基于Micro：bit模型開發的“血糖調節”教學嘗試

王 穎 裘 成 張志祥

（寧波市惠貞書院 浙江寧波 315016）

“血糖調節”是高中生物學《選擇性必修2·穩態與調節》中的重點知識，其內容微觀抽象，調節機制復雜，理解難度較大。為將血糖調節過程直觀化，不少教師采用卡片來模擬血糖變化，但手動增添或減少卡片難以展現血糖動態變化過程，也無法體現激素作用和血糖變化在時間上的同步性。Micro：bit是一款基于ARM（Advanced Risc Machine）的嵌入式硬件，可通過編寫代碼來運行程序，并外接杜邦線、LED燈等電子元件實現燈光變化、信息展示等功能。因此，筆者利用Micro：bit開發“血糖調節”物理模型并應用于教學，通過創設可視化的血糖變化情境，讓學生通過交互的方式深入理解胰島細胞對血糖調節的邏輯，豐富課堂教學。

1 基于Micro：bit的血糖調節模型簡介

該模型基于Micro：bit開源硬件開發，使用Micro-Python將血糖調節中的多重運行邏輯轉換為代碼并寫入Micro：bit，設計電路并將線路內置于人體模型的泡沫裝置中，將LED燈外顯于相關組織細胞泡沫板外。

模型（圖1）左下角是接通電源的杜邦線。頂部的Micro：bit面板中央顯示的LED燈數代表人體血糖含量，可根據進食、運動或相關激素調節程序的運行發生相應變化，兩側依次是“進食”按鈕和“運動”按鈕。人體泡沫板中由胰島細胞處引出的黃色或綠色杜邦線可與其他組織細胞上的杜邦線接頭相連，若連接情況與激素作用完全相符，則程序正常運行，泡沫板上的LED燈會同時亮起以說明激素正在特定部位發揮作用。Micro：bit面板上的LED燈數也會相應增減來表示激素調節下的血糖含量變化。

圖1 血糖調節模型初始狀態及相關零部件簡圖

2 基于Micro：bit的血糖調節模型的教學嘗試

2.1 教學目標

①認識進食或運動后的血糖來源與去路和相關激素變化，建立穩態與平衡觀。

②分析科研資料和數學模型，明晰胰島素作用途徑，發展分析與推理、歸納與概括等科學思維。

③合作搭建血糖調節物理模型，科學描述血糖調節過程，借助物理模型深度分析激素作用機理，提出模型優化建議，學會交流與表達、質疑與創新。

④感知進食或運動的生活情境，理解激素調節的限度，認同合理飲食和運動的積極意義。

2.2 教學環節

2.2.1 創設生活情境，厘清來源與去路

接上電源，Micro：bit面板上亮滿14盞LED燈（圖2），每個燈設定8個亮度級別，代表空腹狀態的血糖含量為112 mg/100 dL，處于80～120 mg/100 dL的正常范圍內。教師演示人體進食后的血糖含量變化（按動“進食”按鈕），LED燈每0.015 s增加1/8的亮度，直至亮滿19盞，即血糖含量逐漸上升至152 mg/100 dL。復位后再演示運動后的血糖含量變化（按動“運動”按鈕），亮起的LED燈減少5盞，血糖逐漸下降至72 mg/100 dL。教師提出問題：“進食”或“運動”后，血糖變化的原因是什么？“進食”或“運動”后的血糖含量會一直處于“較高”或“較低”的水平嗎？人體如何維持血糖含量的穩定？能否聯系日常生活，歸納血糖的來源和去路？

圖2 空腹狀態Micro：bit面板上的血糖含量

學生通過觀察LED燈的變化，結合有機物水解和細胞呼吸相關知識，說出：進食后血糖升高是由消化吸收食物中的糖類引起的，以及運動后血糖下降是由葡萄糖大量氧化分解以維持機體供能造成的。同時，學生依據生活經驗，討論得出“肝糖原分解”和“非糖物質轉化”兩條來源及“合成肝糖原、肌糖原”和“轉化為非糖物質”兩條去路，并運用文字和箭頭繪制“血糖來源與去路”概念模型。

設計意圖：教師利用Micro：bit面板上的LED燈來模擬不同生活情境下的血糖含量變化，營造了直觀生動的教學氛圍，調動學生的感官，激發學生的探究興趣。

2.2.2 分析科研資料，探討激素作用

教師提供科研資料：①對人體灌注葡萄糖和胰島素，8 h灌注期間腿部肌肉中肌糖原濃度不斷增加。②胰島素影響脂肪組織代謝的實驗數據（表1）。③胰島素影響肝細胞糖原合成的實驗數據（圖3）。

表1 胰島素處理對脂肪組織代謝的影響

圖3 肝細胞糖原合成曲線圖

教師提出問題：以上資料分別說明了胰島素的什么作用？胰島素對血糖來源或去路起到促進還是抑制作用？

學生在已知“胰島素具有降血糖作用”的知識背景下對三則科研資料展開邏輯推理，通過分析資料①、③得出胰島素可促進肌糖原、肝糖原的合成，分析資料②得出胰島素既可促進脂肪酸合成，又能抑制甘油三酯水解。聯系知識點“組成甘油三酯的基本單元是脂肪酸和甘油”和“葡萄糖是合成脂肪酸的前體物質”，學生可推導得出胰島素可通過促進葡萄糖轉化為油脂，從而達到降血糖的目的。再從特殊到一般總結出胰島素對血糖的來源起抑制作用，對血糖的去路起促進作用。

設計意圖：教師利用真實的科研數據，引導學生對表格、曲線圖等不同形式的數學模型進行分析，有利于學生數據分析和邏輯推理能力的提升。

2.2.3 運行物理模型，模擬血糖調節

2.2.3.1 進食后血糖含量變化模擬

教師提示“將胰島B細胞引出的黃色杜邦線和不同細胞上的杜邦線接頭相連來表示胰島素作用于不同細胞”。并提出問題：能否準確連線以表征胰島素作用，使進食后較高的血糖濃度恢復正常水平？觀察不同細胞位置亮起的LED燈的顏色，紅燈表示促進，藍燈表示抑制，判斷上一環節的分析是否正確？能否用科學的語言描述進食后血糖濃度、胰島素和其他細胞的變化？

學生分析討論，明確胰島素作用途徑，準確連線并運行物理模型（圖4）。同時解說：進食后，人體血糖濃度上升，胰島素發揮作用（黃燈亮），促進血糖進入組織細胞進行氧化分解（紅燈亮），促進血糖進入肝臟細胞合成肝糖原（紅燈亮），同時抑制肝糖原分解（藍燈亮），促進血糖進入肌肉細胞合成肌糖原（紅燈亮），促進血糖進入脂肪細胞合成甘油三酯（紅燈亮），同時抑制甘油三酯等非糖物質轉變為葡萄糖（藍燈亮）。一段時間后，血糖含量逐漸恢復至正常水平（Micro：bit上的亮燈數恢復至15盞，即120 mg/100 dL），胰島素作用結束（黃燈滅）。

圖4 進食后胰島素作用效果演示

2.2.3.2 運動后血糖含量變化模擬

教師再次按動“運動”按鈕展示運動后血糖含量變化，引導學生思考：運動過程中哪種激素分泌量增加？胰高血糖素通過哪些途徑達到升血糖的效果？能否正確連線以展示胰高血糖素作用效果并用科學的語言描述？

學生明確運動時胰高血糖素作用途徑，準確連線運行裝置（圖5）并同步解說：運動過程中細胞呼吸速率加快，人體血糖濃度下降。此時，胰島A細胞感受到刺激，胰高血糖素發揮作用（綠燈亮），促進肝糖原分解成葡萄糖進入血液（紅燈亮）、促進甘油三酯轉變為糖（紅燈亮）。一段時間后，人體血糖濃度恢復至正常水平（Micro：bit上的亮燈數上升至15盞），胰高血糖素作用結束（綠燈滅）。

圖5 運動后胰高血糖素作用效果演示

設計意圖：教師借助模型將微觀的激素作用轉化為可視化現象，可即時檢驗并反饋學生的分析結果是否正確（一旦存在錯誤連線，模型便無法運行）。分階段認識模型運行時的信號變化，并用科學的語言進行表征，保障了學生學習的循序漸進，對表達與交流能力的發展也有重要作用。

2.2.4 渲染問題情境，總結調節機制

教師利用物理模型引導學生深度分析激素作用機理，嘗試優化血糖調節模型。教師提出問題，引導學生思考：①觀察胰島與其他細胞之間的位置關系，說明激素是如何到達其他細胞的？②裝置中從胰島細胞引出的杜邦線必須和其他細胞處的杜邦線接頭結合才能運行程序，猜測激素需要和靶細胞之間發生什么過程才能發揮作用？過程中激素承擔了什么角色？③血糖含量正常時，胰島細胞是否也在分泌相關激素？④胰島素和胰高血糖素之間存在什么關系？

學生觀察胰島與其他細胞之間的位置關系，得出激素通過體液傳播到達靶細胞；結合兩根杜邦線的匹配情況，認識到激素和靶細胞表面的受體特異性結合并發揮作用，同時說明激素作為一種信息分子參與穩態的調節。聯系體檢報告，學生討論得出胰島細胞在血糖含量正常時也持續在分泌相關激素，進而提出“應將胰島細胞處的黃燈和綠燈設定亮度等級，以亮度強弱表示激素分泌量的大小”等優化建議。隨后在模型運行和問題解決中，學生認識兩種激素的拮抗關系，理解反饋調節的機制和意義。

設計意圖：教師圍繞血糖調節物理模型設置問題串，引導學生通過理解裝置設計來把握激素特點，助力形成信息觀。學生基于問題提出裝置優化建議，在深度理解激素作用特點的同時發散思維，提升創新能力。

3 反思

本節課利用LED燈光模擬血糖含量變化來創造學習情境，融合數學模型、物理模型和概念模型，以“理解模型”“建構模型”“應用模型”為主脈組織教學。學生歸納血糖調節過程和反饋調節機制，并借此指導健康生活，提升生物學學科核心素養。

培養具有較強綜合實踐能力的學生是信息化時代發展的需要。教師可嘗試帶領學生運用信息技術、物理學和生物學等學科知識制作和開發類似物理模型，并將其運用于課堂教學。不同學科知識的綜合化運用必將能幫助學生更全面客觀地認識事物的表觀現象或本質。