（四川省成都市航天中學(xué)校 四川成都 610100）

1 引言

《美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》指出，教師應(yīng)該幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到，模型的開發(fā)和測試是通過將模型與現(xiàn)實(shí)的觀察相比較而進(jìn)行的。模型是與真實(shí)物體、單一事件或一類事件對(duì)應(yīng)的而且具有解釋力的試探性體系或結(jié)構(gòu)。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）也明確指出，教師要培養(yǎng)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)，其中就包括了基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)的模型與建模的科學(xué)思維能力。國內(nèi)外的教育政策引領(lǐng)著“模型”思想在教學(xué)實(shí)踐中不斷生根發(fā)芽。而在高中生物教學(xué)實(shí)踐中，“模型”思想往往體現(xiàn)在3個(gè)由淺入深的層次，即通過解析已有模型來概述生物學(xué)事實(shí)，通過構(gòu)建知識(shí)模型來回歸生物學(xué)事實(shí)，通過應(yīng)用建構(gòu)模型來辨析生物學(xué)事實(shí)。因此，一堂課中如何把握“解析模型”“構(gòu)建模型”“應(yīng)用模型”的整體教學(xué)，將影響學(xué)生對(duì)生物學(xué)事實(shí)的整合并形成生物學(xué)概念，同時(shí)對(duì)于達(dá)成《課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)的“讓學(xué)生能夠深刻理解和應(yīng)用重要的生物學(xué)概念”，具有重要價(jià)值和意義。下面將以“血糖調(diào)節(jié)”為例，闡明“解析—構(gòu)建—應(yīng)用”模型的教學(xué)設(shè)計(jì)與組織策略。

2 分析背景，設(shè)計(jì)教學(xué)思路和目標(biāo)

2.1 教學(xué)分析

血糖調(diào)節(jié)是動(dòng)物激素調(diào)節(jié)中的典型案例，與現(xiàn)實(shí)生活具有顯著的聯(lián)系。例如，在教材中，“問題探討”欄目以馬拉松比賽為線索，引出有關(guān)血糖含量下降的思考；而在“思考與討論”欄目中，又再次以馬拉松比賽為背景，提出血糖的補(bǔ)充路徑，并對(duì)飯后血糖升高又降低的調(diào)節(jié)機(jī)制提出思考；在“與社會(huì)的聯(lián)系”一欄，教材提出有關(guān)糖尿病的發(fā)病、預(yù)防和治療的探討；在“模型構(gòu)建”中，教材以卡片游戲?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建血糖調(diào)節(jié)的模擬活動(dòng)。

在學(xué)習(xí)血糖調(diào)節(jié)之前，學(xué)生已經(jīng)初步具備了一定的模型構(gòu)建技能，曾經(jīng)構(gòu)建過“人體細(xì)胞與外界環(huán)境物質(zhì)交換的模型”“反射活動(dòng)的基本模型”等。另一方面，學(xué)生在“激素調(diào)節(jié)”板塊已經(jīng)初步學(xué)習(xí)了人體主要內(nèi)分泌腺及激素，為學(xué)習(xí)血糖調(diào)節(jié)積累了一定的知識(shí)基礎(chǔ)?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出，“運(yùn)用模型構(gòu)建的方法、建立血糖調(diào)節(jié)的模型”是本節(jié)的教學(xué)目標(biāo)。

2.2 思路設(shè)計(jì)

圍繞“解析模型—構(gòu)建模型—應(yīng)用模型”的教學(xué)思路，本節(jié)教學(xué)活動(dòng)分為五部分：

①以我國田徑運(yùn)動(dòng)員取得的比賽成績?yōu)榫€索，引出血糖調(diào)節(jié)的主題。

②分享課前預(yù)習(xí)內(nèi)容（飯后血糖濃度變化曲線），解析血糖來源和去路的數(shù)學(xué)模型、概念模型，并用胰島細(xì)胞的物理模型來促進(jìn)學(xué)生理解胰島素和胰高血糖素的合成部位。

③解析激素作用的物理模型，探討胰島素和胰高血糖素的分泌、運(yùn)輸和作用過程。

④基于生物學(xué)事實(shí)，構(gòu)建以激素調(diào)節(jié)為主的血糖調(diào)節(jié)模型。

⑤應(yīng)用建構(gòu)好的血糖調(diào)節(jié)模型，辨析日常飲食中補(bǔ)充血糖的方法。

2.3 教學(xué)目標(biāo)

①通過解析進(jìn)食后血糖濃度變化的數(shù)學(xué)模型，闡明血糖的主要來源和去路；

②通過解析胰島素和胰高血糖素合成、分泌、運(yùn)輸和作用的物理模型，認(rèn)同“激素作為信息分子、調(diào)節(jié)靶細(xì)胞生命活動(dòng)”的觀點(diǎn)，構(gòu)建出血糖調(diào)節(jié)過程的概念模型；

③通過應(yīng)用血糖調(diào)節(jié)的概念模型，樹立合理營養(yǎng)膳食的“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”。

3 實(shí)踐過程，落實(shí)“模型”思想和策略

3.1 最新新聞背景導(dǎo)入，引出“模型”教學(xué)的主題

“模型”思想的教學(xué)實(shí)施，前提是尊重生物學(xué)事實(shí)、回歸身邊的生活問題。因此選擇恰當(dāng)?shù)那榫潮尘?，巧妙地引出問題，將能極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力、明確學(xué)習(xí)方向。

教師利用視頻，帶領(lǐng)學(xué)生回顧劉翔在110 m跨欄比賽中奪冠的場景，并照應(yīng)2019年7月21日倫敦舉辦的國家田聯(lián)鉆石聯(lián)賽中，中國選手謝震業(yè)和謝文駿分別獲得男子200 m和110 m欄的冠軍。在營造出國民自豪感的時(shí)候，教師提出問題：“運(yùn)動(dòng)員的成功離不開自身神經(jīng)系統(tǒng)精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)肢體運(yùn)動(dòng)，更與自身能量供給息息相關(guān)。人體的主要供能物質(zhì)是什么？”這樣借此引出關(guān)鍵詞“血糖”，啟發(fā)學(xué)生帶著問題——“人體如何維持血糖含量相對(duì)穩(wěn)定的”，走近課堂。

3.2 解析血糖濃度變化的數(shù)學(xué)模型，引出血糖的來源和去路

解析模型不僅僅是一個(gè)教學(xué)過程，而且還能培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、分析信息、概括思維的能力。特級(jí)教師蔡方平認(rèn)為，對(duì)圖示的理解、對(duì)圖示信息的提取、對(duì)圖示信息的運(yùn)用水平怎樣，正是學(xué)生能力高低的表現(xiàn)。而解析“數(shù)學(xué)模型”就是分析直觀的曲線圖、柱狀圖等，找出客觀規(guī)律。學(xué)生通過聯(lián)系自身已有的知識(shí)背景，嘗試去解釋曲線變化規(guī)律時(shí)，更容易暴露原認(rèn)知的不足，為重新構(gòu)建知識(shí)體系奠定基礎(chǔ)。

教師展示資料，一道學(xué)生繪制血糖濃度隨時(shí)間變化的曲線圖：有一位科學(xué)家進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)，用更高濃度的葡萄糖溶液飼喂一只動(dòng)物，在接下來的3 h內(nèi)，每隔30 min檢查該動(dòng)物血液中葡萄糖的濃度，結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表

然后，教師提出問題：①30 min以前，血糖濃度為什么上升？②30～120 min，血糖濃度為什么下降？通過學(xué)前經(jīng)驗(yàn)的交流，結(jié)合必修三教材P25的“血糖來源和去路”概念模型，學(xué)生初步理解血糖的補(bǔ)充路徑和消耗路徑。然后，教師追問：120 min以后，血糖濃度依靠什么調(diào)節(jié)，維持在0.75 mg/mL左右？通過解析數(shù)學(xué)模型，學(xué)生會(huì)更系統(tǒng)、準(zhǔn)確地理解“血糖來源和去路的概念模型”（圖1），如區(qū)分肝糖原、肌糖原與血糖的轉(zhuǎn)化關(guān)系，區(qū)分非必需氨基酸和必需氨基酸與血糖的轉(zhuǎn)化關(guān)系等。

3.3 解析激素分泌、運(yùn)輸和作用的物理模型，引出胰島素和胰高血糖素的調(diào)節(jié)機(jī)制

解析“物理模型”，首先是對(duì)模型中的信息進(jìn)行獲取，然后對(duì)實(shí)物或圖畫等直觀表達(dá)形式進(jìn)行闡釋，能說出其表達(dá)的事物特征，或者概括出其表達(dá)的動(dòng)態(tài)過程。而在血糖調(diào)節(jié)中，理解胰島素和胰高血糖素的合成部位、運(yùn)輸途徑、作用部位和作用效應(yīng)，將成為構(gòu)建血糖調(diào)節(jié)的重要基礎(chǔ)。

教師展示激素分泌、運(yùn)輸、作用的物理模型（圖2），啟發(fā)學(xué)生思考：①胰島素或胰高血糖素分泌后進(jìn)入到什么環(huán)境中？如何運(yùn)輸?shù)桨屑?xì)胞？②胰島素是否進(jìn)入靶細(xì)胞內(nèi)部參與細(xì)胞代謝？靶細(xì)胞通過什么結(jié)構(gòu)識(shí)別胰島素？③胰島素作為信息分子，如何促進(jìn)組織細(xì)胞加速攝取、利用和儲(chǔ)存葡萄糖？學(xué)生通過思考系列問題，逐步認(rèn)同“胰島素是由胰島B細(xì)胞分泌的信號(hào)分子，經(jīng)體液運(yùn)輸作用于靶細(xì)胞的細(xì)胞膜受體，促進(jìn)靶細(xì)胞加速攝取、利用和儲(chǔ)存葡萄糖，從而使血糖水平降低”，并類比推理出“胰高血糖素是由胰島A細(xì)胞分泌的信號(hào)分子，經(jīng)過體液運(yùn)輸作用于靶細(xì)胞的細(xì)胞膜受體，以實(shí)現(xiàn)肝糖原分解、非糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為葡萄糖”。在學(xué)生充分理解的基礎(chǔ)上，教師再引導(dǎo)學(xué)生去推測胰島素和胰高血糖素作用的靶細(xì)胞種類（圖3、圖4）。

3.4 構(gòu)建以激素調(diào)節(jié)為主的血糖調(diào)節(jié)概念模型，補(bǔ)充生物學(xué)事實(shí)予以完善

構(gòu)建模型是較高層次上的一個(gè)過程，要求學(xué)生能夠?qū)ι飳W(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)屬性具備清晰的認(rèn)識(shí)，并能用圖示、文字、符號(hào)等組成的流程圖形式對(duì)事物的生命活動(dòng)規(guī)律、機(jī)理進(jìn)行描述和闡明。而構(gòu)建模型的過程，需要學(xué)生將大腦中的思維進(jìn)行圖示化構(gòu)思，大致要經(jīng)歷“基礎(chǔ)構(gòu)建”→“問題暴露”→“糾錯(cuò)重構(gòu)”→“豐富完善”的過程。

首先，結(jié)合胰島素和胰高血糖素的合成部位和作用機(jī)理，學(xué)生初步繪制高血糖背景下胰島素對(duì)血糖的調(diào)節(jié)過程、低血糖背景下胰高血糖素對(duì)血糖的調(diào)節(jié)過程，并通過展示交流、暴露典型錯(cuò)誤。例如，在圖5A中，學(xué)生只是簡單繪制了兩種血糖背景下兩種激素的分泌量變化。在圖5B中，學(xué)生表示出了血糖升高和血糖降低兩種背景下，兩種激素的合成部位、作用途徑，相對(duì)于前一位學(xué)生的概念模型，能具體地展示激素調(diào)節(jié)的過程，唯一的不足之處在于描述胰島素功能時(shí)，沒有強(qiáng)調(diào)“促進(jìn)組織細(xì)胞對(duì)葡萄糖的利用和儲(chǔ)存”。

接著，在糾正基礎(chǔ)的概念模型后，教師給出下丘腦、腎上腺素、反饋調(diào)節(jié)的文字資料，讓學(xué)生在初步構(gòu)建的概念模型上，再做進(jìn)一步完善。而在構(gòu)建的過程中，學(xué)生需要勇于嘗試構(gòu)建、接受同學(xué)互評(píng)、再次展示交流，最終得到如圖6所示的血糖調(diào)節(jié)概念模型。在概念模型構(gòu)建活動(dòng)中，學(xué)生需要理解的內(nèi)容包括：①高血糖素和腎上腺素都能促進(jìn)血糖升高，而胰島素是唯一一種能降低血糖的激素；②下丘腦作為血糖感受器和神經(jīng)中樞部位，也會(huì)參與到血糖調(diào)節(jié)過程中，此時(shí)胰島細(xì)胞承擔(dān)效應(yīng)器功能；③通過反饋調(diào)節(jié)的回路，胰島素和胰高血糖素的分泌會(huì)受到限制，導(dǎo)致血糖濃度維持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

3.5 應(yīng)用血糖調(diào)節(jié)概念模型，辨析補(bǔ)充血糖的方式

與常規(guī)教學(xué)設(shè)計(jì)相比，模型建構(gòu)的“學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)”更加關(guān)注學(xué)生的情境體驗(yàn)和積極參與，更加重視學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性的發(fā)揮、更加有利于學(xué)生多種思維能力培養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)的提升。因此，構(gòu)建模型的教學(xué)活動(dòng)不能僅僅停留在繪制概念圖等圖示結(jié)果的層面，更重要的是能夠應(yīng)用已有圖示化模型，解決生活中的實(shí)際問題，讓學(xué)生感受到“學(xué)以致用”的成功和喜悅，從而認(rèn)可模型學(xué)習(xí)的重要價(jià)值。

教師以學(xué)生軍訓(xùn)體驗(yàn)為背景，組織學(xué)生辨析：在炎炎夏日軍訓(xùn)的時(shí)候，人體的血糖消耗很快（血糖偏低）。那么，你會(huì)選擇哪一種食物來補(bǔ)充血糖呢？此時(shí)，一部分學(xué)生會(huì)支持補(bǔ)充葡萄糖等單糖型飲料，理由是消化吸收較快；而另一部分學(xué)生會(huì)支持補(bǔ)充淀粉等多糖，理由是富含膳食纖維、吸收較慢。通過辨析兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合自己所構(gòu)建的概念模型，學(xué)生會(huì)得出結(jié)論：前者吸收快，易造成胰島素大量分泌，胰島B細(xì)胞容易“過度疲勞死亡”；而后者吸收慢，不利于血糖的迅速補(bǔ)充和恢復(fù)，持續(xù)低血糖會(huì)造成休克等癥狀。最終，學(xué)生將對(duì)情境進(jìn)行細(xì)化分析，得出“低血糖癥狀時(shí)應(yīng)該補(bǔ)充單糖飲料、無低血糖癥狀時(shí)應(yīng)補(bǔ)充多糖食物”的科學(xué)營養(yǎng)觀。

4 反思“模型”，啟發(fā)教學(xué)設(shè)計(jì)與組織

“模型”教學(xué)的核心目的是使教學(xué)的組織更加有序、系統(tǒng)和形象。因此，“模型”教學(xué)不能等同于單純地繪制概念圖等圖示，而是應(yīng)該準(zhǔn)確把握解析模型、構(gòu)建模型和應(yīng)用模型3種教學(xué)方式，在“解析”過程中歸納客觀規(guī)律和本質(zhì)特征、理解生物學(xué)事實(shí)；在“構(gòu)建”過程中轉(zhuǎn)化圖示化的思維過程、概述生物學(xué)事實(shí)；在“應(yīng)用”過程中反思模型的內(nèi)涵和外延、回歸生物學(xué)事實(shí)（圖7）。

總之，將高中生物課堂導(dǎo)回到“尊重生物學(xué)事實(shí)”的軌道，將教學(xué)內(nèi)容引領(lǐng)到“聚焦大概念”的潮流，是促進(jìn)學(xué)生深刻理解和應(yīng)用重要生物學(xué)概念的基礎(chǔ)，也是發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的必然路徑。