在模型建构的过程中发展学生的理性思维

李红文+皮星

【摘 要】本文以兴奋在神经纤维上传导模型构建一课为例，论述通过引导学生构建模型，是一种培养理性思维的有效教学模式；对于不同层次的知识，采取不同形式的模型：物理模型以实物或画图形式直观地表达认识对象的特征，利于学习者直观快速把握知识整体；数学模型将现实世界的原型抽象出来，完整系统地呈现事物本质。

【关键词】生物学科 模型建构 理性思维

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）05B-0038-03

理性思维是生物学科核心素养之一，构建模型及运用模型，也是生物学科的一大特点。在教学过程中，引导学生进行模型构建，有利于学生掌握学科核心概念。在构建概念的过程中，学生逐步掌握学科的核心知识，理解学习的过程，把握学科的本质及思想方法，形成积极的内在学习动机。本文引入以下案例，是在进行《兴奋在神经纤维上传导》的教学中，运用问题驱动方式，让学生将思考问题的答案用物理模型、数学模型一一呈现，使学生从简到繁，层层拨开知识的面纱，深入理解兴奋传导的过程，从而发展学生的理性思维。

一、案例分析

（一）教学思路——基于发展学生理性思维的思考

理性思维就是一种建立在证据和逻辑推理基础上的思维方式，是人类思维的高级形式，是人们把握客观事物本质和规律的能动活动。理性思维能力不是与生俱来的，而是需要后天刻苦的学习和训练，生物学科的学习对理性思维能力的养成有重大的意义。教师在引导学生发现生物现象背后的本质规律时，对事物或问题进行观察、比较、分析、综合、抽象与概括，就是理性思维训练的过程。

《兴奋在神经纤维上传导》是一节高三复习课，学生经过两年学习，基本构建了相关生物学知识框架，具有了一定的学科科学素养。复习课的核心在于进一步完善学生的知识体系，让学生进一步深入理解学科核心概念。复习课不应“炒旧饭”，而应该发掘知识的外延，让学生进行深度学习，促进理性思维。

兴奋在神经纤维上的传导，这个内容在教材中叙述较为简单，而从高考题（见下 2010 年全国高考题）对这方面知识的考查角度来看，不经过思维训练的深度学习，而仅仅知道一些事实性知识是难以顺利解决问题的。

（2010年全国新课标卷，5）将神经细胞置于相当于细胞外液的溶液 S 中，可测得静息电位。给予细胞一个适宜的刺激，膜两侧出现一个暂时性的电位变化，这种膜电位变化称为动作电位。适当升高溶液 S 中的钠离子浓度，测量该细胞的静息电位和动作电位，可观察到（ ）

A.静息电位值减小

B.静息电位值增大

C.动作电位峰值升高

D.动作电位峰值降低

对于上题的解答思路，动作电位的产生与膜内外离子流动有关，学生需要经过理性思维，根据膜内外电位及膜内外离子种类，推导出动作电位的产生是需要阳离子内流才能实现的，因此如果溶液 S 中阳离子的量少，就会导致动作电位的峰值降低。从题目信息获取分析出：减少溶液 S 中的 Na+ 的浓度，则会导致动作电位形成过程中 Na+ 内流量减少，而使峰值降低。

因此，教师在复习课中主要任务是引导学生进行理性思考，而帮助学生构建模型，是促进学生理性思维训练的有效途径。

（二）教学过程——课堂上以问题驱动帮助学生构建模型

1.基于教材构建物理模型

物理模型以实物或画图形式直观地表达认识对象的特征，利于学习者直观快速地把握知识整体。构建兴奋在神经纤维上传导的物理模型，能够训练学生理性思维中的观察、比较、分析能力。对于膜电位知识的直观呈现来说，有利于學生理性分析、比较，推导得出兴奋传导方向与膜电流方向的关系等知识。

师：请同学们阅读教材中“兴奋在神经纤维上的传导”部分。

学生通过回顾教材内容，掌握相关专有名词，初步构建知识网络。

师：让我们用一个鼠标拖动游戏，检验大家的复习情况。

学生代表上台，将正确的名称拖到到相应位置，完成模型构建，其余同学观看、评价。拖动游戏完成后，构建的模型如下图：

师：同学们一起构建了“兴奋在神经纤维上传导”的物理模型，让我们根据这个模型，思考并回答如下问题。

问题 1：神经元受到刺激后，受刺激部位膜内电位如何变化？

生：膜内电位由负电位变为正电位。

问题 2：神经元受到刺激后，膜外局部电流的方向是什么？

生：膜外局部电流方向为，从未兴奋部位流向兴奋部位。

问题 3：兴奋在神经纤维上传导的方向，与哪里的局部电流方向相同？

生：膜内电流方向与兴奋传导方向相同，都是双向传导，从兴奋部位传向未兴奋部位。

2.深度学习构建数学模型

数学模型将现实世界的原型抽象出来，真实、系统、完整、形象地反映客观事物本质，使知识更具有外推性。在构建了膜电位物理模型的基础上，让学生进行深度学习，对形成膜电位的原因、膜电流变化的原因等进行钻研，有效训练学生比较、分析、综合、抽象与概括能力，进一步提升理性思维。

师：如果我们以神经元膜内某个点为研究对象，当给神经元一定刺激后，在兴奋传导的全过程中，该点的电位变化情况怎么样？

生：（根据物理模型，动态思考）该点电位由负变正，再恢复为负电位。

师：这个变化过程我们可以用数学坐标系来表示。横坐标表示时间，纵坐标表示膜电位，请大家小组合作，构建这个数学模型。

生：经过小组合作，相互交流、比较、完善后，构建如下图的模型。

师：从这个数学模型中，我们可以看出，膜内该点膜电位发生了 2 次反转变化。这种变化是怎样形成的呢？请跟着老师的问题进行思考。

问题 1：人体内环境中，细胞膜内外钠离子和钾离子的分布是怎么样的？

生：钠离子主要在细胞外，钾离子主要在细胞内。

问题 2：受刺激后，膜上的钠离子通道会迅速打开，这会引起什么变化？

生：（思考后回答）钠离子顺浓度梯度大量内流进入细胞内，膜内电位反转为正。

问题 3：这个过程属于跨膜运输的哪种形式，钠离子进入细胞需要哪些条件？

生：（思考后回答）钠离子进入细胞需要载体蛋白，因为是顺浓度梯度，属于协助扩散。

师：膜内电位反转为正，是一个短暂的过程，极短的时间后，又将恢复为原来的负电位，这个过程是怎么形成的？

学生的回答出现了分歧。一部分同学认为是原来进入的钠离子流出细胞外，另一部分同学认为是膜内的钾离子流出细胞外。

教师通过陈述一个事实性知识，引导学生正确思考。

师：前面大家说的钠离子的载体蛋白，其实是一种通道蛋白，它只能专一性让钠离子通过。当钠离子在内流过程中，钾通道被激活而开放。根据这个事实，大家说恢复膜内电位的原因是什么？

生：膜内钾离子顺浓度梯度外流到细胞外，导致细胞膜内电位迅速下降，恢复为原来的负电位。

师：虽然膜内恢复负电位，但出现了一个问题。此时，细胞膜内仍有较多钠离子，细胞外有较多钾离子。而静息状态下，钠离子很少在细胞内，钾离子很少在细胞外的，要真正恢复静息状态下的离子分布，还需要哪种跨膜运输？

生：（思考后回答）钠离子主动运输到膜外，钾离子主动运输到膜内。

师：你是如何判断出这是主动运输过程的？

生：细胞外钠离子浓度高于细胞内，钠离子逆浓度梯度运输到膜外，需要能量，属于主动运输。

师：大家的思考很好。科学家发现，神经元膜上有一种钠钾泵，通过主动运输的方式将钠离子泵出，钾离子泵入。同学们经过一次头脑风暴，对兴奋在神经纤维上的传导有了比较深刻的认识。我们现在把刚才的数学模型的几个特殊点用字母表示，请大家将各时间段的变化及原因归纳总结到表格中。

学生小组合作、相互交流完善图形和表格。

3.运用模型进行解题

模型是理性思维的结晶，是帮助学生理清知识线索、明确方法步骤、规范执行细节的好工具。著名科学家钱学森先生说：“模型就是通过对问题现象的分解，利用我们考虑得来的原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所创造出来的一副图画。”模型解题就是用最简单的模块对应的规律去解决各种各样的问题。

教师再展示高考题（2010 年全国新课标卷，5），引导学生思考。

生：（根据数学模型，经过思考作答）动作电位的高低与钠离子进入细胞内的量有关，细胞内外钠离子浓度差越大，则进入胞内的带正电离子越多，动作电位峰值就越大。

师：分析得很好。我们再来看另一道题，看看大家是否能将思维方式迁移应用。

（2016 年新课标卷，2）离子泵是一张具有 ATP 水解酶活性的载体蛋白，能利用水解 ATP 释放的能量跨膜运输离子。下列叙述正确的是（ ）

A.离子通过离子泵的跨膜运输属于协助扩散

B.离子通过离子泵的跨膜运输是顺着浓度阶梯进行的

C.动物一氧化碳中毒会降低离子泵跨膜运输离子的速率

D.加入蛋白质变性剂会提高离子泵跨膜运输离子的速率

生：这道题虽然没有点明是神经细胞膜上的钠钾泵，但是原理一样，需要能量进行的跨膜运输是主动运输——逆浓度梯度进行物质运输的，如果一氧化碳中毒，氧气供应不足，那么将影响细胞呼吸，主动运输受到抑制，运输速率下降。

二、案例反思

学习最忌浅尝辄止。在复习课中，通过物理模型帮助学生构建起神经纤维上电位变化及兴奋在神经纤维上传导的知识，这个过程还只是让学生对生物学基本事实有了一定的了解。运用模型，可以帮助学生清晰描述膜内外电位情况、电流方向，直观呈现兴奋在神经纤维上的双向传导，兴奋传导方法与膜内电流方向的关系等。用这些事实性知识进行简单的推论，还不足以体现生物学科的深刻性，对学生理性思维形成的促进作用还不够大。

在高三复习课中，学生已有了一定的知识储备，对生物学事实性知识掌握较好，教师要做的是在学生的知识孤岛之间架起一座座桥梁，让学生将知识连通起来，以事实性知识为基石，经过理性思维进行深度学习，敲开一扇扇学科原理的大门。复习不仅要了解生物知识是什么、有什么，而且要思考为什么、怎么形成（也就是理解知识生成的过程）。

在本节复习课中，通过将物理模型转变为数学模型，通过几个特殊点之间连线，使之呈现变化趋势，让知识从静止的点，成为运动的线，将原理的面纱层层展开。学生通过事实性知识：①膜外为正电位、膜内为负电位；②钠离子主要分布在膜外，钾离子主要分布在膜内；③跨膜运输，协助扩散顺浓度梯度进行。进行一次思维的跨越联系，理性思考得出结论：受刺激后，膜电位由靜息状态的外正内负反转为外负内正，原因是神经细胞膜通道蛋白打开，钠离子迅速内流，使膜内电位迅速上升，电位反转。而电位的恢复过程，是膜内钾离子通过通道外流完成的。这两个阶段离子都是顺浓度梯度，不需要能量，属于协助扩散。学生在思考这些问题的过程中，会出现一些分歧，这也是教学中难得的机遇，有利于学生在辨析中进一步思考，更好地形成理性思维。

学生研读教材之后，教师利用一个个问题将核心知识逐步呈现，帮助学生在思考中构建物理模型、数学模型，形成正确的学科知识，并训练学生理性思维的能力。由简到繁构建模型，是对知识由浅到深的学习过程；用表格对数学模型各阶段进行注解，是对知识进行整合升华的过程。运用模型解决实际问题，能让学生成为既具有独立性、批判性、创造性又有合作精神、基础扎实的优秀的学习者。

【参考文献】

[1]陈兴华.借助模型建构发展学生的理性思维[J].中学生物教学，2017（1-2）

[2]辛 涛，姜 宇，刘 霞.我国义务教育阶段学生核心素养模型的构建[J].北京师范大学学报〔社会科学版〕，2013（1）

（责编 卢建龙）