“解析—構建—應用”模型的教學設計與組織策略
——以“血糖調節”為例

（四川省成都市航天中學校 四川成都 610100）

1 引言

《美國國家科學教育標準》指出，教師應該幫助學生認識到，模型的開發和測試是通過將模型與現實的觀察相比較而進行的。模型是與真實物體、單一事件或一類事件對應的而且具有解釋力的試探性體系或結構。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）也明確指出，教師要培養學生的生物科學素養，其中就包括了基于生物學事實和證據的模型與建模的科學思維能力。國內外的教育政策引領著“模型”思想在教學實踐中不斷生根發芽。而在高中生物教學實踐中，“模型”思想往往體現在3個由淺入深的層次，即通過解析已有模型來概述生物學事實，通過構建知識模型來回歸生物學事實，通過應用建構模型來辨析生物學事實。因此，一堂課中如何把握“解析模型”“構建模型”“應用模型”的整體教學，將影響學生對生物學事實的整合并形成生物學概念，同時對于達成《課程標準》倡導的“讓學生能夠深刻理解和應用重要的生物學概念”，具有重要價值和意義。下面將以“血糖調節”為例，闡明“解析—構建—應用”模型的教學設計與組織策略。

2 分析背景，設計教學思路和目標

2.1 教學分析

血糖調節是動物激素調節中的典型案例，與現實生活具有顯著的聯系。例如，在教材中，“問題探討”欄目以馬拉松比賽為線索，引出有關血糖含量下降的思考；而在“思考與討論”欄目中，又再次以馬拉松比賽為背景，提出血糖的補充路徑，并對飯后血糖升高又降低的調節機制提出思考；在“與社會的聯系”一欄，教材提出有關糖尿病的發病、預防和治療的探討；在“模型構建”中，教材以卡片游戲為出發點，引導學生構建血糖調節的模擬活動。

在學習血糖調節之前，學生已經初步具備了一定的模型構建技能，曾經構建過“人體細胞與外界環境物質交換的模型”“反射活動的基本模型”等。另一方面，學生在“激素調節”板塊已經初步學習了人體主要內分泌腺及激素，為學習血糖調節積累了一定的知識基礎。《課程標準》明確指出，“運用模型構建的方法、建立血糖調節的模型”是本節的教學目標。

2.2 思路設計

圍繞“解析模型—構建模型—應用模型”的教學思路，本節教學活動分為五部分：

①以我國田徑運動員取得的比賽成績為線索，引出血糖調節的主題。

②分享課前預習內容（飯后血糖濃度變化曲線），解析血糖來源和去路的數學模型、概念模型，并用胰島細胞的物理模型來促進學生理解胰島素和胰高血糖素的合成部位。

③解析激素作用的物理模型，探討胰島素和胰高血糖素的分泌、運輸和作用過程。

④基于生物學事實，構建以激素調節為主的血糖調節模型。

⑤應用建構好的血糖調節模型，辨析日常飲食中補充血糖的方法。

2.3 教學目標

①通過解析進食后血糖濃度變化的數學模型，闡明血糖的主要來源和去路；

②通過解析胰島素和胰高血糖素合成、分泌、運輸和作用的物理模型，認同“激素作為信息分子、調節靶細胞生命活動”的觀點，構建出血糖調節過程的概念模型；

③通過應用血糖調節的概念模型，樹立合理營養膳食的“穩態與平衡觀”。

3 實踐過程，落實“模型”思想和策略

3.1 最新新聞背景導入，引出“模型”教學的主題

“模型”思想的教學實施，前提是尊重生物學事實、回歸身邊的生活問題。因此選擇恰當的情境背景，巧妙地引出問題，將能極大地激發學生的學習動力、明確學習方向。

教師利用視頻，帶領學生回顧劉翔在110 m跨欄比賽中奪冠的場景，并照應2019年7月21日倫敦舉辦的國家田聯鉆石聯賽中，中國選手謝震業和謝文駿分別獲得男子200 m和110 m欄的冠軍。在營造出國民自豪感的時候，教師提出問題：“運動員的成功離不開自身神經系統精準地調節肢體運動，更與自身能量供給息息相關。人體的主要供能物質是什么？”這樣借此引出關鍵詞“血糖”，啟發學生帶著問題——“人體如何維持血糖含量相對穩定的”，走近課堂。

3.2 解析血糖濃度變化的數學模型，引出血糖的來源和去路

解析模型不僅僅是一個教學過程，而且還能培養學生獲取信息、分析信息、概括思維的能力。特級教師蔡方平認為，對圖示的理解、對圖示信息的提取、對圖示信息的運用水平怎樣，正是學生能力高低的表現。而解析“數學模型”就是分析直觀的曲線圖、柱狀圖等，找出客觀規律。學生通過聯系自身已有的知識背景，嘗試去解釋曲線變化規律時，更容易暴露原認知的不足，為重新構建知識體系奠定基礎。

教師展示資料，一道學生繪制血糖濃度隨時間變化的曲線圖：有一位科學家進行了以下實驗，用更高濃度的葡萄糖溶液飼喂一只動物，在接下來的3 h內，每隔30 min檢查該動物血液中葡萄糖的濃度，結果見表1。

表1 實驗結果記錄表

然后，教師提出問題：①30 min以前，血糖濃度為什么上升？②30～120 min，血糖濃度為什么下降？通過學前經驗的交流，結合必修三教材P25的“血糖來源和去路”概念模型，學生初步理解血糖的補充路徑和消耗路徑。然后，教師追問：120 min以后，血糖濃度依靠什么調節，維持在0.75 mg/mL左右？通過解析數學模型，學生會更系統、準確地理解“血糖來源和去路的概念模型”（圖1），如區分肝糖原、肌糖原與血糖的轉化關系，區分非必需氨基酸和必需氨基酸與血糖的轉化關系等。

3.3 解析激素分泌、運輸和作用的物理模型，引出胰島素和胰高血糖素的調節機制

解析“物理模型”，首先是對模型中的信息進行獲取，然后對實物或圖畫等直觀表達形式進行闡釋，能說出其表達的事物特征，或者概括出其表達的動態過程。而在血糖調節中，理解胰島素和胰高血糖素的合成部位、運輸途徑、作用部位和作用效應，將成為構建血糖調節的重要基礎。

教師展示激素分泌、運輸、作用的物理模型（圖2），啟發學生思考：①胰島素或胰高血糖素分泌后進入到什么環境中？如何運輸到靶細胞？②胰島素是否進入靶細胞內部參與細胞代謝？靶細胞通過什么結構識別胰島素？③胰島素作為信息分子，如何促進組織細胞加速攝取、利用和儲存葡萄糖？學生通過思考系列問題，逐步認同“胰島素是由胰島B細胞分泌的信號分子，經體液運輸作用于靶細胞的細胞膜受體，促進靶細胞加速攝取、利用和儲存葡萄糖，從而使血糖水平降低”，并類比推理出“胰高血糖素是由胰島A細胞分泌的信號分子，經過體液運輸作用于靶細胞的細胞膜受體，以實現肝糖原分解、非糖類物質轉化為葡萄糖”。在學生充分理解的基礎上，教師再引導學生去推測胰島素和胰高血糖素作用的靶細胞種類（圖3、圖4）。

3.4 構建以激素調節為主的血糖調節概念模型，補充生物學事實予以完善

構建模型是較高層次上的一個過程，要求學生能夠對生物學現象的本質屬性具備清晰的認識，并能用圖示、文字、符號等組成的流程圖形式對事物的生命活動規律、機理進行描述和闡明。而構建模型的過程，需要學生將大腦中的思維進行圖示化構思，大致要經歷“基礎構建”→“問題暴露”→“糾錯重構”→“豐富完善”的過程。

首先，結合胰島素和胰高血糖素的合成部位和作用機理，學生初步繪制高血糖背景下胰島素對血糖的調節過程、低血糖背景下胰高血糖素對血糖的調節過程，并通過展示交流、暴露典型錯誤。例如，在圖5A中，學生只是簡單繪制了兩種血糖背景下兩種激素的分泌量變化。在圖5B中，學生表示出了血糖升高和血糖降低兩種背景下，兩種激素的合成部位、作用途徑，相對于前一位學生的概念模型，能具體地展示激素調節的過程，唯一的不足之處在于描述胰島素功能時，沒有強調“促進組織細胞對葡萄糖的利用和儲存”。

接著，在糾正基礎的概念模型后，教師給出下丘腦、腎上腺素、反饋調節的文字資料，讓學生在初步構建的概念模型上，再做進一步完善。而在構建的過程中，學生需要勇于嘗試構建、接受同學互評、再次展示交流，最終得到如圖6所示的血糖調節概念模型。在概念模型構建活動中，學生需要理解的內容包括：①高血糖素和腎上腺素都能促進血糖升高，而胰島素是唯一一種能降低血糖的激素；②下丘腦作為血糖感受器和神經中樞部位，也會參與到血糖調節過程中，此時胰島細胞承擔效應器功能；③通過反饋調節的回路，胰島素和胰高血糖素的分泌會受到限制，導致血糖濃度維持在相對穩定的范圍內。

3.5 應用血糖調節概念模型，辨析補充血糖的方式

與常規教學設計相比，模型建構的“學習設計”更加關注學生的情境體驗和積極參與，更加重視學生學習主動性和創造性的發揮、更加有利于學生多種思維能力培養和科學素養的提升。因此，構建模型的教學活動不能僅僅停留在繪制概念圖等圖示結果的層面，更重要的是能夠應用已有圖示化模型，解決生活中的實際問題，讓學生感受到“學以致用”的成功和喜悅，從而認可模型學習的重要價值。

教師以學生軍訓體驗為背景，組織學生辨析：在炎炎夏日軍訓的時候，人體的血糖消耗很快（血糖偏低）。那么，你會選擇哪一種食物來補充血糖呢？此時，一部分學生會支持補充葡萄糖等單糖型飲料，理由是消化吸收較快；而另一部分學生會支持補充淀粉等多糖，理由是富含膳食纖維、吸收較慢。通過辨析兩種方式的優缺點，結合自己所構建的概念模型，學生會得出結論：前者吸收快，易造成胰島素大量分泌，胰島B細胞容易“過度疲勞死亡”；而后者吸收慢，不利于血糖的迅速補充和恢復，持續低血糖會造成休克等癥狀。最終，學生將對情境進行細化分析，得出“低血糖癥狀時應該補充單糖飲料、無低血糖癥狀時應補充多糖食物”的科學營養觀。

4 反思“模型”，啟發教學設計與組織

“模型”教學的核心目的是使教學的組織更加有序、系統和形象。因此，“模型”教學不能等同于單純地繪制概念圖等圖示，而是應該準確把握解析模型、構建模型和應用模型3種教學方式，在“解析”過程中歸納客觀規律和本質特征、理解生物學事實；在“構建”過程中轉化圖示化的思維過程、概述生物學事實；在“應用”過程中反思模型的內涵和外延、回歸生物學事實（圖7）。

總之，將高中生物課堂導回到“尊重生物學事實”的軌道，將教學內容引領到“聚焦大概念”的潮流，是促進學生深刻理解和應用重要生物學概念的基礎，也是發展學生生物學學科核心素養的必然路徑。