“興奮的傳導”創(chuàng)新教學設計

【摘

要】提出問題是思維的起點，教學中力求培養(yǎng)學生應用已有的知識學會探究，可以從教師創(chuàng)設的具體情境中提出問題，通過小組討論設計出實驗方案，預測實驗結果并完成實驗操作。在“興奮的傳導”教學中，筆者以三個實驗“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？”“動作電位是鈉離子順濃度梯度內流引起的嗎？”為主線，將生物電的發(fā)現(xiàn)科學史和興奮在神經(jīng)纖維上的傳導內容重新組合，學生通過積極的動手和動腦，提升了生物學學科核心素養(yǎng)?！娟P鍵詞】興奮的傳導；實驗設計；高中生物學一、問題的提出“教學過程重實踐”是《普通高中生物學課程標準》明確提出的一個基本理念，然而電生理學實驗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，生物實驗室沒有配備電腦、平板等電子產(chǎn)品，也沒有電極、傳感器、神經(jīng)屏蔽盒等實驗設備，實驗教師也嚴重配備不足。針對上述問題，筆者對實驗設備和實驗材料進行了改進，不需要額外采購實驗器材，設計了三個所有學校都可以開展的分組實驗，操作簡單，觀察效果良好。學生在設計實驗、動手操作實驗以及分析實驗結果中，不僅提高了生物學學科核心素養(yǎng)，而且提高了探索生命科學奧秘的興趣。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)纖維上的傳導是重點和難點，正文后面的“生物史話”介紹了生物電的發(fā)現(xiàn)，以電生理學發(fā)展的時間為軸，可以有機地將這兩個內容結合起來。課程標準中的要求包括了三點：第一，闡明神經(jīng)細胞膜內外在靜息狀態(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。這點也要求學生不僅要知道什么是動作電位，還要能說明動作電位產(chǎn)生的機理。第三，沿神經(jīng)纖維傳導。這點就要求學生能說明興奮在神經(jīng)纖維上傳導的形式、機理和特點。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，由于這部分內容比較抽象，學生沒有直觀的感受，很難理解和掌握。三、學情分析（一）知識儲備在必修1“物質的跨膜運輸”中，學生已經(jīng)知道被動運輸、主動運輸?shù)任镔|進出細胞的方式，在本章第1節(jié)“神經(jīng)調節(jié)的結構基礎”中，學生對“神經(jīng)元”的結構和功能有了一定的了解，在第2節(jié)“神經(jīng)調節(jié)的基本方式”中，學生知道了反射活動和興奮會沿著反射弧傳導。在高中物理教學中，學生已掌握了電表的使用，這就為本節(jié)課的學習奠定了良好的知識基礎。（二）能力儲備通過必修板塊的學習，學生對生物學實驗設計的原則和方法“單一變量”“對照實驗”已經(jīng)有了一定的了解；并具備了從科學事實中提取和處理有效信息的能力；掌握了模型建構的方法。但不是所有的學生都具備獨立探究能力，需要通過小組合作交流，使不同學生都得到發(fā)展的機會。四、實驗材料（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臟，處理好后放置在自帶的0.65%氯化鈉溶液中帶回。在實驗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)方便學生找到坐骨神經(jīng)即可，如圖1所示。（二）靈敏電流計及導線電流計是物理實驗中常用的儀器，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線一根連接靈敏電流計負極，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）電池組和導線電池盒和電池也是物理實驗室的常用器材，連接電池組的導線選擇一頭鱷魚夾的，另一頭香蕉頭的，并將兩根導線香蕉頭部分用絕緣膠帶粘貼起來，如圖3所示。五、教學設計（一）課堂導入教師使用心電圖，創(chuàng)設了源于生活的真實情境。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)科學史18世紀意大利解剖學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，在排除當時已知的雷電和靜電之后，伽爾瓦尼認為“動物組織帶有生物電”，然而他的這個觀點在當時卻遭到了很多人的質疑，物理學家伏特（A.Volta，1745—1827）重復了伽爾瓦尼的實驗，認為這純屬物理現(xiàn)象，因為不同金屬之間可以產(chǎn)生電位差，伏特為驗證自己的論點做了大量的實驗，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，就說明動物組織帶有生物電。實驗設計及結果：將連接靈敏電流計的兩根導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情況。結果發(fā)現(xiàn)，當一個夾在坐骨神經(jīng)上，另一個夾在肌肉上時，指針發(fā)生偏轉。實驗結論：動物組織帶有生物電。（三）坐骨神經(jīng)-腓腸肌實驗上一個實驗中，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，學生認同牛蛙的坐骨神經(jīng)能將興奮從脊髓傳到效應器，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)上是以什么信號進行傳導？如果興奮在牛蛙的坐骨神經(jīng)上是以電信號進行傳導，那么在傳導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。那么，興奮在牛蛙的坐骨神經(jīng)上真的是以電信號傳導嗎？如何通過實驗證明？因為研究的對象是坐骨神經(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。實驗設計及結果：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情況，結果發(fā)現(xiàn)指針發(fā)生兩次方向相反的偏轉，并且牛蛙腿發(fā)生抽搐。實驗結論：興奮在牛蛙的坐骨神經(jīng)上是以電信號的形式傳導。（四）動作電位產(chǎn)生的機理槍烏賊有一個巨大軸突，直徑可達1毫米，再介紹玻璃微電極，微電極技術的長足發(fā)展，使電極插入膜內成為可能。正是由于對槍烏賊神經(jīng)細胞巨型軸突上電信號的探討，霍奇金和赫胥黎獲得了1963年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，所以，任何一項重大的突破都離不開實驗，而實驗不僅要選擇合適的實驗材料，還要依賴于技術的發(fā)展。教師展示霍奇金和赫胥黎的實驗裝置示意圖，當電表的兩極都位于膜外時，電表讀數(shù)為0，當左邊電極插入膜內之后，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)外正內負的靜息電位和外負內正的動作電位呢？科學家發(fā)現(xiàn)：在細胞內外，一些離子總是不均等分布，而且細胞膜上這些離子的特定的跨膜運輸是靜息電位形成的基礎。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。靜息狀態(tài)，鉀離子協(xié)助擴散運出細胞，這是產(chǎn)生了外正內負的靜息電位的原因，受到刺激后，鈉離子通道開啟，鈉離子協(xié)助擴散進入細胞，產(chǎn)生了外負內正的動作電位。（五）動作電位真的是鈉離子順濃度梯度內流引起的嗎根據(jù)之前的推測，動作電位產(chǎn)生的原因是鈉離子協(xié)助擴散進入膜內導致，根據(jù)必修1學過的協(xié)助擴散的特點，影響協(xié)助擴散速率的因素是膜內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果？同學們通過思考討論，猜測動作電位的峰值會降低，科學家通過用槍烏賊作為實驗材料，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。顯然不能重復這個實驗，因為槍烏賊是很難獲取的實驗材料，但是是否用容易獲取的實驗材料探究這個課題呢？前兩個實驗都用的是牛蛙，學生也能想到用蛙來做這個探究實驗。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)助擴散內流引起的，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，電流計的偏轉幅度就會變小，提高外界溶液鈉離子濃度，電流計的偏轉幅度就會變大。實驗設計和結果：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。實驗結論：動作電位是鈉離子順濃度梯度內流引起的。六、教學反思生物學的研究是基于實驗和觀察走向深入，以資料和問題引導學生創(chuàng)設源于生活的真實情境，首尾使用心電圖，深度體驗所學知識在社會實踐和現(xiàn)實生活中的應用方式和實際意義。設計材料和操作簡單的實驗能避免簡單地向學生灌輸知識結論，能訓練學生自主設計實驗并能從實驗現(xiàn)象中得出結論的科學思維。三個小實驗分別從起因“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”—機理“動作電位是鈉離子