“三重表征”理论在“血糖调节”教学中的应用与实践

闰白洋

“血糖调节”是沪教版《生命科学》第五章的内容，也是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》选择性必修模块“稳态与调节”中大概念“生命个体的结构与功能相适应，各结构协调统一共同完成复杂的生命活动，并通过一定的调节机制保持稳态”的内容，在高中生物教学中有着重要的地位。人体内血糖调节的过程十分复杂，内容较为抽象，若单凭教师讲述，学生很难理解。当前许多研究都是通过模型构建的方式，落实“血糖调节”的教学目标。模型构建的方法确实能够发挥学生的主动性，加深血糖调节知识的理解，提高学生的探究能力。但是该方法也存在一定的不足，如模型构建的教学仅围绕在不同情境下（饱餐或运动）血糖调节的大致流程，中间所涉及的微观方式并没有建构，很难运用到实际生活中解释糖尿病的类型、机理及危害等。基于此，笔者尝试利用“三重表征”理论进行血糖调节的教学实践，为血糖调节教学提供一种新的教学形态。

1“三重表征”理论内涵

“三重表征”是由苏格兰格拉斯哥大学科学教育中心的约翰斯顿教授提出的化学学习中宏观、微观和符号三种水平，并认为该理论也适用于物理、生物等其他科学课程的学习。生命科学是一门研究生命现象、生命组成、生命规律及原理的学科，既包括对可观察的宏观现象研究，又包括对现象理解的微观水平和符号水平的研究。生命科学的内容特点决定了学生在学习中必然要从宏观、微观和符号等方面对生命现象及其变化规律进行多种感知，从而在心理上形成生物学习的“三重表征”：宏观表征、微观表征和符号表征，并建立三者之间的有机结合和相互转化（图1）。

在“三重表征”建立和转化的过程中，需要学生能够在情境中观察和描述宏观现象，通过资料的查阅或者设计探究实验，采用推理与演绎、模型与建模、归纳与总结等适当的科学思维方式揭示宏观现象的微观机理，并利用符号进行表达。或者，在面对生活中与生物学相关的问题时，根据生物学原理或过程的符号表征，利用多个相关的生物学概念进行微观分析，通过逻辑推理设计方案，解决宏观世界的问题。如果学生按照“三重表征”理论来学习生命科学知识、思考生命科学问题，运用恰当、灵活的表征方式，并在不同表征形式之间进行熟练地转化，促进知识的结构化和策略化，必然能够更有效地理解和应用生物学知识，分析和解决实际生活中的问题，促进科学探究和科学思维能力的提升。

2“三重表征”理论的教学实践

“血糖调节”是时刻发生在学生身体中的反应，但是学生很少能够感知到身体血糖浓度的变化及调节的过程。目前，学生关于血糖已有一些知识储备和生活经验，如血糖是血液中的葡萄糖、葡萄糖的氧化分解是细胞能量的主要来源、血糖脂肪蛋白质可以相互转化，接触过低血糖症或糖尿病等，知道有些糖尿病患者可以注射胰岛素进行治疗等，但对这些现象的机理及相关疾病预防可能不清楚。因此，在教学中，教师可以首先通过正常人不同时间的血糖浓度变化作为宏观表征，利用血糖的运输、胰岛素/J咦高血糖素作用等微观内容解释宏观现象，再用符号或图形表征血糖调节的机理。因此，在“血糖调节”教学中，笔者采取“宏观切入一微观解释一符号表征”和“符号表征一微观分析一宏观决策”的“宏观一微观一符号”三重表征及相互转化的方式，进行教学实践。

2.1宏观切入一微观解释一符号表征

教学前，教师先给学生布置研究性学习任务：在进餐后每隔30min测量自己的血糖浓度，连续测试5h，做好记录，绘制成曲线图（图2），并展示和交流测量结果，进行宏观表征。在此过程中，学生可以认识到生物学规律或概念是经过科学的实验探究形成的。

接着，教师提出问题：进餐后，血糖浓度为什么会上升？一段时间后，血糖浓度为什么会下降？通过问题引导学生将宏观表征向微观表征进行转化。学生在解答问题中建构微观表征：食物中的淀粉在消化道中水解成葡萄糖，经小肠上皮细胞进入血浆，从而引起血糖浓度的升高。在此过程中，血糖在组织液中与胰岛B细胞膜上受体结合，刺激胰岛B细胞中胰岛素基因的转录、翻译，并通过内质网、高尔基体加工运输至细胞膜，以胞吐方式运输至组织液，再进入血浆，通过血液循环，胰岛素被运至肝细胞等组织细胞周围的组织液中，胰岛素与组织细胞膜受体结合，增加葡萄糖转运载体数目，促进血浆中的葡萄糖进入细胞内进行细胞呼吸供能，或转化为糖原、脂肪和氨基酸等，从而降低了血糖浓度（图3）。当长时间不进食，血糖浓度低于正常值时，胰岛A细胞膜上受体接收血糖偏低的信号，转录翻译分泌胰高血糖素，并通过内环境与肝细胞等组织细胞膜受体结合，促进靶细胞内肝糖原水解成葡萄糖，氨基酸、脂肪转化成葡萄糖，葡萄糖出细胞后进入组织液，再进入血浆，成为血糖，使血糖浓度升高。

最后，在理解微观表征基础上，学生利用文字箭头提取微观表征的关键过程进行符号表征（图4）。微观表征转化为符号表征是将具体的微观生理过程抽象成简单的符号，对提升学生归纳与概括、演绎与推理等科学思维能力有着重要作用。

2.2符号表征一微观分析一宏观应用

在构建“血糖调节”符号表征的基础上，学生通过新情境中的符号表征（图5），理解糖尿病分为I型糖尿病和Ⅱ型糖尿病，部分糖尿病是由于患者体内的抗体1和抗体2水平异常引起。教师提出问题，引导学生将符号表征转化为微观分析，分析抗体1和抗体2的作用机理：“有人认为糖尿病都可以通过注射胰岛素来治疗，你是否同意这个观点？据图分析为什么？”学生思考：抗体1与胰岛B细胞受体结合，导致胰岛B细胞对葡萄糖浓度升高不敏感，产生胰岛素数量减少，可以通过注射胰岛素进行治疗。而抗体2破坏了靶细胞的胰岛素受体，使胰岛素无法发挥作用，注射胰岛素没有作用，因此不同意问题中的观点。通过符号表征向微观分析转化，不仅可以培养学生在面对生活中与生物学相关的问题时，能利用生物学原理提出自己观点的科学思维能力，还能培养学生基于生物学的基本观点，辨别并揭穿伪科学的社会责任。

教师继续提出问题：“某同学在早晨进餐后进行体检，测定其血糖浓度过高（超过正常范围上限），该同学是否患了糖尿病？你如何据图向他解释进餐后他体内血糖调节的过程？”以此引导学生通过符号表征向微观表征和宏观表征转化，解释血糖浓度过高的原因。学生根据图示，可以构建微观表征：早晨进餐后，血糖的消化吸收通过小肠上皮细胞进入血浆，导致血糖浓度升高，进而导致肾小管中葡萄糖浓度升高，超过肾小管吸收葡萄糖的阈值，使部分葡萄糖随尿液排出，属于正常现象，该同学不一定患了糖尿病。在血糖调节过程中，血糖升高通过与细胞膜上的受体结合直接刺激胰岛B细胞或通过下丘脑刺激胰岛B细胞，促进胰岛B细胞分泌胰岛素增加，胰岛素与组织细胞膜受体结合，促进葡萄糖转运蛋白增加，促进血糖进入细胞内转化为蛋白质、糖原和脂肪，从而形成宏觀表征。

教师通过“三重表征”之间转化实践“血糖调节”在日常生活中的应用，可以培养学生解决实际生活问题的能力，促进学生养成健康的生活方式。

3“三重表征”理论教学实践反思

在“宏观一微观一符号”三重表征及相互转化的“血糖调节”教学中，学生能够在新的问题情境中，基于事实和证据，采用适当的科学思维方法揭示生物学规律或机制，并选用恰当的方式表达、阐明其内涵，形成稳态与平衡观，并能指导人的健康生活方式，切实促进了核心素养的发展。

除了血糖调节之外，生物学科很多内容均涉及到宏观、微观和符号的表征，比如植物向光性和顶端优势、洋葱表皮细胞的质壁分离与复原、基因的遗传定律、伴性遗传定律等。因此，“三重表征”理论在生物学教学中有着广泛应用前景，教师可以尝试进行实践。