模型建构在 “神经元上的兴奋传导”教学中的运用

周金露

摘  要在特定知识铺垫的前提下通过提出问题的方式构建物理模型，帮助学生理解钠离子钾离子的分布和运输对神经元上静息电位和动作电位产生的影响。结合物理模型对兴奋产生的数学模型进行分析理解，通过两种模型的构建突破本节内容的重难点。

关键词提问、模型、直观化

1建构模型的意义

构建模型，是人类在认识和塑造世界的过程中的一大创造。我们通常将模型用来作为研究客观事物的一种手段。现代高中学生必须了解模型和模型建构的方法，这不仅对学生学习生物知识有帮助，而且还有能够帮助他们将来进行进一步的科学研究、更好地解决生活中和工作中遇到的问题。

2  用问题引导构建物理模型

“神经元上的兴奋传导”这一节课主要需要学生理解神经纤维上静息电位和动作电位产生的机理，并且能够说出电信号是如何在神经纤维上传导的。将离子运输和分布这种微观、抽象的内容进行直观化、模型化，会帮助学生更好地理解神经纤维上动作电位的产生和传导的原理。

2.1  展示细胞膜上的Na-K泵结构模式图并提问  细胞膜上分布的Na-K泵对于静息状态下细胞内外离子分布的维持具有重要的作用，在学习神经纤维上兴奋的产生和传导之前需要对为什么胞外Na+多、胞内K+多作出合理解释。

师：根据图示可以得出Na+和K+通过Na-K泵进出细胞是哪种跨膜运输方式？

生：是通过主动运输的方式。

师：判断出该运输方式是主动运输的依据是什么？

生：从图中能够看出，这种运输方式既需要载体蛋白也需要消耗代谢产生的能量（ATP水解）。

师：活细胞膜上的Na-K泵是能够持续起作用的，根据Na+和K+的运输方向，表明正常细胞内外两种离子的浓度关系一般是？

生：细胞内Na+低于细胞外，K+高于细胞外。

2.2  展示细胞膜上钠离子通道和钾离子通道蛋白图片并提问  静息电位的维持和动作电位的产生都与离子通过通道蛋白运输的过程有关。通过直观的模式图介绍并辅助教师提问，能够为学生后续建构出离子移动的物理模型打下坚实的基础。

师：图中K+ 和Na+顺浓度梯度经过通道蛋白进出细胞属于跨膜运输的哪一种方式？

生：协助扩散。

师：从图形中可以看出两种离子通道对离子的通透性是有差异的，正常状态下哪种离子更容易通过离子通道？

生：是K+更容易通过离子通道顺浓度梯度出细胞。

2.3  运用物理模型突破难点  教师在黑板上展示事先准备好的纸板模型，并且向学生说明模型中的离子只表示概数，并不是离子的具体数量。在纸板后面贴上含有一面不干胶的磁铁，这样方便教师和学生在黑板上自由移动这几个离子的模型，通过移动纸板模型的位置来模拟细胞内外离子的移动过程。

2.3.1  静息电位的维持

因为细胞膜上Na-K泵的作用，细胞内放置三个写有K+的纸板，细胞外放置两个写有Na+的纸板。而K+更容易通过离子通道顺浓度梯度出细胞，所以移动一个K+模型放到细胞外。学生通过观察可以判断细胞膜外带有正电荷的离子数目较多，所以形成了“外正内负”的静息电位。

2.3.2  动作电位的产生

接受适当刺激后细胞膜上Na+通道打开，大量Na+顺浓度梯度内流，移动两个Na+模型放到细胞内。这时细胞内的正电荷多于细胞外，出现了“外负内正”的动作电位。

2.3.4  静息电位的恢复

静息电位的恢复实际上有两个阶段。第一阶段是电位的恢复，即恢复“外负内正”的静息电位。由于K+大量外流使得细胞外带正电荷的离子数量增多，恢复“外正内负”的电位。将细胞内的两个K+模型移出细胞，这样可以得出细胞外正电荷多于细胞内，电位得到了恢复。但是从离子的分布来看，离子的分布情况与起始状态相比是正好相反的。

     

第二阶段是离子分布的恢复。通过细胞膜上的Na-K泵吸收细胞外的K+并排出细胞内的Na+使得细胞恢复为起始的离子分布状态，即细胞内K+多而细胞外Na+多。只有当两个阶段都完成，该部位才可能再次接受适当强度的刺激并再次产生动作电位。

师：为什么局部电流只能够往受刺激部位的两侧传导，而不能向中间传导，让刚刚恢复静息电位的区域再次产生动作电位？

生：因为中间区域仅完成了电位的恢复，而没有完成离子分布状态的恢复，不能接受刺激而产生动作电位。

在高中生物教学中，除了知道各种生命现象的存在之外，还需要了解这些生命现象产生的原因。“知其然”的同时也需要“知其所以然”。将抽象问题直观化的方法可以解决很多难点问题，但是兴奋的产生与细胞内外的离子分布和离子的移动有密切的联系，因此需要建构模型来帮助学生从更深层次上理解电位变化的原因。通过课堂实践发现，在教师的引导和帮助下学生构建物理模型的方法得到了较好的教学效果，即使是生物基础较为薄弱的学生也能清楚地理解兴奋产生的原因和兴奋传导的特点。

参考文献：

王琪. 概念图与模型建构教学在中学生物教学中的应用--以“神经元的结构”为例[J]. 科教文汇, 2017(3).

丁思思[1], 孙志宏[2]. 故事与模型在“起、承、转、合”教学中的初步探讨——以“兴奋在神经元之间的传递“教学为例[J]. 中学生物学, 2018(5):20-21.

李红文, 皮星. 在模型建构的过程中发展学生的理性思维 ——以兴奋在神经纤维上传导模型构建为例[J]. 广西教育（中等教育）, 2017(5).

作者简介：

周金露，（1987，11），女，汉，江苏连云港人，中学二级，本科学历，研究方向：高中生物教学