通过“学科间的联系”建立生命观念——以“神经冲动传导”的复习课教学为例

王 翔 （华东政法大学附属中学 上海 200052）

《普通高中生物学课程标准 （2017年版）》在“教学建议”中提出要“注意学科间的联系”，并作了进一步说明：“加强学科间的横向联系，有利于学生理解科学的本质、科学的思想方法和跨学科的科学概念和过程，这将有利于学生建立科学的生命观，逐步形成正确的世界观，发展生物学学科核心素养”［1］。

沪科版高中《生命科学》第5 章第2 节中的“神经冲动传导”与高中《化学》第4 章第2 节中的“铜-锌原电池及原理”都安排在高一年级第1学期学习。为帮助学生理解生物电的本质，并建立相关的生命观念，笔者在“神经冲动传导”的复习课中，尝试将二者相联系进行教学。

1 直观引入，激发学生的学习兴趣

上课伊始，教师利用PPT 出示生物电与化学电源的测量图示（图1、图2）。

图1 生物膜电位（神经电位测量）［2］

图2 化学电源（铜-锌原电池）［3］

学生观察后很容易回忆：图1是用电压表测量（神经）细胞膜两侧的电位差，静息时内、外差值大约为－70 mV；图2为化学电源（铜－锌原电池），用灵敏电流计测量两极之间的电流，电流大小与极板面积、酸液浓度有关。同时，学生也感困惑：为何将生命科学中的图与化学中的图摆在一起？难道这2幅图中的“电”有联系？此时，教师提问：图1是生物电，图2是非生物电，它们究竟有何区别？

2 根据要求，对应复习相关知识

教师要求学生从产生条件、形成原理、电能来源、传导过程4 个方面对化学电源与生物电的相关知识进行回顾。学生归纳出以下知识。

2.1 产生条件

1）化学电源产生的条件是，有能自发地发生氧化还原反应，有活泼性不同的2 种材料作为电极材料，且阴极、阳极、电解质溶液应构成一个闭合电路。

2）生物电产生的条件是，生活在正常环境下的完整细胞。

2.2 形成原理

生物电是由于Na+、K+在细胞膜两侧分布不均衡（在ATP 供能下，由钠泵维持的），以及膜在不同情况下对Na+、K+的通透性发生改变所造成的 （通道蛋白质状态改变）。静息电位产生的主要原因是细胞内K+高浓度和静息时膜主要对K+有通透性，K+外漏导致膜电位为内负、外正。动作电位产生的主要原因是，刺激时，Na+、K+的通透性发生变化，Na+大量内流，导致膜电位为内正、外负。

2.3 电能来源

1）在化学电源中，由于在锌、铜2 个电极上不断发生的氧化还原反应，一极不断失去电子，通过导线不断流向另一极，形成电流。可见，化学电源中的电能是由化学能转变而来。

2）生物电是在细胞膜两侧Na+、K+分布不均衡的情况下所形成的，而Na+、K+在膜两侧分布不均衡需要ATP 供能由钠泵维持，ATP 的能量来自于细胞中有机物的氧化分解。可见，生物电的能量也是由化学能转变而来的。

2.4 传导过程

1）化学电源中，电流沿导线的传导，从正极流向负极。电流是以电场的方式传递的，其速度就是光速。

2）生物电的传导不是指电流从膜内至膜外或从膜外至膜内。此外，静息电位是不能传导的。生物电的传导是指动作电位在神经纤维上的传导。神经纤维受刺激部位形成动作电位（产生兴奋），膜电位为外负、内正。邻近的未兴奋部位膜电位是外正、内负。这样，在膜外电流由未兴奋部位流向兴奋部位，在膜内则由兴奋部位流向未兴奋部位，从而形成了局部电流回路。这种局部电流又刺激相邻的未兴奋部位发生上述同样的电位变化，又产生局部电流。如此循环，兴奋不断地向前传导，而已兴奋的部位又不断地依次恢复原先的电位。有髓（神经）纤维传导速度可达100 m／s。

3 通过比较，提炼有关生命观念

3.1 从产生条件分析 化学电源形成于“阴极—阳极—电解质”这个闭合的系统中，与外界几乎没有联系，系统内的成分无法更新，反应物一旦用完，化学电源即立即终止。而生物电产生于细胞，细胞是生命活动的基本单位，是最基本的生命系统，这个系统与外界环境之间进行着物质、能量和信息的交换，具有一定的开放性［4］。正因为细胞这个系统具有开放性，细胞内的成分可不断地自我更新，生物电能随细胞的生存而持续。（结构与功能观）

3.2 从形成原理分析 化学电源的形成依赖于有电子得失的氧化还原反应，发生反应的物质是无机物，没有有机物参与。而生物电的形成依赖于细胞中的钠泵、Na+、K+的通道蛋白、ATP 水解酶等蛋白质分子。蛋白质是生命的特有物质，是生命活动的承担者。（结构与功能观）

3.3 从电能来源分析 化学电源的能量直接由化学能转变而来。而生物电的能量直接来自细胞中的ATP，ATP 是生命系统中的能量通货，ATP 中的能量来自细胞内有机物的氧化分解。（物质与能量观）

3.4 从传导过程分析 化学电源中电流沿导线的传导，只要闭合开关，就以光速度传导，无法控制。生物电在神经纤维上的传导速度是受细胞自身控制的，因为不同类型的神经纤维传导兴奋的速度可因直径大小、髓鞘有无及髓鞘厚度不同而有很大差别［5］。有髓鞘神经纤维及其跳跃式传导是生物进化的产物［5］，这种传导的速度较无髓鞘纤维快约50 倍，对于机体对内、外环境的变化能迅速作出反应具有重要的生物学意义［6］。（稳态与平衡观、进化与适应观）

4 教后反思

1）这节课通过比较生物电与非生物电，建立相关生命观念，学生易理解、易内化。

2）进行“学科间的联系”教学，有利于学生构建跨学科知识体系。对于“电”这一概念，生命科学中有“生物电”，化学中有“化学电源”，将二者加以联系，有利于学生构建有关“电”的整体知识。

3）除“电”外，生物与非生物中还有很多共有的现象，例如，“有机物的燃烧”“通过透镜成像”等。

4）生物学教师进行“学科间的联系”教学，就要对原先学习过的其他学科基础知识进行复习，同时向相关学科教师请教，提高自身其他学科的知识水平。