生物學模型與問題導引激發學科素養的探討

何宇家

【摘要】高中生物學牽涉很多微觀的生物結構和生命現象，若能將這些微觀的生物結構和生命現象模型化，加以辨析引導，將有助于學生更直觀地去理解和掌握相關的生物學結構、生物學概念和生命現象。在教學活動過程中，教師針對相關的生物學概念和生命現象提前準備好問題導引、結合模型構建與分析，然后面對學生進行授課實踐，使學生對生命現象有更精確的把握和理解，從而有效地幫助學生建立結構與功能觀等生命觀念，也有助于學生養成理性思維等生物學學科素養。

【關鍵詞】高中生物;模型構建;問題導引;學科素養

高中生物學的主要內容板塊有《分子與細胞》《遺傳與進化》《穩態與環境》，其中很多核心概念都屬于微觀層次的，牽涉到很多微觀的生物結構和生命現象。學生在學習這些概念和現象比較吃力，對學生的抽象理解能力要求相當高，對教師的信息處理手段要求也很高。教師在備課階段，若能將這些微觀的生物結構和生命現象直觀模型化，將有助于學生們更直觀化地去理解和掌握這些內容。再結合正確的問題引導，則可使學生能更準確地把握思考的方向。例如，當生物科學現象存在動態的情況下，則更需要有適當的問題引導，學生才會比較準確的思考動態發展的方向，從而形成生物的穩態與平衡觀。久而久之，學生在潛移默化過程中，可以養成生物學理性思維，也能形成正確的生命觀念。以下結合筆者在教學實踐中的關于腎小管和集合管重吸收問題的教學案例，談談如何通過將生物概念和現象模型化、結合問題導向進行辨析，從而在教學活動中逐漸幫助學生養成生物學的學科素養。

首先讓我們了解一下“重吸收”的相關知識背景：血液流經腎小球經過濾過作用形成原尿，原尿流經腎小管集合管時被重吸收，所有的葡萄糖、部分無機鹽和約99%的水都會被腎小管和集合管重吸收，然后形成終尿。若重吸收功能失常，會導致糖尿病、尿崩等癥狀。針對背景知識提出的探究問題：在腎小管集合管對以上物質進行重吸收的過程中，牽涉到哪些物質跨膜運輸方式？其中對葡萄糖、無機鹽以及水，分別以哪種跨膜運輸方式重吸收回血液中？

一、模型初步構建，直觀體驗結構與功能觀

以“腎單位的結構與尿的形成過程”為例，通過構建模型，教師輔以相關知識講述，學生就可以直觀地去了解腎小球的濾過作用形成原尿過程、腎小管集合管的重吸收作用形成終尿的過程，并將之區分開來。

二、問題導引，激發理性思維

要解決到底腎小管集合管的對上述物質的重吸收是什么跨膜運輸方式？可以設計以下幾個導向性問題：

（1）通過回顧必修一課本內容以及查閱相關文獻，了解生物膜對水的跨膜運輸方式有哪些？

學生思考得知水的跨膜運輸主要是以通道蛋白協助的協助擴散方式，以前也認為有自由擴散的方式。并沒有主動運輸的方式。

（2）進一步思考，可推測生物膜應該是缺乏主動運輸水的載體蛋白，也就是協助擴散水的通道蛋白是沒有利用ATP的能力的。

（3）進一步發問，既然腎小管集合管通過被動運輸（協助擴散）的方式重吸收水，也就是說，腎小管集合管必需事先實現腎小管集合管管壁細胞內濃度相對管腔內溶液濃度的超高濃度比。那么，如何實現腎小管集合管管壁細胞的超高濃度？

（4）如果學生對上述問題仍感到迷茫，那么可以接下來提出以下問題：

生物膜對葡萄糖、無機鹽的跨膜運輸方式有那些？

（5）得知有主動運輸和協助擴散，但如果要實現濃度差，那么必須是主動運輸。通過這樣的連續問題導向，學生的思維得以往正確的方向思考，再結合進一步模型建構，將可直觀地體會和理解這些物質跨膜運輸方式的過程和原理。

三、模型再構建，理性思維的升華

如此，學生可以直觀的理解到，腎小管、集合管的重吸收分為兩個步驟：（1）腎小管集合管管壁細胞通過主動運輸，把腎小管腔原尿中全部的葡萄糖、部分無機鹽重吸收回管壁細胞內，再通過跨膜運輸穿過毛細血管、傳送回血液中，從而使得血漿滲透壓升高。（2）血漿滲透壓相對腎小管腔原尿的滲透壓高，吸水能力強，水就通過被動運輸跨膜運輸回血液中。結合2019年人教版新教材必修一，可以知道水的跨膜運輸方式主要是通過通道蛋白的協助擴散，也有部分通過自由擴散的方式。

若是思維能力強的學生，還可以繼續往深度拓展，進一步升華學科素養。例如，通過以下的問題導引：“抗利尿激素為什么能促進腎小管集合管對水的重吸收？其原理是什么？”

模型辨析與解讀：當機體缺水時，內環境滲透壓偏高，刺激位于下丘腦的滲透壓感受器，促使垂體釋放下丘腦分泌的抗利尿激素。抗利尿激素想必大家都了解，其作用是促進腎小管、集合管加強對水的重吸收，從而減少尿量的形成，使內環境滲透壓降低或者不繼續升高。抗利尿激素與腎小管和集合管細胞膜上的特異性受體結合后，通過一系列過程激活細胞中蛋白激酶，使含有水通道蛋白的囊泡釋放出水通道蛋白鑲嵌到細胞膜上，增加管腔膜上的水通道，從而增加水的通透性。當飲水過多等導致內環境滲透壓下降的情況下，抗利尿激素釋放減少，腎小管集合管膜上的水通道蛋白減少，對水的通透性降低。

以上是以探究腎小管集合管重吸收作用過程中涉及的不同物質的跨膜運輸方式教學案例，闡述在生物教學中，可以通過模型構建與問題導引相結合，激發學生的理性思維，通過實例在腦海里構建起結構與功能觀、穩態與平衡觀，逐步養成相關生命觀念。如此在長期的教與學過程中潛移默化，促進學生生物學學科素養的養成。

參考文獻：

[1]王雪晴，李明霞.基于生物學核心素養的SSI教學思考[J].中國校外教育，2017（01）.

[2]李進京.水鹽平衡及腎小管的重吸收作用[J].高考理科版，2011（8）：1.