指向?qū)W科本質(zhì)的高中生物學(xué)循證課型
——以“興奮在神經(jīng)元之間的傳遞”為例

紀(jì)大軍

（南京市江寧開發(fā)區(qū)學(xué)校 江蘇南京 210012）

指向?qū)W科本質(zhì)的高中生物學(xué)循證課型是針對生物學(xué)核心概念，提出核心問題，利用探究方法獲得科學(xué)事實(shí)，并基于科學(xué)事實(shí)的科學(xué)論證和自主構(gòu)建的教學(xué)系統(tǒng)，是基于生物學(xué)科育人目標(biāo)，以生物學(xué)科核心素養(yǎng)為價值追求的，是基于探究教學(xué)與論證教學(xué)的新型課型。下文以“興奮在神經(jīng)元之間的傳遞”一節(jié)為例，闡述指向?qū)W科本質(zhì)的高中生物學(xué)循證課型在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用。

1 對照課標(biāo)，明確要求

本節(jié)內(nèi)容屬于《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》。根據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，其對應(yīng)的大概念是“生命個體的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，各結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)統(tǒng)一共同完成復(fù)雜的生命活動，并通過一定的調(diào)節(jié)機(jī)制保持穩(wěn)態(tài)”，重要概念是“神經(jīng)系統(tǒng)能夠及時感知機(jī)體內(nèi)、外環(huán)境的變化，并做出反應(yīng)調(diào)控各器官、系統(tǒng)的活動，實(shí)現(xiàn)機(jī)體穩(wěn)態(tài)”，次位概念是“闡明神經(jīng)沖動在突觸處的傳遞通常通過化學(xué)傳遞方式完成”?！敖虒W(xué)提示”中建議教師在本節(jié)教學(xué)中開展討論濫用興奮劑以及吸食毒品的危害?！皩W(xué)業(yè)要求”明確學(xué)生需要能夠：①結(jié)合日常生活中的情景，分析人體通過神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)以及免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用對內(nèi)外環(huán)境的變化做出反應(yīng)，以維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)（生命觀念、科學(xué)思維）；②評估多種生活方案，認(rèn)同并采納健康文明的生活方式，原理毒品，向他人宣傳毒品的危害。

2 分解課標(biāo)，確定教學(xué)內(nèi)容

教師對于次位概念可以做如下分解：從結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的角度，突觸之所以能傳遞神經(jīng)沖動是因?yàn)榫哂邢鄳?yīng)的結(jié)構(gòu)，故教學(xué)內(nèi)容首先應(yīng)涉及與功能相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)。從物質(zhì)與能量觀的角度，神經(jīng)沖動傳遞具有物質(zhì)基礎(chǔ)的，故教學(xué)內(nèi)容中應(yīng)包括神經(jīng)遞質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、種類和作用。在前兩個教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，學(xué)生應(yīng)認(rèn)識到興奮在神經(jīng)元之間傳遞的具體過程。此外，教師可以在課內(nèi)補(bǔ)充“電突觸”的內(nèi)容，或可以讓有興趣的學(xué)生在課外搜集有關(guān)突觸上神經(jīng)傳導(dǎo)形式的其他信息。

3 明確核心問題、教學(xué)目標(biāo)與重難點(diǎn)

本節(jié)課的核心問題為“神經(jīng)沖動是如何在突觸中傳遞的？”教學(xué)目標(biāo)包括：

①通過科學(xué)史、圖片和視頻等，能運(yùn)用結(jié)構(gòu)和功能觀、物質(zhì)觀，闡明神經(jīng)沖動在神經(jīng)元之間的傳遞。

②通過毒品的成癮性，能夠在新的問題情景中，基于事實(shí)和證據(jù)，采用分析和歸納、模型與建構(gòu)等方法分析神經(jīng)沖動在神經(jīng)元之間的傳遞過程。

③基于科學(xué)史階段性研究成果，對神經(jīng)沖動的傳遞形式提出假設(shè)，并設(shè)計(jì)可行實(shí)驗(yàn)。

④主動宣傳健康生活和珍愛生命等社會責(zé)任。

教學(xué)的重難點(diǎn)在于：①說出突觸的結(jié)構(gòu)；②說明興奮在神經(jīng)元之間的傳遞過程。

4 教學(xué)過程

4.1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情景

教師展示一張于2016年3月在《自然》在線雜志上發(fā)表的圖片：由艾倫腦科學(xué)研究所、哈佛醫(yī)學(xué)院和Flanders神經(jīng)電子學(xué)研究中心（NERF）的研究人員共同領(lǐng)導(dǎo)的國際小組發(fā)布的、迄今為止最大的大腦皮層神經(jīng)元連接網(wǎng)絡(luò)圖片。并告知學(xué)生研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的和意義，提出問題：神經(jīng)元之間通過什么連接？興奮在神經(jīng)元之間還是以局部電流的形式傳導(dǎo)嗎？學(xué)生針對這兩個問題展開討論。第一個問題由學(xué)生直接回答，第二問題讓學(xué)生舉手表決，表決后教師不急于給出答案，而是讓學(xué)生帶著核心問題開始本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

設(shè)計(jì)意圖：教師創(chuàng)設(shè)符合教學(xué)內(nèi)容的真實(shí)情景，提出相關(guān)討論的問題，有利于引起學(xué)生注意和興趣。

6.2 基于科學(xué)史進(jìn)行科學(xué)論證

6.2.1 突觸的結(jié)構(gòu)

針對“突觸是如何被發(fā)現(xiàn)的？”這一問題，教師提供事實(shí)資料①：英國神經(jīng)生理學(xué)家謝靈頓的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，興奮在軸突上的傳導(dǎo)速率是40 m/s，而興奮在反射弧上的傳導(dǎo)速率是15 m/s（圖1）。據(jù)此，教師提問：根據(jù)現(xiàn)象，請大膽猜測延遲發(fā)生在哪里？學(xué)生思考后，結(jié)合圖示指出延遲發(fā)生的位置。

圖1 興奮在不同部位的傳遞速率

教師小結(jié)：延遲發(fā)生在神經(jīng)元之間的間隙，謝靈頓把像這樣兩個相互接觸的神經(jīng)元之間的間隙稱為突觸。接著，教師呈現(xiàn)一個完整的反射弧圖片，請學(xué)生思考反射弧中有幾個突觸。

針對“突觸真的存在嗎？如何獲取直接證據(jù)證明？”的問題，教師引導(dǎo)學(xué)生思考獲取直接證據(jù)的方法。并在此基礎(chǔ)上，指出理論對實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。接著，教師展示事實(shí)資料②：電子顯微鏡下的突觸照片。結(jié)合照片展示突觸間隙的大小以及突觸的結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 突觸電鏡照片

針對“能傳遞興奮的突觸具有哪些結(jié)構(gòu)與之相適應(yīng)？”這一問題，教師展示神經(jīng)元圖片，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)并指出突觸小體的結(jié)構(gòu)（圖3）。接著，教師展示兩個神經(jīng)元興奮傳遞圖，并把兩個神經(jīng)元之間的連接部位放大。學(xué)生觀察放大后的圖片（圖4），對突觸前膜和突觸后膜的結(jié)構(gòu)、突觸的種類進(jìn)行思考討論，構(gòu)建突觸模型。結(jié)合模型，教師對突觸小體的概念和結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充講解。最后教師提問：如果神經(jīng)元是傳出神經(jīng)，后面連接是肌肉或腺體，它們之間的連接也是突觸嗎？

圖3 神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)

圖4 神經(jīng)元之間連接局部放大圖

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生體悟到“突觸”在科學(xué)史上的發(fā)現(xiàn)是“現(xiàn)象→理論→實(shí)證”的發(fā)現(xiàn)過程，科學(xué)家對于“突觸”的認(rèn)識是逐步深入的，這一過程也突出了實(shí)證在科學(xué)研究中的重要性。之后，學(xué)生通過模型構(gòu)建，加深對突觸的認(rèn)識。

6.2.2 興奮在神經(jīng)元之間的傳遞

教師提問：興奮在神經(jīng)元之間是以什么樣的形式傳遞？并提供事實(shí)資料③：英國科學(xué)家艾利奧特實(shí)驗(yàn)如圖5所示，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)給心臟注射腎上腺素和刺激交感神經(jīng)都可以心跳加快。請學(xué)生猜測：為什么刺激交感神經(jīng)可以使心跳加快？并進(jìn)一步啟發(fā)：交感神經(jīng)為什么和腎上腺素有相同的結(jié)果呢？有沒有可能二者之間存在聯(lián)系呢？

圖5 艾利奧特實(shí)驗(yàn)示意圖

學(xué)生做出猜測后，教師讓學(xué)生嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以證實(shí)猜測。接著，教師提供勒維的猜測和實(shí)驗(yàn)作為事實(shí)資料④：取兩個蛙心離體處理，一個保留迷走神經(jīng)，一個去掉迷走神經(jīng)，然后往保留迷走神經(jīng)的蛙心注入任氏液，再刺激迷走神經(jīng)，測定發(fā)現(xiàn)蛙心跳減慢，接著抽取任氏液灌流到去掉迷走神經(jīng)的蛙心，測定其心跳也減慢了。并引導(dǎo)學(xué)生分析：①實(shí)驗(yàn)的自變量是什么？②那一組是實(shí)驗(yàn)組，那一組是對照組？③若不離體，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)科學(xué)嗎？④實(shí)驗(yàn)結(jié)論是什么？教師據(jù)此引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：實(shí)驗(yàn)證實(shí)了迷走神經(jīng)確實(shí)能分泌某種物質(zhì)。

教師繼續(xù)設(shè)問：勒維把迷走神經(jīng)分泌的這種物質(zhì)稱為迷走遞質(zhì)，迷走遞質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是什么？并提供事實(shí)資料⑤：1930年英國生理學(xué)家戴爾證明迷走神經(jīng)釋放的化學(xué)物質(zhì)是乙酰膽堿。后來很多科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，多巴胺，腎上腺素，5-羥色胺等多種化學(xué)物質(zhì)與乙酰膽堿相似，都是神經(jīng)元之間起作用的化學(xué)物質(zhì)，因此把這一類物質(zhì)統(tǒng)稱為“神經(jīng)遞質(zhì)”。據(jù)此，教師提問：神經(jīng)遞質(zhì)在哪里？并展示電子顯微鏡下的突觸圖片（圖6），請學(xué)生觀察，找出神經(jīng)遞質(zhì)存在的位置。教師結(jié)合圖片補(bǔ)充講解神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生的、釋放、作用部位、類型、分類、作用結(jié)果和作用后的去向。

圖6 電鏡下的突觸小泡

教師設(shè)問：興奮借助神經(jīng)遞質(zhì)是如何傳遞的？并以視頻展示興奮在神經(jīng)元之間的傳遞過程，引導(dǎo)學(xué)生開展合作學(xué)習(xí)，向同伴講述興奮借助神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞過程，并請一組學(xué)生進(jìn)行展示，再請學(xué)生結(jié)合模型進(jìn)行講解。結(jié)合傳遞過程，教師再次提問：①突觸前膜和突觸后膜上發(fā)生的信號轉(zhuǎn)化是什么？②突觸上發(fā)生的信號轉(zhuǎn)化是什么？③興奮在突觸上是單向還是雙向傳遞？為什么？

最后，教師提問：是不是所有的興奮都是借助化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行傳遞呢？并提示學(xué)生：科學(xué)家們把借助化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行傳遞的突觸稱為化學(xué)突觸，此外還存在電突觸。教師布置課外查閱科學(xué)史的任務(wù)，要求學(xué)生上交報告描述電突觸傳遞興奮的過程。

設(shè)計(jì)意圖：教師以科學(xué)史作為載體，通過設(shè)計(jì)問題串逐步引導(dǎo)學(xué)生探究，借助論證，合作學(xué)習(xí)等形式進(jìn)行教學(xué)，幫助學(xué)生構(gòu)建起相應(yīng)的概念，同時拓展學(xué)生視野。

6.2.3 興奮在突觸的傳遞與生命健康

教師展示與本教學(xué)主題相關(guān)的諾貝爾獲獎相關(guān)資料，引導(dǎo)學(xué)生閱讀，并講解神經(jīng)科學(xué)不斷發(fā)展的原因及其對人類生活的影響。接著，教師提供事實(shí)資料：多巴胺是一種經(jīng)常作為飾品的神經(jīng)遞質(zhì)，之所以作為飾品是因?yàn)槎喟桶肥怯鋹?、快樂的象征。多巴胺以使人產(chǎn)生愉快、興奮的感覺，引起適度的興奮可以使人身心健康，若追求過度的興奮就不利于身心健康，毒品是會導(dǎo)致人體過度興奮而導(dǎo)致身心受到傷害的一種物質(zhì)。并提問：①吸毒時，過度興奮是如何發(fā)生的？（并為學(xué)生提供事實(shí)證據(jù)，即多巴胺與受體結(jié)合發(fā)揮作用后，被前膜蛋白回收。）②推測吸毒是如何上癮的？（從穩(wěn)態(tài)與平衡觀的角度，引導(dǎo)學(xué)生分析。）據(jù)此，教師小結(jié)：吸毒后，細(xì)胞的結(jié)構(gòu)被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致人體神經(jīng)系統(tǒng)遭到不可逆的損害，目前還沒有戒毒的有效方法，請大家一定要珍惜生命、遠(yuǎn)離毒品。并引導(dǎo)學(xué)生討論對毒品危害的感受。

設(shè)計(jì)意圖：從生活實(shí)際出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生用已有的科學(xué)知識來解決新情境下的實(shí)際問題，幫助學(xué)生進(jìn)一步構(gòu)建概念同時，及時發(fā)現(xiàn)錯誤概念，并有針對性進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變，從而幫助學(xué)生建立穩(wěn)態(tài)與平衡觀，并用觀念分析毒品上癮的成因和危害，滲透正確的價值觀和承擔(dān)社會責(zé)任。

6.3 學(xué)業(yè)質(zhì)量水平檢測

教師布置以下任務(wù)以檢測學(xué)生學(xué)習(xí)成果：

①你知道瘦臉針和除皺針嗎？注射的主要成分是“肉毒素”，是肉毒桿菌所分泌的毒素。如果肌肉不收縮，皮膚就不會產(chǎn)生皺紋，如果肌肉不長期使用，肌肉就退化，肌肉量減少，就會顯瘦，你能否用今天所學(xué)的知識進(jìn)行解釋嗎？（對應(yīng)生命觀念水平二，科學(xué)思維水平二）

②設(shè)計(jì)一份海報，宣傳毒物成癮的機(jī)理和危害。（生命觀念水平二，社會責(zé)任水平二）

6.4 總結(jié)反思

指向?qū)W科本質(zhì)的高中生物循證課型重視生命觀念的建立和科學(xué)思維的應(yīng)用。本節(jié)內(nèi)容主要包含結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀等觀念，教師通過照片、圖片、科學(xué)史等提供直接證據(jù)，幫助學(xué)生獲得對突觸結(jié)構(gòu)、神經(jīng)遞質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)和存在位置等的認(rèn)識，為闡明興奮的傳遞過程打下了良好的基礎(chǔ)。同時，通過設(shè)置有價值、有難度梯度的問題，用問題引領(lǐng)教學(xué)。從核心問題到子問題，每一個問題的解答都需要學(xué)生提出假設(shè)，盡可能找到事實(shí)和證據(jù)來論證，甚至需要設(shè)計(jì)和實(shí)踐方案。通過問題的解決，學(xué)生能夠形成在真實(shí)情景中解決問題所需的素養(yǎng)。生物學(xué)科的學(xué)科本質(zhì)包含自然科學(xué)的屬性和生物學(xué)科本身的特點(diǎn)。指向?qū)W科本質(zhì)的高中生物循證課型以科學(xué)史為載體，借助事實(shí)和證據(jù)，通過探索與發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生親身體會到科學(xué)是一個開放的、動態(tài)的和不斷發(fā)展的知識體系，也是一個不斷探究的過程。探究過程中的思路、方法和科學(xué)精神使得生物學(xué)科的育人價值得到了最大的體現(xiàn)，也是落實(shí)核生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要的內(nèi)容。