生物学模型与问题导引激发学科素养的探讨

何宇家

【摘要】高中生物学牵涉很多微观的生物结构和生命现象，若能将这些微观的生物结构和生命现象模型化，加以辨析引导，将有助于学生更直观地去理解和掌握相关的生物学结构、生物学概念和生命现象。在教学活动过程中，教师针对相关的生物学概念和生命现象提前准备好问题导引、结合模型构建与分析，然后面对学生进行授课实践，使学生对生命现象有更精确的把握和理解，从而有效地帮助学生建立结构与功能观等生命观念，也有助于学生养成理性思维等生物学学科素养。

【关键词】高中生物;模型构建;问题导引;学科素养

高中生物学的主要内容板块有《分子与细胞》《遗传与进化》《稳态与环境》，其中很多核心概念都属于微观层次的，牵涉到很多微观的生物结构和生命现象。学生在学习这些概念和现象比较吃力，对学生的抽象理解能力要求相当高，对教师的信息处理手段要求也很高。教师在备课阶段，若能将这些微观的生物结构和生命现象直观模型化，将有助于学生们更直观化地去理解和掌握这些内容。再结合正确的问题引导，则可使学生能更准确地把握思考的方向。例如，当生物科学现象存在动态的情况下，则更需要有适当的问题引导，学生才会比较准确的思考动态发展的方向，从而形成生物的稳态与平衡观。久而久之，学生在潜移默化过程中，可以养成生物学理性思维，也能形成正确的生命观念。以下结合笔者在教学实践中的关于肾小管和集合管重吸收问题的教学案例，谈谈如何通过将生物概念和现象模型化、结合问题导向进行辨析，从而在教学活动中逐渐帮助学生养成生物学的学科素养。

首先让我们了解一下“重吸收”的相关知识背景：血液流经肾小球经过滤过作用形成原尿，原尿流经肾小管集合管时被重吸收，所有的葡萄糖、部分无机盐和约99%的水都会被肾小管和集合管重吸收，然后形成终尿。若重吸收功能失常，会导致糖尿病、尿崩等症状。针对背景知识提出的探究问题：在肾小管集合管对以上物质进行重吸收的过程中，牵涉到哪些物质跨膜运输方式？其中對葡萄糖、无机盐以及水，分别以哪种跨膜运输方式重吸收回血液中？

一、模型初步构建，直观体验结构与功能观

以“肾单位的结构与尿的形成过程”为例，通过构建模型，教师辅以相关知识讲述，学生就可以直观地去了解肾小球的滤过作用形成原尿过程、肾小管集合管的重吸收作用形成终尿的过程，并将之区分开来。

二、问题导引，激发理性思维

要解决到底肾小管集合管的对上述物质的重吸收是什么跨膜运输方式？可以设计以下几个导向性问题：

（1）通过回顾必修一课本内容以及查阅相关文献，了解生物膜对水的跨膜运输方式有哪些？

学生思考得知水的跨膜运输主要是以通道蛋白协助的协助扩散方式，以前也认为有自由扩散的方式。并没有主动运输的方式。

（2）进一步思考，可推测生物膜应该是缺乏主动运输水的载体蛋白，也就是协助扩散水的通道蛋白是没有利用ATP的能力的。

（3）进一步发问，既然肾小管集合管通过被动运输（协助扩散）的方式重吸收水，也就是说，肾小管集合管必需事先实现肾小管集合管管壁细胞内浓度相对管腔内溶液浓度的超高浓度比。那么，如何实现肾小管集合管管壁细胞的超高浓度？

（4）如果学生对上述问题仍感到迷茫，那么可以接下来提出以下问题：

生物膜对葡萄糖、无机盐的跨膜运输方式有那些？

（5）得知有主动运输和协助扩散，但如果要实现浓度差，那么必须是主动运输。通过这样的连续问题导向，学生的思维得以往正确的方向思考，再结合进一步模型建构，将可直观地体会和理解这些物质跨膜运输方式的过程和原理。

三、模型再构建，理性思维的升华

如此，学生可以直观的理解到，肾小管、集合管的重吸收分为两个步骤：（1）肾小管集合管管壁细胞通过主动运输，把肾小管腔原尿中全部的葡萄糖、部分无机盐重吸收回管壁细胞内，再通过跨膜运输穿过毛细血管、传送回血液中，从而使得血浆渗透压升高。（2）血浆渗透压相对肾小管腔原尿的渗透压高，吸水能力强，水就通过被动运输跨膜运输回血液中。结合2019年人教版新教材必修一，可以知道水的跨膜运输方式主要是通过通道蛋白的协助扩散，也有部分通过自由扩散的方式。

若是思维能力强的学生，还可以继续往深度拓展，进一步升华学科素养。例如，通过以下的问题导引：“抗利尿激素为什么能促进肾小管集合管对水的重吸收？其原理是什么？”

模型辨析与解读：当机体缺水时，内环境渗透压偏高，刺激位于下丘脑的渗透压感受器，促使垂体释放下丘脑分泌的抗利尿激素。抗利尿激素想必大家都了解，其作用是促进肾小管、集合管加强对水的重吸收，从而减少尿量的形成，使内环境渗透压降低或者不继续升高。抗利尿激素与肾小管和集合管细胞膜上的特异性受体结合后，通过一系列过程激活细胞中蛋白激酶，使含有水通道蛋白的囊泡释放出水通道蛋白镶嵌到细胞膜上，增加管腔膜上的水通道，从而增加水的通透性。当饮水过多等导致内环境渗透压下降的情况下，抗利尿激素释放减少，肾小管集合管膜上的水通道蛋白减少，对水的通透性降低。

以上是以探究肾小管集合管重吸收作用过程中涉及的不同物质的跨膜运输方式教学案例，阐述在生物教学中，可以通过模型构建与问题导引相结合，激发学生的理性思维，通过实例在脑海里构建起结构与功能观、稳态与平衡观，逐步养成相关生命观念。如此在长期的教与学过程中潜移默化，促进学生生物学学科素养的养成。

参考文献：

[1]王雪晴，李明霞.基于生物学核心素养的SSI教学思考[J].中国校外教育，2017（01）.

[2]李进京.水盐平衡及肾小管的重吸收作用[J].高考理科版，2011（8）：1.