“解析—构建—应用”模型的教学设计与组织策略——以“血糖调节”为例

（四川省成都市航天中学校 四川成都 610100）

1 引言

《美国国家科学教育标准》指出，教师应该帮助学生认识到，模型的开发和测试是通过将模型与现实的观察相比较而进行的。模型是与真实物体、单一事件或一类事件对应的而且具有解释力的试探性体系或结构。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）也明确指出，教师要培养学生的生物科学素养，其中就包括了基于生物学事实和证据的模型与建模的科学思维能力。国内外的教育政策引领着“模型”思想在教学实践中不断生根发芽。而在高中生物教学实践中，“模型”思想往往体现在3个由浅入深的层次，即通过解析已有模型来概述生物学事实，通过构建知识模型来回归生物学事实，通过应用建构模型来辨析生物学事实。因此，一堂课中如何把握“解析模型”“构建模型”“应用模型”的整体教学，将影响学生对生物学事实的整合并形成生物学概念，同时对于达成《课程标准》倡导的“让学生能够深刻理解和应用重要的生物学概念”，具有重要价值和意义。下面将以“血糖调节”为例，阐明“解析—构建—应用”模型的教学设计与组织策略。

2 分析背景，设计教学思路和目标

2.1 教学分析

血糖调节是动物激素调节中的典型案例，与现实生活具有显著的联系。例如，在教材中，“问题探讨”栏目以马拉松比赛为线索，引出有关血糖含量下降的思考；而在“思考与讨论”栏目中，又再次以马拉松比赛为背景，提出血糖的补充路径，并对饭后血糖升高又降低的调节机制提出思考；在“与社会的联系”一栏，教材提出有关糖尿病的发病、预防和治疗的探讨；在“模型构建”中，教材以卡片游戏为出发点，引导学生构建血糖调节的模拟活动。

在学习血糖调节之前，学生已经初步具备了一定的模型构建技能，曾经构建过“人体细胞与外界环境物质交换的模型”“反射活动的基本模型”等。另一方面，学生在“激素调节”板块已经初步学习了人体主要内分泌腺及激素，为学习血糖调节积累了一定的知识基础。《课程标准》明确指出，“运用模型构建的方法、建立血糖调节的模型”是本节的教学目标。

2.2 思路设计

围绕“解析模型—构建模型—应用模型”的教学思路，本节教学活动分为五部分：

①以我国田径运动员取得的比赛成绩为线索，引出血糖调节的主题。

②分享课前预习内容（饭后血糖浓度变化曲线），解析血糖来源和去路的数学模型、概念模型，并用胰岛细胞的物理模型来促进学生理解胰岛素和胰高血糖素的合成部位。

③解析激素作用的物理模型，探讨胰岛素和胰高血糖素的分泌、运输和作用过程。

④基于生物学事实，构建以激素调节为主的血糖调节模型。

⑤应用建构好的血糖调节模型，辨析日常饮食中补充血糖的方法。

2.3 教学目标

①通过解析进食后血糖浓度变化的数学模型，阐明血糖的主要来源和去路；

②通过解析胰岛素和胰高血糖素合成、分泌、运输和作用的物理模型，认同“激素作为信息分子、调节靶细胞生命活动”的观点，构建出血糖调节过程的概念模型；

③通过应用血糖调节的概念模型，树立合理营养膳食的“稳态与平衡观”。

3 实践过程，落实“模型”思想和策略

3.1 最新新闻背景导入，引出“模型”教学的主题

“模型”思想的教学实施，前提是尊重生物学事实、回归身边的生活问题。因此选择恰当的情境背景，巧妙地引出问题，将能极大地激发学生的学习动力、明确学习方向。

教师利用视频，带领学生回顾刘翔在110 m跨栏比赛中夺冠的场景，并照应2019年7月21日伦敦举办的国家田联钻石联赛中，中国选手谢震业和谢文骏分别获得男子200 m和110 m栏的冠军。在营造出国民自豪感的时候，教师提出问题：“运动员的成功离不开自身神经系统精准地调节肢体运动，更与自身能量供给息息相关。人体的主要供能物质是什么？”这样借此引出关键词“血糖”，启发学生带着问题——“人体如何维持血糖含量相对稳定的”，走近课堂。

3.2 解析血糖浓度变化的数学模型，引出血糖的来源和去路

解析模型不仅仅是一个教学过程，而且还能培养学生获取信息、分析信息、概括思维的能力。特级教师蔡方平认为，对图示的理解、对图示信息的提取、对图示信息的运用水平怎样，正是学生能力高低的表现。而解析“数学模型”就是分析直观的曲线图、柱状图等，找出客观规律。学生通过联系自身已有的知识背景，尝试去解释曲线变化规律时，更容易暴露原认知的不足，为重新构建知识体系奠定基础。

教师展示资料，一道学生绘制血糖浓度随时间变化的曲线图：有一位科学家进行了以下实验，用更高浓度的葡萄糖溶液饲喂一只动物，在接下来的3 h内，每隔30 min检查该动物血液中葡萄糖的浓度，结果见表1。

表1 实验结果记录表

然后，教师提出问题：①30 min以前，血糖浓度为什么上升？②30～120 min，血糖浓度为什么下降？通过学前经验的交流，结合必修三教材P25的“血糖来源和去路”概念模型，学生初步理解血糖的补充路径和消耗路径。然后，教师追问：120 min以后，血糖浓度依靠什么调节，维持在0.75 mg/mL左右？通过解析数学模型，学生会更系统、准确地理解“血糖来源和去路的概念模型”（图1），如区分肝糖原、肌糖原与血糖的转化关系，区分非必需氨基酸和必需氨基酸与血糖的转化关系等。

3.3 解析激素分泌、运输和作用的物理模型，引出胰岛素和胰高血糖素的调节机制

解析“物理模型”，首先是对模型中的信息进行获取，然后对实物或图画等直观表达形式进行阐释，能说出其表达的事物特征，或者概括出其表达的动态过程。而在血糖调节中，理解胰岛素和胰高血糖素的合成部位、运输途径、作用部位和作用效应，将成为构建血糖调节的重要基础。

教师展示激素分泌、运输、作用的物理模型（图2），启发学生思考：①胰岛素或胰高血糖素分泌后进入到什么环境中？如何运输到靶细胞？②胰岛素是否进入靶细胞内部参与细胞代谢？靶细胞通过什么结构识别胰岛素？③胰岛素作为信息分子，如何促进组织细胞加速摄取、利用和储存葡萄糖？学生通过思考系列问题，逐步认同“胰岛素是由胰岛B细胞分泌的信号分子，经体液运输作用于靶细胞的细胞膜受体，促进靶细胞加速摄取、利用和储存葡萄糖，从而使血糖水平降低”，并类比推理出“胰高血糖素是由胰岛A细胞分泌的信号分子，经过体液运输作用于靶细胞的细胞膜受体，以实现肝糖原分解、非糖类物质转化为葡萄糖”。在学生充分理解的基础上，教师再引导学生去推测胰岛素和胰高血糖素作用的靶细胞种类（图3、图4）。

3.4 构建以激素调节为主的血糖调节概念模型，补充生物学事实予以完善

构建模型是较高层次上的一个过程，要求学生能够对生物学现象的本质属性具备清晰的认识，并能用图示、文字、符号等组成的流程图形式对事物的生命活动规律、机理进行描述和阐明。而构建模型的过程，需要学生将大脑中的思维进行图示化构思，大致要经历“基础构建”→“问题暴露”→“纠错重构”→“丰富完善”的过程。

首先，结合胰岛素和胰高血糖素的合成部位和作用机理，学生初步绘制高血糖背景下胰岛素对血糖的调节过程、低血糖背景下胰高血糖素对血糖的调节过程，并通过展示交流、暴露典型错误。例如，在图5A中，学生只是简单绘制了两种血糖背景下两种激素的分泌量变化。在图5B中，学生表示出了血糖升高和血糖降低两种背景下，两种激素的合成部位、作用途径，相对于前一位学生的概念模型，能具体地展示激素调节的过程，唯一的不足之处在于描述胰岛素功能时，没有强调“促进组织细胞对葡萄糖的利用和储存”。

接着，在纠正基础的概念模型后，教师给出下丘脑、肾上腺素、反馈调节的文字资料，让学生在初步构建的概念模型上，再做进一步完善。而在构建的过程中，学生需要勇于尝试构建、接受同学互评、再次展示交流，最终得到如图6所示的血糖调节概念模型。在概念模型构建活动中，学生需要理解的内容包括：①高血糖素和肾上腺素都能促进血糖升高，而胰岛素是唯一一种能降低血糖的激素；②下丘脑作为血糖感受器和神经中枢部位，也会参与到血糖调节过程中，此时胰岛细胞承担效应器功能；③通过反馈调节的回路，胰岛素和胰高血糖素的分泌会受到限制，导致血糖浓度维持在相对稳定的范围内。

3.5 应用血糖调节概念模型，辨析补充血糖的方式

与常规教学设计相比，模型建构的“学习设计”更加关注学生的情境体验和积极参与，更加重视学生学习主动性和创造性的发挥、更加有利于学生多种思维能力培养和科学素养的提升。因此，构建模型的教学活动不能仅仅停留在绘制概念图等图示结果的层面，更重要的是能够应用已有图示化模型，解决生活中的实际问题，让学生感受到“学以致用”的成功和喜悦，从而认可模型学习的重要价值。

教师以学生军训体验为背景，组织学生辨析：在炎炎夏日军训的时候，人体的血糖消耗很快（血糖偏低）。那么，你会选择哪一种食物来补充血糖呢？此时，一部分学生会支持补充葡萄糖等单糖型饮料，理由是消化吸收较快；而另一部分学生会支持补充淀粉等多糖，理由是富含膳食纤维、吸收较慢。通过辨析两种方式的优缺点，结合自己所构建的概念模型，学生会得出结论：前者吸收快，易造成胰岛素大量分泌，胰岛B细胞容易“过度疲劳死亡”；而后者吸收慢，不利于血糖的迅速补充和恢复，持续低血糖会造成休克等症状。最终，学生将对情境进行细化分析，得出“低血糖症状时应该补充单糖饮料、无低血糖症状时应补充多糖食物”的科学营养观。

4 反思“模型”，启发教学设计与组织

“模型”教学的核心目的是使教学的组织更加有序、系统和形象。因此，“模型”教学不能等同于单纯地绘制概念图等图示，而是应该准确把握解析模型、构建模型和应用模型3种教学方式，在“解析”过程中归纳客观规律和本质特征、理解生物学事实；在“构建”过程中转化图示化的思维过程、概述生物学事实；在“应用”过程中反思模型的内涵和外延、回归生物学事实（图7）。

总之，将高中生物课堂导回到“尊重生物学事实”的轨道，将教学内容引领到“聚焦大概念”的潮流，是促进学生深刻理解和应用重要生物学概念的基础，也是发展学生生物学学科核心素养的必然路径。