巧建模型 辨析生物學概念

四川

在二輪復習備考過程中，筆者發現部分學生對生物學概念的理解不夠透徹，導致其在考試中出現失分的現象，本文通過構建相關模型，明辨拮抗作用、協同作用、（正）負反饋調節、分級調節等生物學概念，希望為學生學習和教師教學提供參考。

1.問題提出

生物學科是由眾多的生物學事實和生物學理論組成的、內容豐富的知識體系，其知識體系包括生物學事實、生物學概念、生物學原理、生物學定律以及相關的模型、假說等。其中，生物學概念是生物學知識體系的基礎，是構建生物學知識體系的支架。甚至可以認為，學好生物學的關鍵就是掌握生物學概念及概念組成的知識體系。

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》在必修課程中提出了兩大模塊，共包含4個生物學大概念，每個生物學大概念下又分別包含數個生物學重要概念，重要概念下又分別包含若干個次位概念。而生命觀念的建立需要在理解生物學概念尤其是重要概念的基礎上，將有關概念融會貫通以實現概念的體系化。這樣才能將重要概念抽象、概括成大概念，從而形成生命觀念。其中，次位概念及其下位概念的學習是建立生命觀念的基礎、起點。

模型是人們按照特定的科學研究目的，在一定的假設條件下，再現原型客體某種本質特征（如結構特性、功能、關系、過程等）的物質形式或思維形式的類似物。模型是人們認識科學的一種手段和思維方法，而構建模型的過程則是協調行為與思維統一的過程。在高中生物學教學過程中，通過構建科學的模型，學生可以體驗建立模型的思維過程，領悟蘊含的方法，并獲得相應的生物學概念。

拮抗作用、協同作用、（正）負反饋調節、分級調節等生物學概念專業性強、抽象程度較高，學生往往難以理解。采用傳統的教學方法很難達到預期的效果，學生往往在試題情境（特別是陌生情境）中無法準確快速地得出正確答案。而采用模型構建的方式，可以將抽象的概念轉化為可以直接感知的形象狀態，以構建模型的方式將上述概念直接呈現出來，降低學生學習難度，更有利于學生對概念本質的理解。

2.構建模型，辨析生物學概念

2.1 構建模型，辨析“拮抗”和“協同”

“拮抗”在教材中“通過激素的調節”這一節出現的原句為“通過以上活動可以看出，胰島素和胰高血糖素的相互拮抗，共同維持血糖含量的穩定。”而“協同”在本節“只字未提”，需要教師補充。故部分教師會向學生補充“協同”和“拮抗”的概念并通過具體事例進行強化，如補充“拮抗”是指不同激素對同一生理效應發揮相反作用，如胰島素和胰高血糖素在調節血糖方面就具有拮抗作用。但結合教學實際，筆者發現上述教學效果并不理想，學生對這種單純知識獲取的表層學習將會導致“拮抗”“協同”的生物學概念很快被遺忘。但通過構建相關模型，就可加深對“拮抗”“協同”概念的認識和理解。

設A、B分別為兩種不同的激素，S為特定的生理效應，則構建“拮抗”模型如圖1所示，構建“協同”模型如圖2所示：

圖1 拮抗模型

圖2 協同模型

【拮抗模型】拮抗作用可以理解為兩種激素對同一個生理效應具備相反的作用效果。如胰島素（A）與胰高血糖素（B），都能作用于血糖平衡調節（↑S↓）但作用相反。又如乙烯（A）與生長素（B），都能影響植物細胞伸長（↑S↓）但作用相反。故上述兩對激素相互拮抗。

【協同模型】協同作用可以理解為兩種激素對同一個生理效應具備相同或相似的作用效果。如胰高血糖素（A）與腎上腺素（B），都能作用于血糖平衡調節（↑S↑）且作用相同。又如甲狀腺激素（A）與生長激素（B），都能影響生物體生長發育（↑S↑）且作用相同。故上述兩對激素相互協同。

2.2 構建模型，辨析“（正）負反饋調節”和“分級調節”

“（負）反饋調節”在教材中“通過激素的調節”這一節出現的原句為“像這樣，在一個系統中，系統本身工作的效果，反過來又作為信息調節該系統的工作，這種調節方式叫反饋調節。”“（正）反饋調節”的概念則需要教師補充，而“分級調節”在本節并沒有直接的概念定義。“（負）反饋調節”的抽象定義以及“分級調節”的未明確定義將給學生的學習帶來巨大困擾。通過構建相應的模型，則可幫助學生厘清概念的本質。

設A、B、C……分別為不同種類的激素，S為特定的生理效應，則構建“負反饋調節”模型如圖3，“正反饋調節”模型如圖4，“分級調節”模型如圖5。

圖3 負反饋調節模型

圖4 正反饋調節模型

圖5 分級調節模型

【（正）負反饋調節模型】（正）負反饋調節可以理解為某種激素產生相應的生理效應，該生理效應反過來會影響該激素的分泌。如果這種影響效果是抑制或負向的，則為負反饋調節；如果這種影響效果是促進或正向的，則為正反饋調節。如胰島素分泌（A↑）達到一定程度時，血糖濃度降低（S），血糖濃度過低反過來會抑制胰島素的分泌（A↓），這樣體內胰島素的含量就不至于過高，這就屬于負反饋調節。又如人們排放垃圾、污水導致河水污染（A↑），河水污染導致水生生物大面積死亡（S），進一步加劇河水污染（A↑↑），這就屬于正反饋調節。

【分級調節模型】分級調節可以理解為A激素（初始）分泌將會導致B激素分泌，B激素分泌將會導致C激素分泌……，最終調節相應生理效應。該調節方式體現出一環扣一環、環環相連、具有分級控制的特點。如下丘腦分泌促甲狀腺激素釋放激素（TRH），TRH運輸到垂體，促使垂體分泌促甲狀腺激素（TSH），TSH隨血液運輸到甲狀腺，促使甲狀腺增加甲狀腺激素的合成和分泌。

3.運用模型，輕松解題

【例1】澳大利亞莫納什大學的研究人員發現了肥胖引發Ⅱ型糖尿病的機制，脂肪細胞會向血液中釋放一種名為色素上皮衍生因子（PEDF）的蛋白質，這種蛋白質能導致肌肉和肝臟對胰島素不再敏感，因此胰腺只能靠產生更多的胰島素來抵消由此帶來的負面影響。如圖6表示人體內血糖調節的過程。圖6中a、b、c表示參與血糖調節的激素。下列敘述正確的是 （ ）

圖6

A.b激素能促進血糖進入組織細胞

B.a、b激素間既存在協同作用又存在拮抗作用

C.c激素的分泌屬于分級調節

D.Ⅱ型糖尿病人的胰島素含量并不低，病因可能是PEDF降低了細胞膜上受體的敏感性

【解析】根據題意，a為胰島素，b為胰高血糖素，c為腎上腺素。促進血糖進入組織細胞的激素為胰島素，A選項錯誤。胰島素（A）和胰高血糖素（B）在血糖調節方面（↑S↓）作用效果相反，只符合拮抗作用模型（如圖1），B選項錯誤。腎上腺素的分泌是通過神經調節的，并未體現分級調節的特點，不符合分級調節模型（如圖5），C選項錯誤。PEDF降低細胞膜上受體的敏感性，導致細胞膜上的受體無法與胰島素結合，不能降低血糖，D選項正確。

【答案】D

【例2】如圖7為人體生長激素分泌的調節示意圖。

圖7

細胞a分泌的激素對細胞c的分泌具有促進作用，而細胞b分泌的激素對細胞c的分泌具有抑制作用，則這兩種激素對細胞c分泌生長激素的調節呈_________關系。若生長激素分泌增多，將______（填“促進”或“抑制”）細胞b的分泌。

【解析】根據題意，細胞a分泌的激素（A）和細胞b分泌的激素（B）在對細胞c的分泌（↑S↓）方面作用效果相反，符合拮抗模型（如圖1）；由細胞c分泌的生長激素不可能一直增多，必將通過（負）反饋調節模型（如圖3），減少分泌，而根據題意細胞b分泌的激素對細胞c的分泌有抑制作用，故促進細胞b的分泌。

【答案】拮抗 促進

【例3】池塘養殖普遍存在由于餌料、魚類排泄物、換水不及時等引起的水體污染現象，研究者設計了一種循環水池塘養殖系統（如圖8）。請回答下列問題：

圖8

與自然池塘相比，人工養殖池塘生態系統恢復力穩定性___________________________。人工養殖池塘水體的N、P含量容易升高，會引起水體的富營養化；藻類等浮游生物大量繁殖、加之死亡后被微生物分解，引起水體的溶氧量下降，造成魚類等死亡，進一步破壞了生態系統穩態，這種調節方式稱為__________________________。

【解析】由于人工養殖池塘比自然池塘物種豐富度要低，其抵抗力穩定性低，恢復力穩定性高。水體的富營養化將一定程度上破壞生態系統穩態（A↑），藻類等浮游生物大量繁殖、加之死亡后被微生物分解，引起水體的溶氧量下降，造成魚類等死亡（S），最終加劇破壞了生態系統穩態（A↑↑），符合正反饋調節模型（如圖4）。

【答案】高 正反饋調節

【例4】睪丸酮（雄性激素）能夠加速機體內各種蛋白質的合成，促進免疫球蛋白的合成，提高免疫力。如圖9是睪丸酮合成分泌受下丘腦、垂體的調節過程。請據圖9回答下列問題：

圖9

圖9中abcd過程體現了雄性激素分泌的___________調節。

【解析】據圖9可知，abc過程可表示為下丘腦分泌促性腺激素釋放激素（A）作用于垂體，垂體分泌促卵泡激素和黃體生成素（B）作用于睪丸，睪丸分泌雄性激素（C），符合分級調節模型（如圖5）；d過程可表示為睪丸酮分泌增多（A↑）反過來抑制下丘腦分泌促性腺激素釋放激素（S），最終使睪丸酮分泌減少（A↓），符合負反饋調節模型（如圖3）。

【答案】分級調節和負反饋

【例5】如圖10表示不同激素處理5組健康小鼠后，其血液中葡萄糖含量的變化。每種激素在不同組別的劑量均相同。已知激素C為壓力激素，與情緒波動有關，而且糖尿病患者血液中胰高血糖素水平較正常人高。下列判斷不正確的是 （ ）

圖10

A.激素處理前幾小時為使小鼠的血糖水平維持在常規水平應該提供食物給小鼠

B.胰高血糖素和腎上腺素表現出了協同作用

C.腎上腺素比胰高血糖素引起的效應較為漸進、幅度較大、效應較持久

D.糖尿病人須避免情緒激動，否則腎上腺素和壓力激素分泌量大量增加，兩者共同作用會提高血糖濃度，有害健康

【解析】為了保證血糖濃度處于正常值，應對小鼠采取饑餓處理，而采用喂食處理，則會引起血糖濃度上升，A選項錯誤。據圖10可知，胰高血糖素（A）和腎上腺素（B）單獨使用時都可以升高血糖（↑S↑），共同使用時升高更加明顯，符合協同模型（如圖2），B選項正確。據圖10可知，注射胰高血糖素時血糖升高迅速，但持續時間短，很快下降，而注射腎上腺素時血糖升高緩慢，但持續時間長，C選項正確。從組5和組4比較分析，激素C在升高血糖濃度中作用明顯，而在情緒激動時，壓力激素分泌會增加，所以糖尿病人應避免情緒激動，D選項正確。

【答案】A

可見，通過模型構建，一方面能幫助學生厘清生物學概念并能在試題中熟練準確地運用，另一方面還能鍛煉學生對復雜事物的簡化和抽象概括能力，提升思維水平。故教師在日常教學中要有意識地引導學生歸納總結、自主構建模型，這無疑對激發學生學習內驅力，提升學科核心素養大有裨益。