数字化实验下“内环境稳态的重要性”的教学实践
朱云鹏 王岚
摘要：本文借助数字化实验，从内环境的理化性质pH切入，开展实验获得证据，建构数学模型，帮助学生建立内环境稳态这一重要概念，进而树立稳态与平衡观。
关键词：数字化实验?内环境稳态?pH
《2017年普通高中生物学课程标准》高度关注学生生物学核心素养的培养。核心素养涵盖生命观念、理性思维、科学探究、社会责任四个方面的要求，其中生命观念主要包括结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观等。本文正是选取内环境稳态的理化性质中pH为切入点，利用数字化实验获得直观证据，帮助学生建立数学模型，从定量的角度去分析实验结果，获取证据，帮助学生发展科学探究能力，树立稳态与平衡观，同时增强社会责任感。
一、演示实验，引出稳态概念
教师在上课开始时先做一个简单的学生饮食习惯调查：是否有吃东西蘸醋的习惯？是否有喝苏打水的习惯？学生联系自身实际，积极回答。教师追问：这些酸性或碱性食物进入内环境，内环境的pH能否保持稳定吗？机体代谢会产生一些酸性物质吗？学生联系细胞呼吸内容，提出机体通过无氧呼吸会产生乳酸这一酸性物质，并根据生活经验，做出理性假设：认为内环境pH不会明显变化。当然为了解决问题，教师组织学生利用pH传感器、滴数传感器、酸碱滴定管、带铁架的磁力搅拌器组装实验装置如图1。开展实验探究，向血浆中分别滴加少量的HCl和NaOH，可得到实验数据如图2。全班学生依据实验数据得出：无论酸性物质进入内环境还是碱性物质进入内环境都不会引起pH发生巨大变化，内环境能够维持pH的稳定。
教师追问：那内环境的其他理化性质如体温能否保持稳定？内环境的成分又能否保持稳定？然后生物兴趣小组展示他们调查得到的学材：血常规检查化验单和“家庭成员一天内体温变化调查表”，并提出他们的学习困惑。学生在真实调查结果的辅助下得出内环境的成分和理化性质，能保持稳定，继而师生共同总结得出：内环境的各种成分含量并非是恒定不变的，而是处于一种动态变化中，而且健康人体的内环境其他方面的理化性质也都能处在相对稳定的状态。所以，健康人体的内环境能够保持着相对稳定的状态。教师补充科学发现背景资料——稳态概念的提出和发展，梳理归纳得出稳态的概念，明确稳态这一生命科学的基本概念在生物学中的地位和意义。
设计意图：从学生熟悉的日常生活中提出探究性问题，创建合理的学习情境，将课内、课外探究性学习活动高效地结合到一起。学生在问题串的引导下有目的、有步骤地开展实验探究，完成对相关事物的观察、描述、抽象与概括。这样以探究活动为课堂起点的教学一方面能够直接促成学科核心素养中“理性思维”“科学探究”的落实，另一方面也能够间接促成另外两个核心素养的达成。
二、模拟实验，探寻机体pH稳定的调节机制
正常机体为什么能够维持稳态呢？师生继而共同探究内环境稳态的调节机制。学生小组讨论，设计模拟实验方案——利用pH传感器检测向缓冲溶液、蒸馏水分别滴加NaOH和HCl之后的pH 变化。如图3和图4。
教师追问：（1）对比实验结果图2、3、4中pH变化曲线，血浆更像哪种溶液？（2）鼓励学生大胆解释缓冲液pH变化情况与蒸馏水pH变化情况不同的原因。（3）渗透学科交叉思想，明确机体维持pH稳定的机制。对比pH变化曲线图，学生能够很容易得出机体的pH变化更像缓冲液，pH变化不明显。对于第2个问题，教师提示学生结合已有的化学酸碱平衡知识，通过小组讨论得出：缓冲液中Na2HPO4呈酸性，可以与酸性物质中和;而NaH2PO4呈碱性，可以与碱性物质中和。蒸馏水则不一样，所以加入酸碱之后，pH变化很大。针对第3个问题，学生能够通过类比推理得出血浆中也可能含有缓冲物质用于维持pH的稳定。学生联系细胞呼吸可以生成CO2的知识，不难推测出内环境中可能存在的缓冲物质是：H2CO3/NaHCO3。当机体酸性代谢产物乳酸进入血浆中，会与NaHCO3反应，生成H2CO3和乳酸钠，而当碱性物质Na2CO3进入血浆后，会与H2CO3反应生成NaHCO3，因而并没有引起机体的pH 明显变化。
设计意图：学生针对提出的问题，利用pH传感器，设计模拟实验，结合所得实验数据，通过类比推理，得出初步结论，在量的变化中理解内环境稳态的本质，不仅水到渠成地发展了学科核心素养中的科学探究能力，同时也提升了语言表达能力以及合作交流能力。
三、建构概念图，树立稳态与平衡观
教师继续追问：反应生成过多的H2CO3和NaHCO3的去向呢？教师展示机体与外界环境的物质交换模型动画演示，提问：（1）机体需要的葡萄糖、氨基酸等有机物、水、O2通过哪些器官或系统到达内环境？（2）机体代谢产生的废物和CO2通过哪些系统或器官排出体外？学生识图分析讨论，并完成教师提供的概念图，如图5。
依据以上内容，师生共同梳理完善机体保持pH稳定的调节机制：当机体代谢产生乳酸等酸性物质进入血浆后，与NaHCO3中和，转化为乳酸钠和H2CO3，H2CO3是一种弱酸，会分解成CO2和水，过多的CO2会经过呼吸系统到达外环境;而当碱性食物通过消化系統进入内环境后，会与H2CO3发生反应生转化为NaHCO3。过多的NaHCO3会以无机盐的形式通过泌尿系统排出体外。
学生通过具体实例迁移思考得出：除内环境的理化性质pH以外，内环境的其他理化性质和内环境中的各种成分要保持稳定，需要包括呼吸、消化、循环、泌尿等多个系统和器官参与。
教师提问：在维持内环境稳态的过程中，如何能保证各器官和系统协调配合呢？学生自主研读课本，能够认同：神经—体液—免疫调节网络是机体维持稳态的主要调节机制。并认识到科学知识是在不断发展和修正的，不要盲目迷信权威，要敢于质疑和挑战。
设计意图：教师为了帮助学生形成内环境稳态这一重要概念进而建立“稳态与平衡观”，一方面可以给予学生各种契合学生经历、丰富且具有代表性的事实例来为学生的概念形成提供支撑，如体温日变化表;另一方面，还要警惕教学活动不应仅仅停留在让学生识记一些零散的生物学知识的层面上，还可以依靠对概念图建构和逐步完善，通过对知识的抽象和概括，帮助学生促成生物学概念的构建，并以此来整合有效的知识网络，为学生能够在新情境下解决相关问题打好基础。
四、联系生活，增强社会责任感
教师展示向血浆中滴加过量的HCl和NaOH之后的实验结果，如图6。
得出结论：机体维持pH稳定的能力是有限的。当外界环境变化过于剧烈，或者人体自身的调节功能受到一定损伤时，内环境稳态是能被打破的。教师呈现酸中毒和碱中毒的相关资料，酸中毒——当人体血浆中pH<7.36，轻微酸中毒者常会感到身体乏力、口渴、心慌等;严重酸中毒者会发生胃酸过多、神经衰弱、疲劳倦怠等。碱中毒——当人体血浆中pH>7.44 时称为碱中毒。轻微碱中毒可以出现呼吸频率增快，烦躁不安，严重时会出现四肢麻木、肌肉痉挛、意识障碍和呼吸衰竭等。
师生共同总结得出：人体维持内环境pH的相对稳定具有极其重要的意义。教师请同学结合自身经历，谈谈稳态失衡的症状和危害，比如发烧、严重腹泻后、高原反应、糖尿病等。学生明确：机体内生命活动的有序进行必须要有内环境稳态作为保障，但是稳态的调节能力是相对的，所以平时应注意依据外界环境的改变，做出应对措施，要坚持身体锻炼，增强机体的稳态调节能力，坚持健康的饮食习惯和有规律作息习惯等。
设计意图：在教学中将生物学与学生的日常生活等内容密切结合，鼓励学生将生物学学习融入到现实生活情境中，学会运用生物学原理和方法对社会热点问题做出理性分析，同时向他人宣传健康的生活方式。
责任编辑：黄大灿
