“興奮的傳導(dǎo)”創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計

【摘

要】提出問題是思維的起點(diǎn)，教學(xué)中力求培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用已有的知識學(xué)會探究，可以從教師創(chuàng)設(shè)的具體情境中提出問題，通過小組討論設(shè)計出實(shí)驗(yàn)方案，預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果并完成實(shí)驗(yàn)操作。在“興奮的傳導(dǎo)”教學(xué)中，筆者以三個實(shí)驗(yàn)“生物組織帶有生物電嗎？”“興奮在蛙坐骨神經(jīng)上是以什么信號傳導(dǎo)？”“動作電位是鈉離子順濃度梯度內(nèi)流引起的嗎？”為主線，將生物電的發(fā)現(xiàn)科學(xué)史和興奮在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)內(nèi)容重新組合，學(xué)生通過積極的動手和動腦，提升了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。【關(guān)鍵詞】興奮的傳導(dǎo)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計；高中生物學(xué)一、問題的提出“教學(xué)過程重實(shí)踐”是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出的一個基本理念，然而電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)在高中階段由于很多因素的限制開展起來比較困難，特別是農(nóng)村中學(xué)，生物實(shí)驗(yàn)室沒有配備電腦、平板等電子產(chǎn)品，也沒有電極、傳感器、神經(jīng)屏蔽盒等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)教師也嚴(yán)重配備不足。針對上述問題，筆者對實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行了改進(jìn)，不需要額外采購實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計了三個所有學(xué)校都可以開展的分組實(shí)驗(yàn)，操作簡單，觀察效果良好。學(xué)生在設(shè)計實(shí)驗(yàn)、動手操作實(shí)驗(yàn)以及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，不僅提高了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，而且提高了探索生命科學(xué)奧秘的興趣。二、教材分析本課題是人教版選擇性必修1“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”第2章第3節(jié)的內(nèi)容，此小節(jié)一共需要2個課時，在第1課時中，興奮在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)是重點(diǎn)和難點(diǎn)，正文后面的“生物史話”介紹了生物電的發(fā)現(xiàn)，以電生理學(xué)發(fā)展的時間為軸，可以有機(jī)地將這兩個內(nèi)容結(jié)合起來。課程標(biāo)準(zhǔn)中的要求包括了三點(diǎn)：第一，闡明神經(jīng)細(xì)胞膜內(nèi)外在靜息狀態(tài)具有電位差。用的行為動詞是“闡明”，這就要求學(xué)生不僅要知道電位差的存在，還要解釋為什么靜息狀態(tài)神經(jīng)元的膜內(nèi)膜外會存在電位差。第二，受到外界刺激后形成動作電位。這點(diǎn)也要求學(xué)生不僅要知道什么是動作電位，還要能說明動作電位產(chǎn)生的機(jī)理。第三，沿神經(jīng)纖維傳導(dǎo)。這點(diǎn)就要求學(xué)生能說明興奮在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)的形式、機(jī)理和特點(diǎn)。在課本上以陳述性語言介紹了電刺激蛙坐骨神經(jīng)后靈敏電流計的偏轉(zhuǎn)情況，并介紹靜息電位和動作電位的產(chǎn)生是由鉀離子和鈉離子流動所致，由于這部分內(nèi)容比較抽象，學(xué)生沒有直觀的感受，很難理解和掌握。三、學(xué)情分析（一）知識儲備在必修1“物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸”中，學(xué)生已經(jīng)知道被動運(yùn)輸、主動運(yùn)輸?shù)任镔|(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的方式，在本章第1節(jié)“神經(jīng)調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”中，學(xué)生對“神經(jīng)元”的結(jié)構(gòu)和功能有了一定的了解，在第2節(jié)“神經(jīng)調(diào)節(jié)的基本方式”中，學(xué)生知道了反射活動和興奮會沿著反射弧傳導(dǎo)。在高中物理教學(xué)中，學(xué)生已掌握了電表的使用，這就為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了良好的知識基礎(chǔ)。（二）能力儲備通過必修板塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生對生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計的原則和方法“單一變量”“對照實(shí)驗(yàn)”已經(jīng)有了一定的了解；并具備了從科學(xué)事實(shí)中提取和處理有效信息的能力；掌握了模型建構(gòu)的方法。但不是所有的學(xué)生都具備獨(dú)立探究能力，需要通過小組合作交流，使不同學(xué)生都得到發(fā)展的機(jī)會。四、實(shí)驗(yàn)材料（一）牛蛙離體后肢超市或菜場購買可食用牛蛙，請工作人員幫忙剝皮和去內(nèi)臟，處理好后放置在自帶的0.65%氯化鈉溶液中帶回。在實(shí)驗(yàn)室用解剖剪剪下蛙的后肢，并剪開大腿部分組織，露出坐骨神經(jīng)方便學(xué)生找到坐骨神經(jīng)即可，如圖1所示。（二）靈敏電流計及導(dǎo)線電流計是物理實(shí)驗(yàn)中常用的儀器，靈敏電流計有兩個接線柱，一個是G0，另一個是G1，用兩根雙頭鱷魚夾的導(dǎo)線一根連接靈敏電流計負(fù)極，另一根連接靈敏電流計正極的G0接線柱，另外兩個鱷魚夾備用，如圖2所示。（三）電池組和導(dǎo)線電池盒和電池也是物理實(shí)驗(yàn)室的常用器材，連接電池組的導(dǎo)線選擇一頭鱷魚夾的，另一頭香蕉頭的，并將兩根導(dǎo)線香蕉頭部分用絕緣膠帶粘貼起來，如圖3所示。五、教學(xué)設(shè)計（一）課堂導(dǎo)入教師使用心電圖，創(chuàng)設(shè)了源于生活的真實(shí)情境。心電圖是記錄心臟電活動的圖形，從而引出問題，生物電是如何發(fā)現(xiàn)的呢？（二）生物電發(fā)現(xiàn)科學(xué)史18世紀(jì)意大利解剖學(xué)家伽爾瓦尼在解剖銅盤里的青蛙時，發(fā)生了神奇的一幕（展示動畫），蛙腿發(fā)生了抽搐的現(xiàn)象，在排除當(dāng)時已知的雷電和靜電之后，伽爾瓦尼認(rèn)為“動物組織帶有生物電”，然而他的這個觀點(diǎn)在當(dāng)時卻遭到了很多人的質(zhì)疑，物理學(xué)家伏特（A.Volta，1745—1827）重復(fù)了伽爾瓦尼的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為這純屬物理現(xiàn)象，因?yàn)椴煌饘僦g可以產(chǎn)生電位差，伏特為驗(yàn)證自己的論點(diǎn)做了大量的實(shí)驗(yàn)，最終在1800年制成了世界上最早的直流電池。判斷一個物體是否帶電可以用物理中常用的什么儀器來檢測？學(xué)生很快說出用靈敏電流計，并能說出使用方法，如果將電表的兩極連在牛蛙的離體后肢上，指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，就說明動物組織帶有生物電。實(shí)驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果：將連接靈敏電流計的兩根導(dǎo)線的鱷魚夾夾在可食用牛蛙離體后肢的任意部位，觀察電表指針的偏轉(zhuǎn)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個夾在坐骨神經(jīng)上，另一個夾在肌肉上時，指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：動物組織帶有生物電。（三）坐骨神經(jīng)-腓腸肌實(shí)驗(yàn)上一個實(shí)驗(yàn)中，電表的一極連在牛蛙的坐骨神經(jīng)上，另一極連在肌肉上，由于之前有反射弧的知識基礎(chǔ)，學(xué)生認(rèn)同牛蛙的坐骨神經(jīng)能將興奮從脊髓傳到效應(yīng)器，引出問題：興奮在牛蛙的坐骨神經(jīng)上是以什么信號傳導(dǎo)呢？思考：興奮在傳入神經(jīng)和傳出神經(jīng)上是以什么信號進(jìn)行傳導(dǎo)？如果興奮在牛蛙的坐骨神經(jīng)上是以電信號進(jìn)行傳導(dǎo)，那么在傳導(dǎo)過程中肯定會引起坐骨神經(jīng)電位的變化，電位的變化可以使靈敏電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。那么，興奮在牛蛙的坐骨神經(jīng)上真的是以電信號傳導(dǎo)嗎？如何通過實(shí)驗(yàn)證明？因?yàn)檠芯康膶ο笫亲巧窠?jīng)，所以要將電表的兩極都接在坐骨神經(jīng)上，再給予一個電刺激。實(shí)驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果：將靈敏電流計接在牛蛙的坐骨神經(jīng)上，用電池組產(chǎn)生的電流給予坐骨神經(jīng)一個電刺激，觀察靈敏電流計指針的偏轉(zhuǎn)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)指針發(fā)生兩次方向相反的偏轉(zhuǎn)，并且牛蛙腿發(fā)生抽搐。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：興奮在牛蛙的坐骨神經(jīng)上是以電信號的形式傳導(dǎo)。（四）動作電位產(chǎn)生的機(jī)理槍烏賊有一個巨大軸突，直徑可達(dá)1毫米，再介紹玻璃微電極，微電極技術(shù)的長足發(fā)展，使電極插入膜內(nèi)成為可能。正是由于對槍烏賊神經(jīng)細(xì)胞巨型軸突上電信號的探討，霍奇金和赫胥黎獲得了1963年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，所以，任何一項(xiàng)重大的突破都離不開實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)不僅要選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料，還要依賴于技術(shù)的發(fā)展。教師展示霍奇金和赫胥黎的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，當(dāng)電表的兩極都位于膜外時，電表讀數(shù)為0，當(dāng)左邊電極插入膜內(nèi)之后，電表讀數(shù)就變成了-45mV，如果在神經(jīng)元上施加一個刺激，電表的讀數(shù)又變?yōu)?40mV。為什么會出現(xiàn)外正內(nèi)負(fù)的靜息電位和外負(fù)內(nèi)正的動作電位呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：在細(xì)胞內(nèi)外，一些離子總是不均等分布，而且細(xì)胞膜上這些離子的特定的跨膜運(yùn)輸是靜息電位形成的基礎(chǔ)。動作電位是短暫的、快速的膜電位變化過程，一個動作電位的產(chǎn)生主要與Na+和K+跨膜移動有關(guān)。靜息狀態(tài)，鉀離子協(xié)助擴(kuò)散運(yùn)出細(xì)胞，這是產(chǎn)生了外正內(nèi)負(fù)的靜息電位的原因，受到刺激后，鈉離子通道開啟，鈉離子協(xié)助擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞，產(chǎn)生了外負(fù)內(nèi)正的動作電位。（五）動作電位真的是鈉離子順濃度梯度內(nèi)流引起的嗎根據(jù)之前的推測，動作電位產(chǎn)生的原因是鈉離子協(xié)助擴(kuò)散進(jìn)入膜內(nèi)導(dǎo)致，根據(jù)必修1學(xué)過的協(xié)助擴(kuò)散的特點(diǎn)，影響協(xié)助擴(kuò)散速率的因素是膜內(nèi)外離子濃度差和膜上載體蛋白的數(shù)量。若將培養(yǎng)液中的Na+濃度降低，再次測定可能得到怎樣的結(jié)果？同學(xué)們通過思考討論，猜測動作電位的峰值會降低，科學(xué)家通過用槍烏賊作為實(shí)驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)改變神經(jīng)元軸突外Na+濃度時，靜息電位并不受影響，但動作電位的峰值會隨著Na+濃度的降低而降低。顯然不能重復(fù)這個實(shí)驗(yàn)，因?yàn)闃尀踬\是很難獲取的實(shí)驗(yàn)材料，但是是否用容易獲取的實(shí)驗(yàn)材料探究這個課題呢？前兩個實(shí)驗(yàn)都用的是牛蛙，學(xué)生也能想到用蛙來做這個探究實(shí)驗(yàn)。雖然用牛蛙沒法測量每個神經(jīng)元的動作電位峰值，但是可以測出坐骨神經(jīng)上的復(fù)合動作電位峰值。然后介紹任氏液，任氏液是一種比較接近兩棲動物內(nèi)環(huán)境的液體，任氏液中氯化鈉濃度為0.65%，如果改變鈉離子濃度，動作電位的峰值會怎么改變？思考：如果動作電位真的是鈉離子協(xié)助擴(kuò)散內(nèi)流引起的，以牛蛙坐骨神經(jīng)為材料，給予一個電刺激，用靈敏電流計測膜外的電位變化，降低外界溶液鈉離子濃度，電流計的偏轉(zhuǎn)幅度就會變小，提高外界溶液鈉離子濃度，電流計的偏轉(zhuǎn)幅度就會變大。實(shí)驗(yàn)設(shè)計和結(jié)果：將靈敏電流計接在蛙的坐骨神經(jīng)上，用0.65%的NaCl浸潤蛙的坐骨神經(jīng)，用電池組產(chǎn)生的電流給予坐骨神經(jīng)一個電刺激，電流計讀數(shù)為50微安，多次滴加0.2%的NaCl在牛蛙的坐骨神經(jīng)上，使其充分浸潤在0.2%的NaCl中，給予牛蛙的坐骨神經(jīng)相同的一個電刺激，電流計讀數(shù)為10微安。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：動作電位是鈉離子順濃度梯度內(nèi)流引起的。六、教學(xué)反思生物學(xué)的研究是基于實(shí)驗(yàn)和觀察走向深入，以資料和問題引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)設(shè)源于生活的真實(shí)情境，首尾使用心電圖，深度體驗(yàn)所學(xué)知識在社會實(shí)踐和現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用方式和實(shí)際意義。設(shè)計材料和操作簡單的實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙苊夂唵蔚叵驅(qū)W生灌輸知識結(jié)論，能訓(xùn)練學(xué)生自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)并能從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中得出結(jié)論的科學(xué)思維。三個小實(shí)驗(yàn)分別從起因“生物電的發(fā)現(xiàn)”—現(xiàn)象“興奮在神經(jīng)纖維上以電信號傳導(dǎo)”—機(jī)理“動作電位是鈉離子