神經調節中興奮產生的離子基礎

李宏偉 孫立新

一、教材分析

“通過神經系統的調節”是人教版高中生物學必修3“穩態與環境”模塊中的重點章節，也是高考的熱點知識。

本節教學內容源自人教版教材P18小字內容。該部分內容在現行的人教版教材中未涉及過多篇幅來介紹動作電位的形成分析方法和過程，但是浙教版教材卻做了詳細的介紹。這部分知識要求學生能夠分析靜息電位和動作電位產生的原因及運用物質跨膜運輸方式的特點來解釋離子進出神經細胞的特點，其中靜息電位和動作電位產生時離子進出神經細胞的特點是學生學習的難點內容。

這部分內容在近年來的高考題中有不同程度的考查，會涉及離子跨膜運輸的相關知識，也會涉及有關動作電位的波形分析。因此在教學中我們很有必要對這部分內容加以深入的探究和學習。

二、教學過程

1.驗證神經沖動以電信號方式傳播

如果用電刺激蛙的坐骨神經腓腸肌，可以發現其肌肉會立即收縮，而且這個反應非常迅速。

問1.感受器受到刺激后會形成神經沖動，沖動繼續傳播使效應器肌肉做出了相應的應答。這個過程用時很短，也就是說沖動傳播速度非常快。請問神經沖動是化學信號還是電信號？

問2.生物學上的電信號反應與物理學科的電學實驗原理是一樣的。你能設計實驗驗證神經沖動是電信號嗎？

設計意圖：以生物學的知識引出課堂研究的主題，并采用學科相融的觀點，為學生的自主學習與能力發展做好鋪墊。在學生自主發言，相互討論和觀點交流的基礎上，教師引導：利用電流表可以驗證在神經沖動傳遞過程中是否產生了電流，如果有電流產生則說明神經沖動就是以電信號的方式傳播。給出提示——在蛙的坐骨神經上連接上兩個微電極，然后與一個電流表相連接。電流表指針靜止時，神經表面不存在電位差;用電刺激神經，電流表指針快速發生偏轉，證明電信號產生，興奮以電信號形式傳導。

2.驗證電信號傳遞的生物學方式

（1）靜息電位時

科學家研究過很多脊椎動物其軸突直徑最大都在0.02mm，最新發現槍烏賊的神經軸突的直徑可達1mm。無疑槍烏賊的軸突就是研究膜電位的最佳材料之一。科學家發現靜息狀態下神經細胞膜的兩側也有電位差，示波器顯示器差值為-70mV，說明膜內電壓明顯低于膜外。因而說明靜息電位時細胞內為負電荷，而細胞外是正電荷。

問1.請結合課本資源解釋這一現象可能出現的原因。

學生猜測K+流向膜外導致。

問2.如何驗證這一假設是否成立？

學生結合化學平衡原理，提出設想，在細胞外液中再加以一些K+，打破原有的電位差，觀察示波器的數值會如何變化。

因實驗室條件限制，這個實驗采用多媒體演示實驗代替，證明學生的假設可行性，并驗證相關結論。教師進一步提出反思性問題：膜內側K+是否會一直外流，它的運動受什么影響？進而得出結論，當膜內外的電位差穩定在-70mV，K+停止運動。這部分知識與化學平衡移動原理相通，學生很容易理解。

（2）動作電位時

動作電位時研究過程與靜息電位時相類似，主要區別在于實驗開始時要給予神經細胞膜一定的電位刺激，使其電位差發生改變。通過示波器觀察動作電位發生過程中電位差的數值變化，以研究膜內外離子的運動情況。

這個過程同樣是以多媒體演示實驗來完成，在觀看過程中可以發現示波器的數字發生了一個明顯的變化：由-70mV逐漸上升到0并出現+35mV的峰值。邊播放電子演示實驗，邊通過問題引導學生有效思考：這一過程中細胞膜內外的離子可能產生了哪些變化？結合教材內容給出自己的解釋。并提出問題：Na+是以何種方式內流的？Na+會一直內流嗎？

設計意圖：通過層層的問題引導，讓學生既能認真觀察實驗現象，同時認真思考實驗中的一些細節問題，加強學生對教材內容的理解和鞏固。

（3）回歸靜息電位

神經興奮結束后，再次測定細胞內外的K+濃度和Na+濃度，可以發現與實驗開始前時幾乎相同。這進一步說明K+和Na+在神經細胞膜內外雙向流動的特征。與課本內容完全相符，這時候教師可以再縱向延伸，引導學生思考神經細胞膜內外的離子跨膜運輸方式，進一步彰顯生物教學的整體性。

三、教學反思

通過本節課的教學，發現在課堂上以一系列提問串的提問方式能吸引學生的注意力，激發學生學習探究的興趣，并且促進學生能夠積極地參與課堂學習。學必有疑，疑必有思，只有設置情景引發學生思考，才能使學生主動學習。因此在備課時要設計有針對性、啟發性、趣味性和探究性的問題，以激發學生的積極思維。在課堂教學中，老師需要合理地創設情境，有效地分層引導，起到主導作用，才能讓學生有更多時間思考、提問，主動參與學習，充分發揮主體作用，取得更好的學習效果。

注：本文系2018年度甘肅省“十三五”教育科學規劃課題《基于整體性教學設計的高中生物學教學策略研究》階段性成果，課

題批準號為：GS[2018]GHB0359。

編輯 馮志強