生通過(guò)積極的動(dòng)手和動(dòng)腦，提升了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】興奮的傳導(dǎo)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；高中生物學(xué)

一、問(wèn)題的提出

“教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出的一個(gè)基本理念，然而電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)在高中階段由于很多因素的限制開(kāi)展起來(lái)比較困難，特別是農(nóng)村中學(xué)，生物實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有配備電腦、平板等電子產(chǎn)品，也沒(méi)有電極、傳感器、神經(jīng)屏蔽盒等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)教師也嚴(yán)重配備不足。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行了改進(jìn)，不需要額外采購(gòu)實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)了三個(gè)所有學(xué)校都可以開(kāi)展的分組實(shí)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單，觀察效果良好。學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)以及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，不僅提高了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，而且提高了探索生命科學(xué)奧秘的興趣。

二、教材分析

本課題是人教版選擇性必修1“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”第2章第3節(jié)的內(nèi)容，此小節(jié)一共需要2個(gè)課時(shí)，在第1課時(shí)中，興奮在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)是重點(diǎn)和難點(diǎn)，正文后面的“生物史話”介紹了生物電的發(fā)現(xiàn)，以電生理學(xué)發(fā)展的時(shí)間為軸，可以有機(jī)地將這兩個(gè)內(nèi)容結(jié)合起來(lái)。課程標(biāo)準(zhǔn)中的要求包括了三點(diǎn)：第一，闡明神經(jīng)細(xì)胞膜內(nèi)外在靜息狀態(tài)具有電位差。用的行為動(dòng)詞是“闡明”，這就要求學(xué)生不僅要知道電位差的存在，還要解釋為什么靜息狀態(tài)神經(jīng)元的膜內(nèi)膜外會(huì)存在電位差。第二，受到外界刺激后形成動(dòng)作電位。這點(diǎn)也要求學(xué)生不僅要知道什么是動(dòng)作電位，還要能說(shuō)明動(dòng)作電位產(chǎn)生的機(jī)理。第三，沿神經(jīng)纖維傳導(dǎo)。這點(diǎn)就要求學(xué)生能說(shuō)明興奮在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)的形式、機(jī)理和特點(diǎn)。在課本上以陳述性語(yǔ)言介紹了電刺激蛙坐骨神經(jīng)后靈敏電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)情況，并介紹靜息電位和動(dòng)作電位的產(chǎn)生是由鉀離子和鈉離子流動(dòng)所致，由于這部分內(nèi)容比較抽象，學(xué)生沒(méi)有直觀的感受，很難理解和掌握。

三、學(xué)情分析

（一）知識(shí)儲(chǔ)備

在必修1“物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸”中，學(xué)生已經(jīng)知道被動(dòng)運(yùn)輸、主動(dòng)運(yùn)輸?shù)任镔|(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的方式，在本章第1節(jié)“神經(jīng)調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”中，學(xué)生對(duì)“神經(jīng)元”的結(jié)構(gòu)和功能有了一定的了解，在第2節(jié)“神經(jīng)調(diào)節(jié)的基本方式”中，學(xué)生知道了反射活動(dòng)和興奮會(huì)沿著反射弧傳導(dǎo)。在高中物理教學(xué)中，學(xué)生已掌握了電表的使用，這就為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了良好的知識(shí)基礎(chǔ)。

（二）能力儲(chǔ)備

通過(guò)必修板塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則和方法“單一變量”“對(duì)照實(shí)驗(yàn)”已經(jīng)有了一定的了解；并具備了從科學(xué)事實(shí)中提取和處理有效信息的能力；掌握了模型建構(gòu)的方法。但不是所有的學(xué)生都具備獨(dú)立探究能力，需要通過(guò)小組合作交流，使不同學(xué)生都得到發(fā)展的機(jī)會(huì)。

四、實(shí)驗(yàn)材料

（一）牛蛙離體后肢

超市或菜場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)可食用牛蛙，請(qǐng)工作人員幫忙剝皮和去內(nèi)臟，處理好后放置在自帶的0.65%氯化鈉溶液中帶回。在實(shí)驗(yàn)室用解剖剪剪下蛙的后肢，并剪開(kāi)大腿部分組織，露出坐骨神經(jīng)方便學(xué)生找到坐骨神經(jīng)即可，如圖1所示。

（二）靈敏電流計(jì)及導(dǎo)線

電流計(jì)是物理實(shí)驗(yàn)中常用的儀器，靈敏電流計(jì)有兩個(gè)接線柱，一個(gè)是G0，另一個(gè)是G1，用兩根雙頭鱷魚(yú)夾的導(dǎo)線一根連接靈敏電流計(jì)負(fù)極，另一根連接靈敏電流計(jì)正極的G0接線柱，另外兩個(gè)鱷魚(yú)夾備用，如圖2所示。

（三）電池組和導(dǎo)線

電池盒和電池也是物理實(shí)驗(yàn)室的常用器材，連接電池組的導(dǎo)線選擇一頭鱷魚(yú)夾的，另一頭香蕉頭的，并將兩根導(dǎo)線香蕉頭部分用絕緣膠帶粘貼起來(lái)，如圖3所示。

五、 教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）課堂導(dǎo)入

教師使用心電圖，創(chuàng)設(shè)了源于生活的真實(shí)情境。心電圖是記錄心臟電活動(dòng)的圖形，從而引出問(wèn)題，生物電是如何發(fā)現(xiàn)的呢？

（二）生物電發(fā)現(xiàn)科學(xué)史

18世紀(jì)意大利解剖學(xué)家伽爾瓦尼在解剖銅盤(pán)里的青蛙時(shí)，發(fā)生了神奇的一幕（展示動(dòng)畫(huà)），蛙腿發(fā)生了抽搐的現(xiàn)象，在排除當(dāng)時(shí)已知的雷電和靜電之后，伽爾瓦尼認(rèn)為“動(dòng)物組織帶有生物電”，然而他的這個(gè)觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)卻遭到了很多人的質(zhì)疑，物理學(xué)家伏特（A.Volta，1745—1827）重復(fù)了伽爾瓦尼的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為這純屬物理現(xiàn)象，因?yàn)椴煌饘僦g可以產(chǎn)生電位差，伏特為驗(yàn)證自己的論點(diǎn)做了大量的實(shí)驗(yàn)，最終在1800年制成了世界上最早的直流電池。

判斷一個(gè)物體是否帶電可以用物理中常用的什么儀器來(lái)檢測(cè)？學(xué)生很快說(shuō)出用靈敏電流計(jì)，并能說(shuō)出使用方法，如果將電表的兩極連在牛蛙的離體后肢上，指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，就說(shuō)明動(dòng)物組織帶有生物電。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果：將連接靈敏電流計(jì)的兩根導(dǎo)線的鱷魚(yú)夾夾在可食用牛蛙離體后肢的任意部位，觀察電表指針的偏轉(zhuǎn)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)夾在坐骨神經(jīng)上，另一個(gè)夾在肌肉上時(shí)，指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：動(dòng)物組織帶有生物電。

（三）坐骨神經(jīng)-腓腸肌實(shí)驗(yàn)

上一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，電表的一極連在牛蛙的坐骨神經(jīng)上，另一極連在肌肉上，由于之前有反射弧的知識(shí)基礎(chǔ)，學(xué)生認(rèn)同牛蛙的坐骨神經(jīng)能將興奮從脊髓傳到效應(yīng)器，引出問(wèn)題：興奮在牛蛙的坐骨神經(jīng)上是以什么信號(hào)傳導(dǎo)呢？

思考：興奮在傳入神經(jīng)和傳出神經(jīng)上是以什么信號(hào)進(jìn)行傳導(dǎo)？如果興奮在牛蛙的坐骨神經(jīng)上是以電信號(hào)進(jìn)行傳導(dǎo)，那么在傳導(dǎo)過(guò)程中肯定會(huì)引起坐骨神經(jīng)電位的變化，電位的變化可以使靈敏電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。那么，興奮在牛蛙的坐骨神經(jīng)上真的是以電信號(hào)傳導(dǎo)嗎？如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明？因?yàn)檠芯康膶?duì)象是坐骨神經(jīng)，所以要將電表的兩極都接在坐骨神經(jīng)上，再給予一個(gè)電刺激。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果：將靈敏電流計(jì)接在牛蛙的坐骨神經(jīng)上，用電池組產(chǎn)生的電流給予坐骨神經(jīng)一個(gè)電刺激，觀察靈敏電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)指針發(fā)生兩次方向相反的偏轉(zhuǎn)，并且牛蛙腿發(fā)生抽搐。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：興奮在牛蛙的坐骨神經(jīng)上是以電信號(hào)的形式傳導(dǎo)。

（四）動(dòng)作電位產(chǎn)生的機(jī)理

槍烏賊有一個(gè)巨大軸突，直徑可達(dá)1毫米，再介紹玻璃微電極，微電極技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，使電極插入膜內(nèi)成為可能。正是由于對(duì)槍烏賊神經(jīng)細(xì)胞巨型軸突上電信號(hào)的探討，霍奇金和赫胥黎獲得了1963年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，所以，任何一項(xiàng)重大的突破都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)不僅要選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料，還要依賴于技術(shù)的發(fā)展。

教師展示霍奇金和赫胥黎的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，當(dāng)電表的兩極都位于膜外時(shí)，電表讀數(shù)為0，當(dāng)左邊電極插入膜內(nèi)之后，電表讀數(shù)就變成了-45mV，如果在神經(jīng)元上施加一個(gè)刺激，電表的讀數(shù)又變?yōu)?40mV。為什么會(huì)出現(xiàn)外正內(nèi)負(fù)的靜息電位和外負(fù)內(nèi)正的動(dòng)作電位呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：在細(xì)胞內(nèi)外，一些離子總是不均等分布，而且細(xì)胞膜上這些離子的特定的跨膜運(yùn)輸是靜息電位形成的基礎(chǔ)。動(dòng)作電位是短暫的、快速的膜電位變化過(guò)程，一個(gè)動(dòng)作電位的產(chǎn)生主要與Na+和K+跨膜移動(dòng)有關(guān)。靜息狀態(tài)，鉀離子協(xié)助擴(kuò)散運(yùn)出細(xì)胞，這是產(chǎn)生了外正內(nèi)負(fù)的靜息電位的原因，受到刺激后，鈉離子通道開(kāi)啟，鈉離子協(xié)助擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞，產(chǎn)生了外負(fù)內(nèi)正的動(dòng)作電位。

（五）動(dòng)作電位真的是鈉離子順濃度梯度內(nèi)流引起的嗎

根據(jù)之前的推測(cè)，動(dòng)作電位產(chǎn)生的原因是鈉離子協(xié)助擴(kuò)散進(jìn)入膜內(nèi)導(dǎo)致，根據(jù)必修1學(xué)過(guò)的協(xié)助擴(kuò)散的特點(diǎn)，影響協(xié)助擴(kuò)散速率的因素是膜內(nèi)外離子濃度差和膜上載體蛋白的數(shù)量。若將培養(yǎng)液中的Na+濃度降低，再次測(cè)定可能得到怎樣的結(jié)果？同學(xué)們通過(guò)思考討論，猜測(cè)動(dòng)作電位的峰值會(huì)降低，科學(xué)家通過(guò)用槍烏賊作為實(shí)驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)改變神經(jīng)元軸突外Na+濃度時(shí)，靜息電位并不受影響，但動(dòng)作電位的峰值會(huì)隨著Na+濃度的降低而降低。顯然不能重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)闃尀踬\是很難獲取的實(shí)驗(yàn)材料，但是是否用容易獲取的實(shí)驗(yàn)材料探究這個(gè)課題呢？前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都用的是牛蛙，學(xué)生也能想到用蛙來(lái)做這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。雖然用牛蛙沒(méi)法測(cè)量每個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)作電位峰值，但是可以測(cè)出坐骨神經(jīng)上的復(fù)合動(dòng)作電位峰值。然后介紹任氏液，任氏液是一種比較接近兩棲動(dòng)物內(nèi)環(huán)境的液體，任氏液中氯化鈉濃度為0.65%，如果改變鈉離子濃度，動(dòng)作電位的峰值會(huì)怎么改變？

思考：如果動(dòng)作電位真的是鈉離子協(xié)助擴(kuò)散內(nèi)流引起的，以牛蛙坐骨神經(jīng)為材料，給予一個(gè)電刺激，用靈敏電流計(jì)測(cè)膜外的電位變化，降低外界溶液鈉離子濃度，電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)幅度就會(huì)變小，提高外界溶液鈉離子濃度，電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)幅度就會(huì)變大。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果：將靈敏電流計(jì)接在蛙的坐骨神經(jīng)上，用0.65%的NaCl浸潤(rùn)蛙的坐骨神經(jīng)，用電池組產(chǎn)生的電流給予坐骨神經(jīng)一個(gè)電刺激，電流計(jì)讀數(shù)為50微安，多次滴加0.2%的NaCl在牛蛙的坐骨神經(jīng)上，使其充分浸潤(rùn)在0.2%的NaCl中，給予牛蛙的坐骨神經(jīng)相同的一個(gè)電刺激，電流計(jì)讀數(shù)為10微安。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：動(dòng)作電位是鈉離子順濃度梯度內(nèi)流引起的。

六、教學(xué)反思

生物學(xué)的研究是基于實(shí)驗(yàn)和觀察走向深入，以資料和問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)設(shè)源于生活的真實(shí)情境，首尾使用心電圖，深度體驗(yàn)所學(xué)知識(shí)在社會(huì)實(shí)踐和現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用方式和實(shí)際意義。設(shè)計(jì)材料和操作簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙苊夂?jiǎn)單地向?qū)W生灌輸知識(shí)結(jié)論，能訓(xùn)練學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并能從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中得出結(jié)論的科學(xué)思維。三個(gè)小實(shí)驗(yàn)分別從起因“生物電的發(fā)現(xiàn)”—現(xiàn)象“興奮在神經(jīng)纖維上以電信號(hào)傳導(dǎo)”—機(jī)理“動(dòng)作電位是鈉離子順濃度梯度內(nèi)流引起”三個(gè)方面介紹興奮在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)。將課堂模式從知識(shí)習(xí)得型向問(wèn)題思考型轉(zhuǎn)化，將思維教學(xué)滲透在教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中，分組實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生很快處于一種主動(dòng)、積極的情境氛圍中，滿足學(xué)生求知的內(nèi)在需求，從而有利于激發(fā)其好奇心和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定中用的電表是物理學(xué)中的常用工具，也可以使學(xué)生明確物理學(xué)的工具與方法在生物學(xué)研究中的作用，認(rèn)識(shí)到跨學(xué)科知識(shí)與技術(shù)在生物學(xué)研究與學(xué)習(xí)中的價(jià)值。