基于學生深度理解的概念教學設計
——以“通過神經系統的調節”為例

代紅春

（烏魯木齊實驗學校 新疆烏魯木齊 830043）

1 教材分析與設計思路

“通過神經系統的調節”是人教社2019版高中生物學《選擇性必修1·穩態與調節》第二章第一節的內容，在《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）中隸屬于模塊3“穩態與調節”的大概念3“神經系統能夠及時感知機體內、外環境的變化，并做出反應調控各器官、系統的活動，實現機體穩態”下的次位概念2“闡明神經細胞膜內外在靜息狀態具有電位差，受到外界刺激后形成動作電位，并沿神經纖維傳導”和次位概念3“闡明神經沖動在突觸處的傳遞通常通過化學遞質方式完成”。本節內容是動物行為產生的生理基礎，和日常生活緊密相關，與細胞膜、細胞器、內環境的穩態等聯系緊密。本節知識的學習能夠進一步加深學生對其他知識的理解和掌握。學生在初中階段已經初步學習過反射、反射弧。神經沖動的傳導是新的知識，較為抽象，學生不容易理解興奮傳導、傳遞的過程，也很難與生活相聯系，學習起來有一定難度。

基于概念理解的課堂教學不僅是學生內化知識的必經之路，還是學生能力形成的前提和基礎、學習品質形成的重要環節。結合本節概念的特點，下文分別從目標、內容、方式和水平、設計目的5個維度進行剖析（圖1），以概念的關系與結構為內容，以概念的作用與價值為導向，通過生物學科的方法與思想，幫助學生了解概念的產生與來源、認識概念的本質與規律。

圖1 教學剖析示意圖

2 教學目標

①通過微視頻由腦的功能聯系到腦的結構，了解腦的基本單位——神經元的組成，為建構結構與功能觀奠定基礎。

②通過科學史，闡明神經細胞膜內外在靜息狀態具有電位差，受到外界刺激后形成動作電位，并沿神經纖維傳導，動態感知興奮傳導的結構基礎、物質變化，發展歸納、概括的科學思維。

③通過模型構建闡明神經沖動在突觸處的傳遞通過化學遞質方式完成，認同興奮傳遞過程的物質轉變、能量消耗、信息轉換，發展結構與功能觀、信息觀。

④依托生活情境、科學探究情境了解科學知識來源于生活，又將進一步指導生活，提升社會責任意識和擔當能力。

3 教學過程

3.1 視頻導入

教師播放微視頻“腦科學是什么”，通過科技前沿情境引發學生思考腦科學的實質，并由腦的功能引發學生對腦結構認知的興趣。教師出示神經細胞結構圖，陳述神經細胞的結構組成，展示并講解神經細胞、魚肉中的神經等。

設計意圖：學習源于生活，貼近生活。教師由學生熟悉的大腦出發，結合腦科學研究的熱點，引發學生的學習興趣，幫助學生從宏觀到微觀，從不同層次把握腦的結構及組成。由于大腦和神經元的相互關系、神經細胞、神經纖維與神經之間的關系是學生的知識混淆點，教師出示神經細胞、魚肉中的神經，給學生區分釋疑。

3.2 靜息電位的產生

心理學家認為理解某物就是要在新知與舊知之間建立聯系，在凌亂的知識中梳理出清晰的結構。基于此認識，教師出示電流表圖片，提問：物理課上用電流表來測電位變化，兩極連接電源，電位表偏轉說明了什么問題？在蛙的坐骨神經上放置兩個電極連接到一個電表上，靜息時電表沒有測出電位差，說明了什么？在蛙的坐骨神經上放置兩個電極連接到一個電表上，如圖2所示。神經纖維不受刺激電位表向右發生了偏轉，說明了什么？用同樣方法測量神經纖維其他位點，測量結果一樣，說明什么？

圖2 放置電表的蛙坐骨神經

設計思路：教師聯系學生熟悉的“電荷移動引起電位表偏轉”這一物理學知識，引導學生具體分析蛙坐骨神經纖維膜兩側的電位表連接位點不同、偏轉方向差異，推導出靜息電位電荷分布，由具體現象遞進認知從而建立對靜息電位的概念認知。

3.3 靜息和動作電位產生原因、興奮在神經纖維上的傳導過程

教師提問：外正內負的靜息電位是怎么形成的呢？同時引導學生回顧神經細胞的化合物組成。學生根據化合物的帶電情況，運輸狀況，推測：細胞中大部分無機鹽以離子形式存在，靜息電位的形成可能與離子的分布有關。教師出示某種哺乳動物神經元細胞膜內外鈉離子、鉀離子、氯離子、鈣離子濃度數據（表1）。學生分析數據，可知：鉀離子主要分布在細胞內，鈉離子和氯離子主要分布在細胞外。膜內陽離子較多，要形成外正內負的靜息電位，只有離子移動才能轉化。教師引導：細胞膜磷脂雙分子層對離子不通透，離子可以通過離子通道跨膜運輸。由于離子通道具有專一性，可以通過實驗探究是何種離子的移動形成了靜息電位。師生探討實驗思路：取相同的神經元分為4組，第一組用鉀離子通道抑制劑處理，第二組用氯離子通道抑制劑處理，第三組用鈉離子通道抑制劑處理，第四組用等量生理鹽水替代試劑做空白對照。教師展示實驗結果（表2），并提出問題提問：從圖中數據能得出什么結論？教師提前準備好神經細胞磁貼片模具，磷脂雙分子層、鉀離子通道模型、鈉離子通道模型、鉀離子貼片、鈉離子貼片，結合實驗數據邊分析數據邊用磁鐵片模擬神經細胞離子的分布、離子移動形成靜息電位的過程。

表1 某哺乳動物神經元細胞膜內外不同離子濃度

表2 實驗結果數據

教師接著展示探究過程：將電位表的兩極分別置于細胞膜外側和內側，給予神經纖維以刺激，結果發現電位表的電位由-70 mV轉變成30 mV再變成-70 mV，教師引導學生分析初始-70 mV是外正內負的靜息電位，30 mV是受刺激時產生的動作電位，動作電位為內正外負，后續的-70 mV是有恢復了靜息電位。師生通過磁貼片分析動作電位的電荷分布，并根據載體的專一性推導動作電位的形成與陽離子的跨膜運輸有關。接著，教師出示動態課件：在神經纖維表面接電表的負極和正極，在負極的左側給予刺激，發現電表指針先向負極偏轉，然后恢復到電表刻度中央，再向正極偏轉，然后恢復到電表刻度中央，指針發生2次偏轉。指針的偏轉說明神經纖維受到刺激發生了電荷的移動。教師據此提問：電荷移動興奮傳導，電荷怎樣移動，興奮又是如何傳導的呢？師生共同通過磁貼片模擬靜息電位、動作電位之間形成電位差，電位差形成局部電流，局部電流雙向傳導興奮的過程。

設計意圖：興奮在神經纖維上的傳導形式和原理是復雜抽象的。教師如果只是將課本知識灌輸給學生，學生既不容易接受，也很難理解。教師精選科學史，呈現人類探索腦科學史中突破性的實驗探究，利用實驗現象將學生帶入主動探知的認知情景，引導學生通過分析實驗現象遞進推理認知，通過模型推演深化理解。

3.3 興奮在神經細胞之間的傳遞

學生通過閱讀課本，可以了解興奮在神經元之間的傳遞過程，但傳遞的原因、對應的結構基礎、傳遞的方向、相關信息的轉化、信息傳遞的效應需要學生深度理解。教師提供閱讀提綱，幫助學生學習：①什么是突觸小體？②什么是突觸？③突觸由哪些結構組成？④當興奮傳遞到軸突末梢時，發生了哪些信號轉變？⑤神經遞質以什么方式釋放到突觸間隙？這個過程消耗能量嗎？⑥神經遞質的種類有哪些，作用是什么？到突觸間隙的神經遞質如何作用于突觸后膜，是否進入肌細胞？興奮在神經元之間傳遞的方向是怎樣的？學生利用提綱，自主學習。之后，教師通過磁教具釋疑。對于學生認知的斷層處，教師提供資料輔助學生理解。例如，學生對于興奮在神經細胞間傳遞時進行信號轉換的原因、信號的本質和效應存在疑惑，教師可以提供如下資料：

①據測量，興奮在神經纖維上的傳導速度是40 m/s，在神經細胞之間的傳遞速度是15 m/s。可見興奮在神經元上和神經纖維之間，神經細胞之間的傳遞方式是有差異的。

②隨著電子顯微鏡的發明，科學家發現神經細胞和神經細胞之間有0.2 nm的間隙。

③腦內神經遞質分為四類，即生物原胺類、氨基酸類、肽類、其他類。生物原胺類神經遞質是最先發現的一類，包括多巴胺（DA）、去甲腎上腺素（NE）、腎上腺素（E）、5-羥色胺。氨基酸類神經遞質包括γ-氨基丁酸（GABA）、甘氨酸、谷氨酸、組胺、乙酰膽堿（Ach）。

④有些遞質可以使效應器興奮，有些遞質可以使效應器靜止。

設計意圖：閱讀提綱可以幫助學生有目的地閱讀文本。教師利用補充資料，拓寬學生視野，銜接學生的認知斷層，將微觀結構直觀化，增加學生的感性認識和整體認知。教師在教學過程中邊板演邊講述，循序漸進，可以更好的凸顯主線、突破難點。

3.4 結合知識指導生活

教師圖片展示人幼年（0-2歲）大腦皮層的成熟過程，提問：大腦發育過程是腦的數量增加還是腦的質量增加？教師展示成年小鼠的神經元一個月的樹突變化，提問：圖片說明了什么？

教師補充資料進行知識拓展：剛出生的新生兒大腦結構已接近成人，神經細胞數目和成人一樣，大約有1 000億個，但體積較小；皮質上也有溝和回，只是比成人淺；腦重約390 g，占體重的1/9～1/8，約為成人腦重的25%。1歲時腦重為出生時的2倍，達成人腦重的50%，2歲時為成人腦重的75%，7歲時已基本接近成人腦的重量。出生以后，大腦皮質的神經細胞數目不再增加，所以腦重量的增加主要來自于神經細胞體積的增大、突觸數量的增加及神經纖維髓鞘的逐步形成。教師據此提問：為什么神經元之間形成如此復雜的突觸聯系？其生物學意義是什么？

設計意圖：教師聯系學生日常生活，倡導科學用腦，幫助學生學以致用，激發學生的學習動機，培養學生的社會責任。

4 教學反思

深度理解不是指無限增加知識難度和知識量，不是對知識的表層學習，不是對知識的簡單占有，而是基于知識的內在結構，通過對知識完整處理，引導學生從符號學習走向學科思想和意義系統的理解和掌握。結合生物學科的特點，教師利用生物學科學史，引導學生關注生命現象，了解知識的產生過程，學會分析問題的科學方法，在思維領域真正認識所學內容。