建構生物學模型，凸顯結構與功能觀
——以“泌尿系統(tǒng)”教學為例

孟湘蓮|浙江省衢州市菁才中學

“結構與功能相適應”是生物學的基本思想，運用這一觀念能對生命現(xiàn)象作出科學解釋和預測，因此應凸顯“結構與功能觀”的教學[1]。傳統(tǒng)教學中，教師通常先介紹生物體的結構，再講解活動過程。結合過程介紹其功能，看似高效，學生卻由于缺乏推理、論證等活動，只是被動地獲得事實性知識，因而不能深刻理解“結構與功能相適應”，更難以形成觀念。筆者在“泌尿系統(tǒng)”教學時，采用建構模型的教學策略，有效發(fā)展了學生的“結構與功能觀”。

一、創(chuàng)設情境，激發(fā)建模需求

基于生物學模型建構的教學，不能讓學生停留在記住模型的形式和內容上，而應創(chuàng)設良好的問題情境，重視“原型”，從模型的源頭開展教學，關注模型是如何發(fā)生、形成和發(fā)展的，讓學生充分認識模型建構的價值和內涵。否則，學生就會缺乏建構模型的內在動力，感受不到模型的魅力與內在科學思想。泌尿系統(tǒng)的組成較為復雜，尤其腎單位的結構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，引導學生關注腎臟的結構和功能的關系，醞釀建構生物學模型的需求。

筆者先用PPT展示“鋼腎哥”自制“鋼腎”維持生命13年的故事，引導學生思考如下問題。

（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”的內部結構是怎樣的？（4）“鋼腎”是如何代替腎臟工作的？（5）如何正確應對腎臟病變？

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

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

建構模型前需要分析原型，找出原型的某種本質特征，明確建模的目的和表現(xiàn)形式，以此為建模作準備。筆者用3Dbody人體解剖軟件展示泌尿系統(tǒng)，并讓學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，引導學生仔細觀察腎臟的外部特征，學生發(fā)現(xiàn)腎臟呈紅褐色，有較強的膻味，有3根“管子”接在腎的中部。學生產(chǎn)生疑問“這3根‘管子’在腎臟內部是怎樣聯(lián)系在一起的，它們是怎樣協(xié)調工作產(chǎn)生尿液的”，進而意識到需要建構結構模型來解釋。

設計意圖：通過真實有意義的情境，讓學生感知建構生物學模型是研究生命規(guī)律和解釋生命現(xiàn)象的重要方法。閱讀尿毒癥的資料、學習泌尿系統(tǒng)的組成和功能、觀察腎臟的外部特征，為學生提供建構生物學模型的原型，引導學生從“結構與功能”的視角來建構模型，為下一步建構生物學模型提供表象支持。

二、科學推理，建構腎臟模型

建構生物學模型最重要的是實現(xiàn)建模過程中行為與思維的統(tǒng)一。模型是科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等科學思維的具體表達。教學中若直接呈現(xiàn)腎臟模型，學生會由于缺少相應的建模思維訓練，不能對結構與功能的關系理解到位，以致無法在日后運用這個靠機械記憶的模型來分析、解釋、預測生命現(xiàn)象。

“結構與功能觀”的內容是：具有特定的結構就一定會表現(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構所維持的，生物體的結構和功能具有統(tǒng)一性[2]。因此，教師可引導學生沿著“生物體的功能需要一定的結構來實現(xiàn)”的思維線索，開展演繹、推理和論證活動。如：根據(jù)腎臟能夠形成尿液、排出含氮廢物、凈化血液，讓學生結合凈化水的經(jīng)驗，類比推測腎臟內有“過濾器”；根據(jù)腎臟能高效過濾廢物，引導學生聯(lián)系肺泡周圍布滿毛細血管有利于氣體交換的特點，演繹推理出腎臟內的“過濾器”由毛細血管網(wǎng)組成。在這些思維活動的探究中，學生充分認識到腎臟結構的精巧和高效，不僅發(fā)展了科學思維，還強化了“結構與功能相適應”的觀念。

驅動性任務：為了排出血液中的廢物，你覺得腎臟內部有哪些特殊結構？請大家根據(jù)“生物體的特定生理功能必然是由特定的結構所維持的”進行大膽構想，在白紙上畫一畫，并說出你的理由。

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

血液從動脈流入，經(jīng)過腎臟后被凈化，從靜脈流出，同時產(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)尿液中沒有血細胞，所以“血路”和“尿路”是相互獨立的，血液中的廢物進入尿液的過程類似過濾。

思維層次深一點的學生，根據(jù)動脈血管和靜脈血管之間由毛細血管連接，腎臟呈紅褐色，作出如下推測，并建構出了如圖1-b所示的模型。

此外，要修訂完善有關訴訟法的司法解釋，平等保障當事人訴訟權利;進一步完善產(chǎn)權司法保護制度，加強產(chǎn)權保護力度;及時研究完善財產(chǎn)征收征用案件裁判規(guī)則，維護被征收征用者的合法權益;及時出臺審理個人信息權糾紛案件適用法律問題的司法解釋，保護個人信息權。

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

筆者點評后，順勢幫助學生建構起“入球小動脈、腎小球、出球小動脈、腎小囊、原尿、濾過作用、腎小管”的概念。

設計意圖：建模教學不是教師簡單地進行模型、教具展示，而是要讓學生自己動手、動腦參與建?；顒?，促進其深入理解知識和培養(yǎng)其良好的科學思維習慣[3]。把腎臟設計成一個“黑箱”，讓學生運用“結構與功能相適應”的觀念，結合事實性知識和經(jīng)驗進行合理推理，猜想腎臟內部的結構，并采用畫圖的形式建構假想模型，變被動接收為主動探究，能更好地培養(yǎng)學生的科學推理能力和建模能力。

三、科學論證，修正腎臟模型

模型如何解釋說明生物學現(xiàn)象，模型具有哪些優(yōu)勢和局限性，以及如何修正模型，應該進行科學論證，檢驗模型的合理性、科學性和適用性，以便修正、完善甚至重構出規(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，不能恰當準確地解決實際問題，教師應該補充信息，讓學生再次分析主要問題，對自己的模型進行質疑、論證，使學生發(fā)現(xiàn)自己沒有掌握的知識和沒有理解的自然現(xiàn)象，并進一步探究新知，修正完善模型，在證據(jù)和推理的基礎上發(fā)展理性思維。

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

學生分析以上信息，產(chǎn)生思維沖突：腎臟為什么如此高效？我們每天排出的尿為什么遠小于150L？如何保證葡萄糖不流失？難道腎臟內有一種結構能夠把有用物質吸收回去？

帶著這些問題，學生繼續(xù)推理論證如下。

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

結合豐富的直觀體驗，學生加工新信息，在腎小管周圍補充了毛細血管，用箭頭表示物質被重新吸收回血管，并提出毛細血管與腎小管相互纏繞，以提高重吸收效率，建構起重吸收、腎小體、腎單位的概念。

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

設計意圖：科學是基于證據(jù)的解釋，教師通過文字、圖片、實物等為學生提供豐富的信息，讓學生發(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)，對獲得的新信息進行深加工，完善模型后，再將其與腎臟內部的真實結構進行對比，思考原型與模型之間的關系，在輸出信息和輸入信息的比較中，深入理解腎單位的結構和功能之間的關系。最后，師生合力抽象出泌尿系統(tǒng)的簡化模型，并將模型教學可視化，即以板書的形式呈現(xiàn)，以優(yōu)化學生的認知結構。板書呈現(xiàn)如圖2所示（見下頁）。

四、項目遷移，應用腎臟模型

建構模型是為了使復雜的生命現(xiàn)象或過程直觀、簡潔，使之便于理解。應用模型解決實際問題，將理論反哺實踐，既是學生認識的提升，又有利于加深學生對模型及事物本質的理解，還能檢驗模型教學是否達到了預期效果。建構正確的泌尿系統(tǒng)模型，能幫助學生認識泌尿系統(tǒng)的主要特征、解釋尿液形成的機制、預測腎臟各項功能的發(fā)展趨勢。為了鞏固學生對泌尿系統(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)化驗報告。學生根據(jù)這些病人與健康人化驗報告的差異，對照泌尿系統(tǒng)的模型，很容易就能得出血尿、蛋白尿是因為腎小球發(fā)生病變導致血細胞、蛋白質進入原尿中，而腎小管不能把原尿中的葡萄糖全部重吸收會導致糖尿病。這種對知識的成功遷移運用，讓學生對后續(xù)學習保持動力。

一般而言，解釋現(xiàn)象只是模型運用的低級階段，運用模型創(chuàng)造性地解決實際問題才是教學的終極目標。因此，教師還應該對模型學習進行項目遷移，以擴展模型。筆者回歸“鋼腎哥”的故事，讓學生思考：“‘鋼腎’是如何代替腎臟工作的？它的內部結構是怎樣的？”然后，筆者組織學生開展項目化學習：設計人工腎。

筆者先讓學生仔細觀察“鋼腎”外面的四根“管子”，然后順著以下關鍵問題進行思考。

（1）過濾廢物的材料應該具什么特點？（2）運輸廢物的液體應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？

學生將“鋼腎”與腎臟進行類比遷移，結合腎單位的結構模型分析如下。

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

筆者展示部分“鋼腎”設計稿，引導學生進一步優(yōu)化。學生提出為了增大過濾面積，應將半透膜做成彎曲的管子，模擬毛細血管；還提出增加血液動力泵，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構示意圖，學生在比較分析之后，不禁慨嘆科技的智慧。

設計意圖：模型為學生解釋腎臟病變的原因提供了思維線索，學生在體驗腎臟結構的精妙中，認同腎臟的形態(tài)結構與形成尿液是相適應的，感悟“生物體是一個統(tǒng)一的有機整體”，這就使學生對健康的理解由“知”到“信”再到“行”，逐步形成科學、健康的行為習慣。設計人工腎，可讓學生的模型思維、創(chuàng)新思維得到發(fā)展，引導學生關注科學、技術、社會和環(huán)境，培養(yǎng)學生用科技服務社會的責任感，升華“結構與功能觀”的價值。

綜上，學生只有能自覺運用“結構與功能觀”去分析和解決生物學問題，才能真正體會到生物學的魅力[5]。運用模型的方法表征生物學現(xiàn)象，教師需要設計合適的活動，讓學生參與推理、論證等過程，經(jīng)歷模型的建構、評價、修正和應用，凸顯“結構與功能觀”的培養(yǎng)。