數字化實驗下“內環境穩態的重要性”的教學實踐

朱云鵬 王嵐

摘要：本文借助數字化實驗，從內環境的理化性質pH切入，開展實驗獲得證據，建構數學模型，幫助學生建立內環境穩態這一重要概念，進而樹立穩態與平衡觀。

關鍵詞：數字化實驗?內環境穩態?pH

《2017年普通高中生物學課程標準》高度關注學生生物學核心素養的培養。核心素養涵蓋生命觀念、理性思維、科學探究、社會責任四個方面的要求，其中生命觀念主要包括結構與功能觀、進化與適應觀、穩態與平衡觀、物質與能量觀等。本文正是選取內環境穩態的理化性質中pH為切入點，利用數字化實驗獲得直觀證據，幫助學生建立數學模型，從定量的角度去分析實驗結果，獲取證據，幫助學生發展科學探究能力，樹立穩態與平衡觀，同時增強社會責任感。

一、演示實驗，引出穩態概念

教師在上課開始時先做一個簡單的學生飲食習慣調查：是否有吃東西蘸醋的習慣？是否有喝蘇打水的習慣？學生聯系自身實際，積極回答。教師追問：這些酸性或堿性食物進入內環境，內環境的pH能否保持穩定嗎？機體代謝會產生一些酸性物質嗎？學生聯系細胞呼吸內容，提出機體通過無氧呼吸會產生乳酸這一酸性物質，并根據生活經驗，做出理性假設：認為內環境pH不會明顯變化。當然為了解決問題，教師組織學生利用pH傳感器、滴數傳感器、酸堿滴定管、帶鐵架的磁力攪拌器組裝實驗裝置如圖1。開展實驗探究，向血漿中分別滴加少量的HCl和NaOH，可得到實驗數據如圖2。全班學生依據實驗數據得出：無論酸性物質進入內環境還是堿性物質進入內環境都不會引起pH發生巨大變化，內環境能夠維持pH的穩定。

教師追問：那內環境的其他理化性質如體溫能否保持穩定？內環境的成分又能否保持穩定？然后生物興趣小組展示他們調查得到的學材：血常規檢查化驗單和“家庭成員一天內體溫變化調查表”，并提出他們的學習困惑。學生在真實調查結果的輔助下得出內環境的成分和理化性質，能保持穩定，繼而師生共同總結得出：內環境的各種成分含量并非是恒定不變的，而是處于一種動態變化中，而且健康人體的內環境其他方面的理化性質也都能處在相對穩定的狀態。所以，健康人體的內環境能夠保持著相對穩定的狀態。教師補充科學發現背景資料——穩態概念的提出和發展，梳理歸納得出穩態的概念，明確穩態這一生命科學的基本概念在生物學中的地位和意義。

設計意圖：從學生熟悉的日常生活中提出探究性問題，創建合理的學習情境，將課內、課外探究性學習活動高效地結合到一起。學生在問題串的引導下有目的、有步驟地開展實驗探究，完成對相關事物的觀察、描述、抽象與概括。這樣以探究活動為課堂起點的教學一方面能夠直接促成學科核心素養中“理性思維”“科學探究”的落實，另一方面也能夠間接促成另外兩個核心素養的達成。

二、模擬實驗，探尋機體pH穩定的調節機制

正常機體為什么能夠維持穩態呢？師生繼而共同探究內環境穩態的調節機制。學生小組討論，設計模擬實驗方案——利用pH傳感器檢測向緩沖溶液、蒸餾水分別滴加NaOH和HCl之后的pH 變化。如圖3和圖4。

教師追問：（1）對比實驗結果圖2、3、4中pH變化曲線，血漿更像哪種溶液？（2）鼓勵學生大膽解釋緩沖液pH變化情況與蒸餾水pH變化情況不同的原因。（3）滲透學科交叉思想，明確機體維持pH穩定的機制。對比pH變化曲線圖，學生能夠很容易得出機體的pH變化更像緩沖液，pH變化不明顯。對于第2個問題，教師提示學生結合已有的化學酸堿平衡知識，通過小組討論得出：緩沖液中Na2HPO4呈酸性，可以與酸性物質中和;而NaH2PO4呈堿性，可以與堿性物質中和。蒸餾水則不一樣，所以加入酸堿之后，pH變化很大。針對第3個問題，學生能夠通過類比推理得出血漿中也可能含有緩沖物質用于維持pH的穩定。學生聯系細胞呼吸可以生成CO2的知識，不難推測出內環境中可能存在的緩沖物質是：H2CO3/NaHCO3。當機體酸性代謝產物乳酸進入血漿中，會與NaHCO3反應，生成H2CO3和乳酸鈉，而當堿性物質Na2CO3進入血漿后，會與H2CO3反應生成NaHCO3，因而并沒有引起機體的pH 明顯變化。

設計意圖：學生針對提出的問題，利用pH傳感器，設計模擬實驗，結合所得實驗數據，通過類比推理，得出初步結論，在量的變化中理解內環境穩態的本質，不僅水到渠成地發展了學科核心素養中的科學探究能力，同時也提升了語言表達能力以及合作交流能力。

三、建構概念圖，樹立穩態與平衡觀

教師繼續追問：反應生成過多的H2CO3和NaHCO3的去向呢？教師展示機體與外界環境的物質交換模型動畫演示，提問：（1）機體需要的葡萄糖、氨基酸等有機物、水、O2通過哪些器官或系統到達內環境？（2）機體代謝產生的廢物和CO2通過哪些系統或器官排出體外？學生識圖分析討論，并完成教師提供的概念圖，如圖5。

依據以上內容，師生共同梳理完善機體保持pH穩定的調節機制：當機體代謝產生乳酸等酸性物質進入血漿后，與NaHCO3中和，轉化為乳酸鈉和H2CO3，H2CO3是一種弱酸，會分解成CO2和水，過多的CO2會經過呼吸系統到達外環境;而當堿性食物通過消化系統進入內環境后，會與H2CO3發生反應生轉化為NaHCO3。過多的NaHCO3會以無機鹽的形式通過泌尿系統排出體外。

學生通過具體實例遷移思考得出：除內環境的理化性質pH以外，內環境的其他理化性質和內環境中的各種成分要保持穩定，需要包括呼吸、消化、循環、泌尿等多個系統和器官參與。

教師提問：在維持內環境穩態的過程中，如何能保證各器官和系統協調配合呢？學生自主研讀課本，能夠認同：神經—體液—免疫調節網絡是機體維持穩態的主要調節機制。并認識到科學知識是在不斷發展和修正的，不要盲目迷信權威，要敢于質疑和挑戰。

設計意圖：教師為了幫助學生形成內環境穩態這一重要概念進而建立“穩態與平衡觀”，一方面可以給予學生各種契合學生經歷、豐富且具有代表性的事實例來為學生的概念形成提供支撐，如體溫日變化表;另一方面，還要警惕教學活動不應僅僅停留在讓學生識記一些零散的生物學知識的層面上，還可以依靠對概念圖建構和逐步完善，通過對知識的抽象和概括，幫助學生促成生物學概念的構建，并以此來整合有效的知識網絡，為學生能夠在新情境下解決相關問題打好基礎。

四、聯系生活，增強社會責任感

教師展示向血漿中滴加過量的HCl和NaOH之后的實驗結果，如圖6。

得出結論：機體維持pH穩定的能力是有限的。當外界環境變化過于劇烈，或者人體自身的調節功能受到一定損傷時，內環境穩態是能被打破的。教師呈現酸中毒和堿中毒的相關資料，酸中毒——當人體血漿中pH<7.36，輕微酸中毒者常會感到身體乏力、口渴、心慌等;嚴重酸中毒者會發生胃酸過多、神經衰弱、疲勞倦怠等。堿中毒——當人體血漿中pH>7.44 時稱為堿中毒。輕微堿中毒可以出現呼吸頻率增快，煩躁不安，嚴重時會出現四肢麻木、肌肉痙攣、意識障礙和呼吸衰竭等。

師生共同總結得出：人體維持內環境pH的相對穩定具有極其重要的意義。教師請同學結合自身經歷，談談穩態失衡的癥狀和危害，比如發燒、嚴重腹瀉后、高原反應、糖尿病等。學生明確：機體內生命活動的有序進行必須要有內環境穩態作為保障，但是穩態的調節能力是相對的，所以平時應注意依據外界環境的改變，做出應對措施，要堅持身體鍛煉，增強機體的穩態調節能力，堅持健康的飲食習慣和有規律作息習慣等。

設計意圖：在教學中將生物學與學生的日常生活等內容密切結合，鼓勵學生將生物學學習融入到現實生活情境中，學會運用生物學原理和方法對社會熱點問題做出理性分析，同時向他人宣傳健康的生活方式。

責任編輯：黃大燦