王 穎 裘 成 張志祥

（寧波市惠貞書(shū)院 浙江寧波 315016）

“血糖調(diào)節(jié)”是高中生物學(xué)《選擇性必修2·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》中的重點(diǎn)知識(shí)，其內(nèi)容微觀抽象，調(diào)節(jié)機(jī)制復(fù)雜，理解難度較大。為將血糖調(diào)節(jié)過(guò)程直觀化，不少教師采用卡片來(lái)模擬血糖變化，但手動(dòng)增添或減少卡片難以展現(xiàn)血糖動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，也無(wú)法體現(xiàn)激素作用和血糖變化在時(shí)間上的同步性。Micro：bit是一款基于ARM（Advanced Risc Machine）的嵌入式硬件，可通過(guò)編寫(xiě)代碼來(lái)運(yùn)行程序，并外接杜邦線、LED燈等電子元件實(shí)現(xiàn)燈光變化、信息展示等功能。因此，筆者利用Micro：bit開(kāi)發(fā)“血糖調(diào)節(jié)”物理模型并應(yīng)用于教學(xué)，通過(guò)創(chuàng)設(shè)可視化的血糖變化情境，讓學(xué)生通過(guò)交互的方式深入理解胰島細(xì)胞對(duì)血糖調(diào)節(jié)的邏輯，豐富課堂教學(xué)。

1 基于Micro：bit的血糖調(diào)節(jié)模型簡(jiǎn)介

該模型基于Micro：bit開(kāi)源硬件開(kāi)發(fā)，使用Micro-Python將血糖調(diào)節(jié)中的多重運(yùn)行邏輯轉(zhuǎn)換為代碼并寫(xiě)入Micro：bit，設(shè)計(jì)電路并將線路內(nèi)置于人體模型的泡沫裝置中，將LED燈外顯于相關(guān)組織細(xì)胞泡沫板外。

模型（圖1）左下角是接通電源的杜邦線。頂部的Micro：bit面板中央顯示的LED燈數(shù)代表人體血糖含量，可根據(jù)進(jìn)食、運(yùn)動(dòng)或相關(guān)激素調(diào)節(jié)程序的運(yùn)行發(fā)生相應(yīng)變化，兩側(cè)依次是“進(jìn)食”按鈕和“運(yùn)動(dòng)”按鈕。人體泡沫板中由胰島細(xì)胞處引出的黃色或綠色杜邦線可與其他組織細(xì)胞上的杜邦線接頭相連，若連接情況與激素作用完全相符，則程序正常運(yùn)行，泡沫板上的LED燈會(huì)同時(shí)亮起以說(shuō)明激素正在特定部位發(fā)揮作用。Micro：bit面板上的LED燈數(shù)也會(huì)相應(yīng)增減來(lái)表示激素調(diào)節(jié)下的血糖含量變化。

圖1 血糖調(diào)節(jié)模型初始狀態(tài)及相關(guān)零部件簡(jiǎn)圖

2 基于Micro：bit的血糖調(diào)節(jié)模型的教學(xué)嘗試

2.1 教學(xué)目標(biāo)

①認(rèn)識(shí)進(jìn)食或運(yùn)動(dòng)后的血糖來(lái)源與去路和相關(guān)激素變化，建立穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

②分析科研資料和數(shù)學(xué)模型，明晰胰島素作用途徑，發(fā)展分析與推理、歸納與概括等科學(xué)思維。

③合作搭建血糖調(diào)節(jié)物理模型，科學(xué)描述血糖調(diào)節(jié)過(guò)程，借助物理模型深度分析激素作用機(jī)理，提出模型優(yōu)化建議，學(xué)會(huì)交流與表達(dá)、質(zhì)疑與創(chuàng)新。

④感知進(jìn)食或運(yùn)動(dòng)的生活情境，理解激素調(diào)節(jié)的限度，認(rèn)同合理飲食和運(yùn)動(dòng)的積極意義。

2.2 教學(xué)環(huán)節(jié)

2.2.1 創(chuàng)設(shè)生活情境，厘清來(lái)源與去路

接上電源，Micro：bit面板上亮滿14盞LED燈（圖2），每個(gè)燈設(shè)定8個(gè)亮度級(jí)別，代表空腹?fàn)顟B(tài)的血糖含量為112 mg/100 dL，處于80～120 mg/100 dL的正常范圍內(nèi)。教師演示人體進(jìn)食后的血糖含量變化（按動(dòng)“進(jìn)食”按鈕），LED燈每0.015 s增加1/8的亮度，直至亮滿19盞，即血糖含量逐漸上升至152 mg/100 dL。復(fù)位后再演示運(yùn)動(dòng)后的血糖含量變化（按動(dòng)“運(yùn)動(dòng)”按鈕），亮起的LED燈減少5盞，血糖逐漸下降至72 mg/100 dL。教師提出問(wèn)題：“進(jìn)食”或“運(yùn)動(dòng)”后，血糖變化的原因是什么？“進(jìn)食”或“運(yùn)動(dòng)”后的血糖含量會(huì)一直處于“較高”或“較低”的水平嗎？人體如何維持血糖含量的穩(wěn)定？能否聯(lián)系日常生活，歸納血糖的來(lái)源和去路？

圖2 空腹?fàn)顟B(tài)Micro：bit面板上的血糖含量

學(xué)生通過(guò)觀察LED燈的變化，結(jié)合有機(jī)物水解和細(xì)胞呼吸相關(guān)知識(shí)，說(shuō)出：進(jìn)食后血糖升高是由消化吸收食物中的糖類引起的，以及運(yùn)動(dòng)后血糖下降是由葡萄糖大量氧化分解以維持機(jī)體供能造成的。同時(shí)，學(xué)生依據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，討論得出“肝糖原分解”和“非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)化”兩條來(lái)源及“合成肝糖原、肌糖原”和“轉(zhuǎn)化為非糖物質(zhì)”兩條去路，并運(yùn)用文字和箭頭繪制“血糖來(lái)源與去路”概念模型。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用Micro：bit面板上的LED燈來(lái)模擬不同生活情境下的血糖含量變化，營(yíng)造了直觀生動(dòng)的教學(xué)氛圍，調(diào)動(dòng)學(xué)生的感官，激發(fā)學(xué)生的探究興趣。

2.2.2 分析科研資料，探討激素作用

教師提供科研資料：①對(duì)人體灌注葡萄糖和胰島素，8 h灌注期間腿部肌肉中肌糖原濃度不斷增加。②胰島素影響脂肪組織代謝的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）。③胰島素影響肝細(xì)胞糖原合成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖3）。

表1 胰島素處理對(duì)脂肪組織代謝的影響

圖3 肝細(xì)胞糖原合成曲線圖

教師提出問(wèn)題：以上資料分別說(shuō)明了胰島素的什么作用？胰島素對(duì)血糖來(lái)源或去路起到促進(jìn)還是抑制作用？

學(xué)生在已知“胰島素具有降血糖作用”的知識(shí)背景下對(duì)三則科研資料展開(kāi)邏輯推理，通過(guò)分析資料①、③得出胰島素可促進(jìn)肌糖原、肝糖原的合成，分析資料②得出胰島素既可促進(jìn)脂肪酸合成，又能抑制甘油三酯水解。聯(lián)系知識(shí)點(diǎn)“組成甘油三酯的基本單元是脂肪酸和甘油”和“葡萄糖是合成脂肪酸的前體物質(zhì)”，學(xué)生可推導(dǎo)得出胰島素可通過(guò)促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)化為油脂，從而達(dá)到降血糖的目的。再?gòu)奶厥獾揭话憧偨Y(jié)出胰島素對(duì)血糖的來(lái)源起抑制作用，對(duì)血糖的去路起促進(jìn)作用。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用真實(shí)的科研數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)表格、曲線圖等不同形式的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，有利于學(xué)生數(shù)據(jù)分析和邏輯推理能力的提升。

2.2.3 運(yùn)行物理模型，模擬血糖調(diào)節(jié)

2.2.3.1 進(jìn)食后血糖含量變化模擬

教師提示“將胰島B細(xì)胞引出的黃色杜邦線和不同細(xì)胞上的杜邦線接頭相連來(lái)表示胰島素作用于不同細(xì)胞”。并提出問(wèn)題：能否準(zhǔn)確連線以表征胰島素作用，使進(jìn)食后較高的血糖濃度恢復(fù)正常水平？觀察不同細(xì)胞位置亮起的LED燈的顏色，紅燈表示促進(jìn)，藍(lán)燈表示抑制，判斷上一環(huán)節(jié)的分析是否正確？能否用科學(xué)的語(yǔ)言描述進(jìn)食后血糖濃度、胰島素和其他細(xì)胞的變化？

學(xué)生分析討論，明確胰島素作用途徑，準(zhǔn)確連線并運(yùn)行物理模型（圖4）。同時(shí)解說(shuō)：進(jìn)食后，人體血糖濃度上升，胰島素發(fā)揮作用（黃燈亮），促進(jìn)血糖進(jìn)入組織細(xì)胞進(jìn)行氧化分解（紅燈亮），促進(jìn)血糖進(jìn)入肝臟細(xì)胞合成肝糖原（紅燈亮），同時(shí)抑制肝糖原分解（藍(lán)燈亮），促進(jìn)血糖進(jìn)入肌肉細(xì)胞合成肌糖原（紅燈亮），促進(jìn)血糖進(jìn)入脂肪細(xì)胞合成甘油三酯（紅燈亮），同時(shí)抑制甘油三酯等非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟牵ㄋ{(lán)燈亮）。一段時(shí)間后，血糖含量逐漸恢復(fù)至正常水平（Micro：bit上的亮燈數(shù)恢復(fù)至15盞，即120 mg/100 dL），胰島素作用結(jié)束（黃燈滅）。

圖4 進(jìn)食后胰島素作用效果演示

2.2.3.2 運(yùn)動(dòng)后血糖含量變化模擬

教師再次按動(dòng)“運(yùn)動(dòng)”按鈕展示運(yùn)動(dòng)后血糖含量變化，引導(dǎo)學(xué)生思考：運(yùn)動(dòng)過(guò)程中哪種激素分泌量增加？胰高血糖素通過(guò)哪些途徑達(dá)到升血糖的效果？能否正確連線以展示胰高血糖素作用效果并用科學(xué)的語(yǔ)言描述？

學(xué)生明確運(yùn)動(dòng)時(shí)胰高血糖素作用途徑，準(zhǔn)確連線運(yùn)行裝置（圖5）并同步解說(shuō)：運(yùn)動(dòng)過(guò)程中細(xì)胞呼吸速率加快，人體血糖濃度下降。此時(shí)，胰島A細(xì)胞感受到刺激，胰高血糖素發(fā)揮作用（綠燈亮），促進(jìn)肝糖原分解成葡萄糖進(jìn)入血液（紅燈亮）、促進(jìn)甘油三酯轉(zhuǎn)變?yōu)樘牵t燈亮）。一段時(shí)間后，人體血糖濃度恢復(fù)至正常水平（Micro：bit上的亮燈數(shù)上升至15盞），胰高血糖素作用結(jié)束（綠燈滅）。

圖5 運(yùn)動(dòng)后胰高血糖素作用效果演示

設(shè)計(jì)意圖：教師借助模型將微觀的激素作用轉(zhuǎn)化為可視化現(xiàn)象，可即時(shí)檢驗(yàn)并反饋學(xué)生的分析結(jié)果是否正確（一旦存在錯(cuò)誤連線，模型便無(wú)法運(yùn)行）。分階段認(rèn)識(shí)模型運(yùn)行時(shí)的信號(hào)變化，并用科學(xué)的語(yǔ)言進(jìn)行表征，保障了學(xué)生學(xué)習(xí)的循序漸進(jìn)，對(duì)表達(dá)與交流能力的發(fā)展也有重要作用。

2.2.4 渲染問(wèn)題情境，總結(jié)調(diào)節(jié)機(jī)制

教師利用物理模型引導(dǎo)學(xué)生深度分析激素作用機(jī)理，嘗試優(yōu)化血糖調(diào)節(jié)模型。教師提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考：①觀察胰島與其他細(xì)胞之間的位置關(guān)系，說(shuō)明激素是如何到達(dá)其他細(xì)胞的？②裝置中從胰島細(xì)胞引出的杜邦線必須和其他細(xì)胞處的杜邦線接頭結(jié)合才能運(yùn)行程序，猜測(cè)激素需要和靶細(xì)胞之間發(fā)生什么過(guò)程才能發(fā)揮作用？過(guò)程中激素承擔(dān)了什么角色？③血糖含量正常時(shí)，胰島細(xì)胞是否也在分泌相關(guān)激素？④胰島素和胰高血糖素之間存在什么關(guān)系？

學(xué)生觀察胰島與其他細(xì)胞之間的位置關(guān)系，得出激素通過(guò)體液傳播到達(dá)靶細(xì)胞；結(jié)合兩根杜邦線的匹配情況，認(rèn)識(shí)到激素和靶細(xì)胞表面的受體特異性結(jié)合并發(fā)揮作用，同時(shí)說(shuō)明激素作為一種信息分子參與穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。聯(lián)系體檢報(bào)告，學(xué)生討論得出胰島細(xì)胞在血糖含量正常時(shí)也持續(xù)在分泌相關(guān)激素，進(jìn)而提出“應(yīng)將胰島細(xì)胞處的黃燈和綠燈設(shè)定亮度等級(jí)，以亮度強(qiáng)弱表示激素分泌量的大小”等優(yōu)化建議。隨后在模型運(yùn)行和問(wèn)題解決中，學(xué)生認(rèn)識(shí)兩種激素的拮抗關(guān)系，理解反饋調(diào)節(jié)的機(jī)制和意義。

設(shè)計(jì)意圖：教師圍繞血糖調(diào)節(jié)物理模型設(shè)置問(wèn)題串，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)理解裝置設(shè)計(jì)來(lái)把握激素特點(diǎn)，助力形成信息觀。學(xué)生基于問(wèn)題提出裝置優(yōu)化建議，在深度理解激素作用特點(diǎn)的同時(shí)發(fā)散思維，提升創(chuàng)新能力。

3 反思

本節(jié)課利用LED燈光模擬血糖含量變化來(lái)創(chuàng)造學(xué)習(xí)情境，融合數(shù)學(xué)模型、物理模型和概念模型，以“理解模型”“建構(gòu)模型”“應(yīng)用模型”為主脈組織教學(xué)。學(xué)生歸納血糖調(diào)節(jié)過(guò)程和反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，并借此指導(dǎo)健康生活，提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

培養(yǎng)具有較強(qiáng)綜合實(shí)踐能力的學(xué)生是信息化時(shí)代發(fā)展的需要。教師可嘗試帶領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)、物理學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科知識(shí)制作和開(kāi)發(fā)類似物理模型，并將其運(yùn)用于課堂教學(xué)。不同學(xué)科知識(shí)的綜合化運(yùn)用必將能幫助學(xué)生更全面客觀地認(rèn)識(shí)事物的表觀現(xiàn)象或本質(zhì)。