基于科學(xué)思維的高三“帕金森氏癥”專題復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計(jì)

張震南 王鵬飛 溫 娟 劉斯璐 遲向向 王姣姣

（北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)未來科技城學(xué)校 北京 102209）

高中生物學(xué)課程是以提高生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為宗旨的學(xué)科課程，是落實(shí)“立德樹人”根本任務(wù)的重要載體。生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任［1］?？茖W(xué)思維是卓越的思維習(xí)慣，是生物學(xué)課程可以實(shí)現(xiàn)，也應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的課程目標(biāo)和育人價(jià)值之一［2］。

北京卷考試說明也明確指出：命題以考查考生的生物科學(xué)素養(yǎng)、促進(jìn)考生終生學(xué)習(xí)為總體目標(biāo)，并自2018年起提出了“思辨能力”和“創(chuàng)新能力”這2 項(xiàng)高階能力要求［3］。因此，應(yīng)將考試說明所要求的能力循序漸進(jìn)地滲透到課堂教學(xué)中，落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

學(xué)生往往不善于綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題，制定實(shí)驗(yàn)方案時(shí)缺乏整體全面的思路，缺乏從“對照設(shè)置”“自變量控制”“因變量檢測”等各個(gè)角度全面考慮的習(xí)慣和方法。本節(jié)課創(chuàng)設(shè)“帕金森氏癥”情境，由教師提供必要的信息，由學(xué)生通過自主探究和小組合作學(xué)習(xí)方式解讀信息、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析評價(jià)實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)機(jī)制，逐步培養(yǎng)學(xué)生的理解能力、獲取信息能力、思辨能力、創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力，同時(shí)也滲透和落實(shí)了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 教學(xué)目標(biāo)

1）通過構(gòu)建帕金森病致病機(jī)理圖，培養(yǎng)和提高學(xué)生理解能力、獲取信息能力。（生命觀念、科學(xué)思維）

2）通過分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡贸鰧?shí)驗(yàn)的自變量、因變量、無關(guān)變量，并設(shè)計(jì)出控制自變量、檢測因變量的實(shí)驗(yàn)方案；通過依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則對實(shí)驗(yàn)方案作出改進(jìn)，培養(yǎng)、提高學(xué)生的思辨能力、創(chuàng)新能力。（科學(xué)探究、科學(xué)思維）

3）通過運(yùn)用所學(xué)知識，分析圖、表形式展現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而得出結(jié)論及相關(guān)機(jī)制，訓(xùn)練學(xué)生的獲取信息能力、分析歸納能力及對知識的綜合應(yīng)用能力。（科學(xué)思維）

4）通過對帕金森氏癥的了解和關(guān)注，并嘗試探究與解決相關(guān)科學(xué)問題，且通過探究發(fā)現(xiàn)了“中藥——人參”對這一疾病治療的可能機(jī)制，培養(yǎng)并提高學(xué)生社會責(zé)任感。（社會責(zé)任）

2 教學(xué)過程

本節(jié)課教學(xué)流程如圖1。

圖1 本節(jié)課教學(xué)流程圖

2.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入本節(jié)話題 以“世界帕金森日公益短片”導(dǎo)入，并給出帕金森病發(fā)病率的相關(guān)數(shù)據(jù)：“1990—2015年間，帕金森病發(fā)病率及死亡人數(shù)增加了1 倍以上。截至2015年，全球有620 萬人患病，并有11.7 萬人死于帕金森病［4］。我國帕金森病患病人數(shù)約占全球一半，65 歲以上發(fā)病率為1.7%，隨著年齡增長發(fā)病率逐漸升高，并有年輕化趨勢。研究者預(yù)測，2040年全球患者總數(shù)將翻倍，達(dá)到1 420 萬人［5］。”

通過短片和資料，引起學(xué)生對全球第二大神經(jīng)退行性疾病——帕金森病的關(guān)注，引入帕金森病這一研究話題。

2.2 環(huán)節(jié)1：帕金森病的致病機(jī)理初探

學(xué)生活動1：以文字信息（資料1）呈現(xiàn)帕金森病的致病機(jī)理，由學(xué)生根據(jù)文字信息，完成帕金森病的致病機(jī)理圖（圖2）。

圖2 帕金森病的致病機(jī)理圖

資料：帕金森?。≒arkinson′s disease，簡稱PD）是一種影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的慢性神經(jīng)退行性疾病，主要影響運(yùn)動神經(jīng)系統(tǒng)。它的癥狀通常隨時(shí)間緩慢出現(xiàn)，早期最明顯的癥狀為靜止性震顫、肌肉僵直、運(yùn)動遲緩和步態(tài)異常，也可能有認(rèn)知和行為問題。主要致病機(jī)理為：α-突觸核蛋白基因突變導(dǎo)致α-突觸核蛋白異常折疊，異常的蛋白沉積形成“路易小體”，對多巴胺能神經(jīng)元具有毒性作用，導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元損傷、甚至大量死亡。多巴胺能神經(jīng)元可以合成并釋放多巴胺。異常折疊的α-突觸核蛋白可在Parkin基因和U基因的作用下降解，而帕金森病患者往往伴隨著Parkin和U基因突變。此外，年齡因素、環(huán)境毒素、基因突變等可引起線粒體功能異常，線粒體功能異常或多巴胺代謝異常產(chǎn)生的活性氧（例如，含氧自由基），會造成細(xì)胞的氧化損傷，進(jìn)而促進(jìn)Tau 磷酸化，從而導(dǎo)致“路易小體”的形成［6-7］。

教師用PPT 展示相關(guān)突觸結(jié)構(gòu)（圖3）。

圖3 突觸結(jié)構(gòu)［8］

小結(jié)與提問：①通過對致病機(jī)理的分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致帕金森病的原因是多方面的。無論何種致病因素，最后都指向了什么結(jié)果？ ②從功能上說，多巴胺是一類什么物質(zhì)？ 正常情況下其儲存于哪一種結(jié)構(gòu)中？③神經(jīng)遞質(zhì)能否持續(xù)發(fā)揮作用？多巴胺最終被運(yùn)回哪一結(jié)構(gòu)中？ 哪些運(yùn)載體在此過程中發(fā)揮作用？ ④若單胺運(yùn)載體被抑制，有何后果？（預(yù)期答案：細(xì)胞質(zhì)內(nèi)多巴胺濃度升高）

多巴胺作為腦內(nèi)正常的神經(jīng)遞質(zhì)，大部分在突觸小泡中儲存。在某些病理?xiàng)l件下，例如，當(dāng)單胺運(yùn)載體被抑制后，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)或胞外（即突觸小泡外）多巴胺濃度異常升高可導(dǎo)致細(xì)胞損傷甚至死亡［9］。

學(xué)生通過閱讀帕金森病致病機(jī)理的資料，補(bǔ)充和完善致病機(jī)理圖，訓(xùn)練了解讀、轉(zhuǎn)換信息的能力，提高了獲取信息能力和理解能力，落實(shí)了對基于生物學(xué)事實(shí)進(jìn)行歸納和概括的科學(xué)思維訓(xùn)練；通過對致病機(jī)理的分析，學(xué)生了解到由于神經(jīng)元內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常導(dǎo)致其功能異常，從而致其患病，體會了結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。通過最后的“小結(jié)與提問”，過渡到環(huán)節(jié)2：由學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“胞外過多的多巴胺會造成神經(jīng)元死亡”。

2.3 環(huán)節(jié)2：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“胞外過多的多巴胺會造成神經(jīng)元死亡”

學(xué)生活動2（分組進(jìn)行）：從以下選項(xiàng)中選擇實(shí)驗(yàn)材料、試劑和檢測指標(biāo)，完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（表1）：a.正常的多巴胺能神經(jīng)元；b.6-OHDA（已知的神經(jīng)毒劑，使細(xì)胞凋亡）；c.損傷的多巴胺能神經(jīng)元；d.多巴胺；e.動物細(xì)胞培養(yǎng)基；f.生理鹽水；g.生存率；h.caspase-3（細(xì)胞凋亡相關(guān)基因）基因的數(shù)量；i.caspase-3轉(zhuǎn)錄的mRNA 量。

表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

展示學(xué)生作品，請學(xué)生代表闡述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，并請其他小組發(fā)表觀點(diǎn)。通過表達(dá)與交流，明確實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般思路：根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定自變量、因變量、無關(guān)變量，進(jìn)而設(shè)計(jì)控制自變量、檢測因變量、保持無關(guān)變量相同且適宜的實(shí)驗(yàn)方案。此外，學(xué)生提出，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說服力，還可選擇“aeb”作為另一組，從而引出關(guān)于陽性對照的討論與介紹。通過選擇檢測指標(biāo)，再次明確了“基因數(shù)量”與“基因表達(dá)量”的區(qū)別。

學(xué)生活動3：給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)圖表（圖4），學(xué)生在學(xué)案上完成下列問題：①根據(jù)上述圖表信息，請描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論；②β-Actin是存在于哺乳動物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)，它在各細(xì)胞中的表達(dá)相對恒定。在結(jié)果分析時(shí)，以各組細(xì)胞caspase-3基因轉(zhuǎn)錄量和β-Actin基因轉(zhuǎn)錄量的比值反映caspase-3基因的相對轉(zhuǎn)錄水平，可使結(jié)論更具說服力，原因是什么？

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示［9］

小結(jié)與討論：本實(shí)驗(yàn)證實(shí)了胞外過多的多巴胺會造成多巴胺能神經(jīng)元死亡，對應(yīng)致病機(jī)理圖中的路徑：多巴胺代謝異?！钚匝酢喟桶纺苌窠?jīng)元損傷。針對這一致病機(jī)理，請學(xué)生提出可能的治療思路。給出傳統(tǒng)中藥——人參的相關(guān)介紹：人參皂苷Rg1 具有抗衰老、抗氧化、提高免疫力等藥理活性作用。學(xué)生經(jīng)討論提出進(jìn)一步的探究問題：探究人參皂苷Rg1 的治療機(jī)理。

通過根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募敖o定材料，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，明確實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般思路；通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)圖表，描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果及得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的語言表達(dá)能力及歸納總結(jié)的科學(xué)思維。

2.4 環(huán)節(jié)3：探究人參皂苷Rg1 的治療機(jī)理

學(xué)生活動4（分組進(jìn)行）：以小鼠作為實(shí)驗(yàn)材料。請?jiān)u價(jià)、改正以下實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),并完善檢測指標(biāo)（表2）。

表2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

學(xué)生展示作品，由學(xué)生代表評價(jià)實(shí)驗(yàn)方案，并闡述觀點(diǎn)：該實(shí)驗(yàn)方案存在2 處錯(cuò)誤：①人參皂苷Rg1 治療組應(yīng)先建立患病動物模型，再進(jìn)行治療，因此，步驟1 應(yīng)改為“注射1 mL 溶于生理鹽水的MPTP”，且原實(shí)驗(yàn)方案違反了“單一變量”原則；②還需設(shè)置一組健康鼠作為對照組。參考環(huán)節(jié)2 中的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可自行設(shè)計(jì)檢測指標(biāo)。教師引導(dǎo)學(xué)生從不同層次（分子水平、細(xì)胞水平、個(gè)體水平）設(shè)計(jì)檢測指標(biāo)。

學(xué)生活動5：根據(jù)給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)圖表（表3、圖5），分析人參皂苷Rg1 的作用機(jī)制，并寫在學(xué)案上。

表3 多巴胺能神經(jīng)元凋亡數(shù)比較［10］

圖5 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 展 示［10－11］

學(xué)生代表展示答案，其他學(xué)生補(bǔ)充完善，并在教師的引導(dǎo)下，將人參皂苷Rg1 的作用機(jī)制概括為：人參皂苷Rg1 通過減少caspase-3基因轉(zhuǎn)錄量、增加Nrg基因轉(zhuǎn)錄量，減少多巴胺能神經(jīng)元凋亡。

訓(xùn)練學(xué)生從設(shè)置對照、控制自變量、選擇檢測指標(biāo)等角度評價(jià)并完善研究方案，培養(yǎng)其思辨能力，并在區(qū)分結(jié)果、結(jié)論的基礎(chǔ)上，體會“機(jī)制描述”的方法。

2.5 總結(jié)提升 基于本節(jié)課涉及的研究內(nèi)容，請學(xué)生嘗試提出未來的研究方向。教師簡介帕金森病的研究現(xiàn)狀與常規(guī)治療手段，西藥治療往往出現(xiàn)副作用，而中藥治療給帕金森病的治療提供了一種新思路。

3 教學(xué)反思

本節(jié)課以“世界第二大神經(jīng)退行性疾病——帕金森氏癥”為情境，激發(fā)學(xué)生的探究意識。課程的3個(gè)環(huán)節(jié)從該疾病的致病機(jī)理出發(fā)，到對致病機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再到依據(jù)機(jī)理探究治療方式，層層深入、邏輯清晰，體現(xiàn)了科學(xué)探究的一般思路。

本節(jié)課選取了真實(shí)的科研素材，展示了真實(shí)科研成果。學(xué)生通過自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及對實(shí)驗(yàn)方案的評價(jià)，明確了面對復(fù)雜情境和問題時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般思路，培養(yǎng)了思辨能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，發(fā)展了科學(xué)探究和科學(xué)思維的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

在課堂實(shí)施上，由教師引出問題、給定信息，學(xué)生以個(gè)人或小組合作形式完成任務(wù)，體現(xiàn)了課堂中學(xué)生的主體地位。以問題或任務(wù)為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生的自主“驅(qū)動力”，易于提高課堂效率。依托小組合作，學(xué)生通過交流與討論解決問題，體會到科學(xué)探究過程中的團(tuán)隊(duì)合作過程。

此外，本節(jié)課通過對帕金森氏癥的了解和關(guān)注，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)愛身邊的帕金森病患者，并運(yùn)用所學(xué)知識，以科學(xué)探究的方式解決相關(guān)科學(xué)問題，且通過探究活動發(fā)現(xiàn)了中藥治療此病的新思路，有利于提升民族自豪感，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任。