“兴奋的传导”创新教学设计

张纯

【摘  要】提出问题是思维的起点，教学中力求培养学生应用已有的知识学会探究，可以从教师创设的具体情境中提出问题，通过小组讨论设计出实验方案，预测实验结果并完成实验操作。在“兴奋的传导”教学中，笔者以三个实验“生物组织带有生物电吗？”“兴奋在蛙坐骨神经上是以什么信号传导？”“动作电位是钠离子顺浓度梯度内流引起的吗？”为主线，将生物电的发现科学史和兴奋在神经纤维上的传导内容重新组合，学生通过积极的动手和动脑，提升了生物学学科核心素养。

【关键词】兴奋的传导；实验设计；高中生物学

一、问题的提出

“教学过程重实践”是《普通高中生物学课程标准》明确提出的一个基本理念，然而电生理学实验在高中阶段由于很多因素的限制开展起来比较困难，特别是农村中学，生物实验室没有配备电脑、平板等电子产品，也没有电极、传感器、神经屏蔽盒等实验设备，实验教师也严重配备不足。

针对上述问题，笔者对实验设备和实验材料进行了改进，不需要额外采购实验器材，设计了三个所有学校都可以开展的分组实验，操作简单，观察效果良好。学生在设计实验、动手操作实验以及分析实验结果中，不仅提高了生物学学科核心素养，而且提高了探索生命科学奥秘的兴趣。

二、教材分析

本课题是人教版选择性必修1“稳态与环境”第2章第3节的内容，此小节一共需要2个课时，在第1课时中，兴奋在神经纤维上的传导是重点和难点，正文后面的“生物史话”介绍了生物电的发现，以电生理学发展的时间为轴，可以有机地将这两个内容结合起来。课程标准中的要求包括了三点：第一，阐明神经细胞膜内外在静息状态具有电位差。用的行为动词是“阐明”，这就要求学生不仅要知道电位差的存在，还要解释为什么静息状态神经元的膜内膜外会存在电位差。第二，受到外界刺激后形成动作电位。这点也要求学生不仅要知道什么是动作电位，还要能说明动作电位产生的机理。第三，沿神经纤维传导。这点就要求学生能说明兴奋在神经纤维上传导的形式、机理和特点。在课本上以陈述性语言介绍了电刺激蛙坐骨神经后灵敏电流计的偏转情况，并介绍静息电位和动作电位的产生是由钾离子和钠离子流动所致，由于这部分内容比较抽象，学生没有直观的感受，很难理解和掌握。

三、学情分析

（一）知识储备

在必修1“物质的跨膜运输”中，学生已经知道被动运输、主动运输等物质进出细胞的方式，在本章第1节“神经调节的结构基础”中，学生对“神经元”的结构和功能有了一定的了解，在第2节“神经调节的基本方式”中，学生知道了反射活动和兴奋会沿着反射弧传导。在高中物理教学中，学生已掌握了电表的使用，这就为本节课的学习奠定了良好的知识基础。

（二）能力储备

通过必修板块的学习，学生对生物学实验设计的原则和方法“单一变量”“对照实验”已经有了一定的了解；并具备了从科学事实中提取和处理有效信息的能力；掌握了模型建构的方法。但不是所有的学生都具备独立探究能力，需要通过小组合作交流，使不同学生都得到发展的机会。

四、实验材料

（一）牛蛙离体后肢

超市或菜场购买可食用牛蛙，请工作人员帮忙剥皮和去内脏，处理好后放置在自带的0.65%氯化钠溶液中带回。在实验室用解剖剪剪下蛙的后肢，并剪开大腿部分组织，露出坐骨神经方便学生找到坐骨神经即可，如图1所示。

（二）灵敏电流计及导线

电流计是物理实验中常用的仪器，灵敏电流计有两个接线柱，一个是G0，另一个是G1，用两根双头鳄鱼夹的导线一根连接灵敏电流计负极，另一根连接灵敏电流计正极的G0接线柱，另外两个鳄鱼夹备用，如图2所示。

（三）电池组和导线

电池盒和电池也是物理实验室的常用器材，连接电池组的导线选择一头鳄鱼夹的，另一头香蕉头的，并将两根导线香蕉头部分用绝缘胶带粘贴起来，如图3所示。

五、 教学设计

（一）课堂导入

教师使用心电图，创设了源于生活的真实情境。心电图是记录心脏电活动的图形，从而引出问题，生物电是如何发现的呢？

（二）生物电发现科学史

18世纪意大利解剖学家伽尔瓦尼在解剖铜盘里的青蛙时，发生了神奇的一幕（展示动画），蛙腿發生了抽搐的现象，在排除当时已知的雷电和静电之后，伽尔瓦尼认为“动物组织带有生物电”，然而他的这个观点在当时却遭到了很多人的质疑，物理学家伏特（A.Volta，1745—1827）重复了伽尔瓦尼的实验，认为这纯属物理现象，因为不同金属之间可以产生电位差，伏特为验证自己的论点做了大量的实验，最终在1800年制成了世界上最早的直流电池。

判断一个物体是否带电可以用物理中常用的什么仪器来检测？学生很快说出用灵敏电流计，并能说出使用方法，如果将电表的两极连在牛蛙的离体后肢上，指针发生偏转，就说明动物组织带有生物电。

实验设计及结果：将连接灵敏电流计的两根导线的鳄鱼夹夹在可食用牛蛙离体后肢的任意部位，观察电表指针的偏转情况。结果发现，当一个夹在坐骨神经上，另一个夹在肌肉上时，指针发生偏转。

实验结论：动物组织带有生物电。

（三）坐骨神经-腓肠肌实验

上一个实验中，电表的一极连在牛蛙的坐骨神经上，另一极连在肌肉上，由于之前有反射弧的知识基础，学生认同牛蛙的坐骨神经能将兴奋从脊髓传到效应器，引出问题：兴奋在牛蛙的坐骨神经上是以什么信号传导呢？

思考：兴奋在传入神经和传出神经上是以什么信号进行传导？如果兴奋在牛蛙的坐骨神经上是以电信号进行传导，那么在传导过程中肯定会引起坐骨神经电位的变化，电位的变化可以使灵敏电流计指针发生偏转。那么，兴奋在牛蛙的坐骨神经上真的是以电信号传导吗？如何通过实验证明？因为研究的对象是坐骨神经，所以要将电表的两极都接在坐骨神经上，再给予一个电刺激。

实验设计及结果：将灵敏电流计接在牛蛙的坐骨神经上，用电池组产生的电流给予坐骨神经一个电刺激，观察灵敏电流计指针的偏转情况，结果发现指针发生两次方向相反的偏转，并且牛蛙腿发生抽搐。

实验结论：兴奋在牛蛙的坐骨神经上是以电信号的形式传导。

（四）动作电位产生的机理

枪乌贼有一个巨大轴突，直径可达1毫米，再介绍玻璃微电极，微电极技术的长足发展，使电极插入膜内成为可能。正是由于对枪乌贼神经细胞巨型轴突上电信号的探讨，霍奇金和赫胥黎获得了1963年诺贝尔生理学或医学奖，所以，任何一项重大的突破都离不开实验，而实验不仅要选择合适的实验材料，还要依赖于技术的发展。

教师展示霍奇金和赫胥黎的实验装置示意图，当电表的两极都位于膜外时，电表读数为0，当左边电极插入膜内之后，电表读数就变成了-45mV，如果在神经元上施加一个刺激，电表的读数又变为+40mV。为什么会出现外正内负的静息电位和外负内正的动作电位呢？科学家发现：在细胞内外，一些离子总是不均等分布，而且细胞膜上这些离子的特定的跨膜运输是静息电位形成的基础。动作电位是短暂的、快速的膜电位变化过程，一个动作电位的产生主要与Na+和K+跨膜移动有关。静息状态，钾离子协助扩散运出细胞，这是产生了外正内负的静息电位的原因，受到刺激后，钠离子通道开启，钠离子协助扩散进入细胞，产生了外负内正的动作电位。

（五）动作电位真的是钠离子顺浓度梯度内流引起的吗

根据之前的推测，动作电位产生的原因是钠离子协助扩散进入膜内导致，根据必修1学过的协助扩散的特点，影响协助扩散速率的因素是膜内外离子浓度差和膜上载体蛋白的数量。若将培养液中的Na+浓度降低，再次测定可能得到怎样的结果？同学们通过思考讨论，猜测动作电位的峰值会降低，科学家通过用枪乌贼作为实验材料，发现改变神经元轴突外Na+浓度时，静息电位并不受影响，但动作电位的峰值会随着Na+浓度的降低而降低。显然不能重复这个实验，因为枪乌贼是很难获取的实验材料，但是是否用容易获取的实验材料探究这个课题呢？前两个实验都用的是牛蛙，学生也能想到用蛙来做这个探究实验。虽然用牛蛙没法测量每个神经元的动作电位峰值，但是可以测出坐骨神经上的复合动作电位峰值。然后介绍任氏液，任氏液是一种比较接近两栖动物内环境的液体，任氏液中氯化钠浓度为0.65%，如果改变钠离子浓度，动作电位的峰值会怎么改变？

思考：如果动作电位真的是钠离子协助扩散内流引起的，以牛蛙坐骨神经为材料，给予一个电刺激，用灵敏电流计测膜外的电位变化，降低外界溶液钠离子浓度，电流计的偏转幅度就会变小，提高外界溶液钠离子浓度，电流计的偏转幅度就会变大。

实验设计和结果：将灵敏电流计接在蛙的坐骨神经上，用0.65%的NaCl浸润蛙的坐骨神经，用电池组产生的电流给予坐骨神经一个电刺激，电流计读数为50微安，多次滴加0.2%的NaCl在牛蛙的坐骨神经上，使其充分浸润在0.2%的NaCl中，給予牛蛙的坐骨神经相同的一个电刺激，电流计读数为10微安。

实验结论：动作电位是钠离子顺浓度梯度内流引起的。

六、教学反思

生物学的研究是基于实验和观察走向深入，以资料和问题引导学生创设源于生活的真实情境，首尾使用心电图，深度体验所学知识在社会实践和现实生活中的应用方式和实际意义。设计材料和操作简单的实验能避免简单地向学生灌输知识结论，能训练学生自主设计实验并能从实验现象中得出结论的科学思维。三个小实验分别从起因“生物电的发现”—现象“兴奋在神经纤维上以电信号传导”—机理“动作电位是钠离子顺浓度梯度内流引起”三个方面介绍兴奋在神经纤维上的传导。将课堂模式从知识习得型向问题思考型转化，将思维教学渗透在教学各个环节中，分组实验，使学生很快处于一种主动、积极的情境氛围中，满足学生求知的内在需求，从而有利于激发其好奇心和学习动机。同时，实验测定中用的电表是物理学中的常用工具，也可以使学生明确物理学的工具与方法在生物学研究中的作用，认识到跨学科知识与技术在生物学研究与学习中的价值。