生命信息觀視閾下的單元專題復(fù)習(xí)

摘" 要：本文以高中生物學(xué)單元整體復(fù)習(xí)教學(xué)中“神經(jīng)—體液—免疫調(diào)節(jié)機(jī)制”這一專題為例，對相關(guān)的重要概念進(jìn)行整合、重構(gòu)。筆者采用“一脈—兩線—三維”的教學(xué)模式組織教學(xué)活動(dòng)，旨在促進(jìn)生命信息觀在高中生物學(xué)概念教學(xué)中的有效滲透，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，最終達(dá)成學(xué)生對大概念的深度學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：生命信息觀；神經(jīng)調(diào)節(jié)；體液調(diào)節(jié)；免疫調(diào)節(jié)；單元專題復(fù)習(xí)

文章編號(hào)：1003-7586（2024）12-0022-05" 中圖分類號(hào)：G633.91" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

生命信息觀主張生命體構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)的信息傳遞和交流存在于從細(xì)胞到生物圈的各個(gè)層級(jí)之中。［1］例如，體液調(diào)節(jié)中的激素、神經(jīng)調(diào)節(jié)中的神經(jīng)遞質(zhì)以及免疫調(diào)節(jié)中的細(xì)胞因子等信息分子，均體現(xiàn)了細(xì)胞間的信息傳遞機(jī)制。依據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）的指導(dǎo)，筆者基于重要概念之間的系統(tǒng)性和邏輯性，對“神經(jīng)調(diào)節(jié)”“體液調(diào)節(jié)”“免疫調(diào)節(jié)”各部分內(nèi)容進(jìn)行整合性復(fù)習(xí)。復(fù)習(xí)過程聚焦大概念“生命個(gè)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(dòng)，并通過一定的調(diào)節(jié)機(jī)制保持穩(wěn)態(tài)”，旨在揭示人體生命活動(dòng)調(diào)節(jié)的復(fù)雜性、維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)的重要性以及各種調(diào)節(jié)機(jī)制之間的緊密關(guān)聯(lián)性。

1" 設(shè)計(jì)思路

本專題復(fù)習(xí)建立在學(xué)生已掌握“神經(jīng)調(diào)節(jié)”“體液調(diào)節(jié)和免疫調(diào)節(jié)”章節(jié)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，旨在進(jìn)一步探究人體如何通過神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的協(xié)同作用，對內(nèi)、外環(huán)境的變化做出反應(yīng)，從而維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。在教學(xué)過程中，筆者系統(tǒng)整合事實(shí)、概念與觀念，確保三者間存在嚴(yán)密的邏輯關(guān)聯(lián)。［2］如圖1所示，本專題復(fù)習(xí)的學(xué)習(xí)框架依托以下事實(shí)支撐：學(xué)生已知的事實(shí)一、通過科學(xué)資料闡述的事實(shí)二和事實(shí)三、通過科學(xué)探究獲取的事實(shí)四，旨在全面發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

筆者在教學(xué)實(shí)踐中采用“一脈—兩線—三維”的教學(xué)模式（見圖2），該模式以“漸凍癥是由多個(gè)系統(tǒng)失調(diào)共同導(dǎo)致的”為情境貫穿教學(xué)全過程，構(gòu)建大概念的學(xué)習(xí)路徑（明線）與生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的潛在脈絡(luò)（暗線），兩者互相交織，共同作用于教學(xué)過程。通過實(shí)施整體感知、部分剖析及系統(tǒng)聯(lián)系的教學(xué)環(huán)節(jié)，教師能夠有效地轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)復(fù)習(xí)中存在的知識(shí)碎片化和淺表化問題，最終促成學(xué)生對大概念的深刻理解和掌握。

2" 教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》中培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，本節(jié)復(fù)習(xí)課的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定如下。

（1）通過探討漸凍癥的致病機(jī)理，分析神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)和免疫調(diào)節(jié)的協(xié)同作用機(jī)制，理解各個(gè)系統(tǒng)是如何共同維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)的，進(jìn)而培養(yǎng)系統(tǒng)觀。

（2）通過構(gòu)建概念模型和動(dòng)態(tài)物理模型，說明信息分子在各個(gè)系統(tǒng)中傳遞和發(fā)揮作用的過程，以此促進(jìn)歸納與概括、模型與建模、批判性思維等科學(xué)思維方法的發(fā)展。

（3）運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀、生命信息觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀等生命觀念，結(jié)合歸納與概括的方法，總結(jié)神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)和免疫調(diào)節(jié)在信息分子傳遞過程中的共同特點(diǎn)，深化對生命體作為復(fù)雜而有序信息系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

（4）通過分析漸凍癥患者利用人工喉進(jìn)行正常交流的信息傳遞機(jī)制，加深對生命信息觀的理解和應(yīng)用；綜合運(yùn)用生物學(xué)、物理、工程學(xué)等多學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題，從而深化對科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

3" 教學(xué)過程

3.1" 從單元到課時(shí)，提出生命活動(dòng)調(diào)節(jié)的核心問題

教師引入漸凍癥的真實(shí)案例，介紹漸凍癥的癥狀表現(xiàn)。漸凍癥作為一種運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病，其癥狀主要表現(xiàn)為肌肉萎縮、吞咽困難，直至呼吸衰竭。此外，患者的腦和脊髓會(huì)出現(xiàn)炎癥反應(yīng)，臨床上還伴隨激素水平的顯著波動(dòng)。

在此基礎(chǔ)上，教師進(jìn)一步提出核心問題：上述漸凍癥的癥狀表現(xiàn)涉及了哪些生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)機(jī)制？哪些信息分子在這一過程中發(fā)揮了調(diào)節(jié)作用？

設(shè)計(jì)意圖：本復(fù)習(xí)課依托單元教學(xué)的整體框架，創(chuàng)設(shè)漸凍癥的教學(xué)情境，以其發(fā)病機(jī)制所涉及的神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)和免疫調(diào)節(jié)為切入點(diǎn)，旨在引導(dǎo)學(xué)生快速進(jìn)入“神經(jīng)—體液—免疫調(diào)節(jié)機(jī)制”的復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)。在這一過程中，學(xué)生不僅能深化對生命系統(tǒng)復(fù)雜性和脆弱性的認(rèn)識(shí)，還能激發(fā)對生命的敬畏和尊重之情，從而建立起生命觀念。

3.2" 從整體到局部，分析漸凍癥的致病機(jī)理

學(xué)生從全局視角認(rèn)識(shí)到漸凍癥是由多個(gè)系統(tǒng)失調(diào)共同導(dǎo)致的，隨后教師引導(dǎo)學(xué)生分組討論，從神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)和免疫調(diào)節(jié)三個(gè)角度，深入探討漸凍癥的致病機(jī)理。

3.2.1" 神經(jīng)調(diào)節(jié)角度

教師呈現(xiàn)資料一：漸凍癥的發(fā)病機(jī)制中，興奮性神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸的異常代謝導(dǎo)致谷氨酸的異常積累。谷氨酸在突觸間隙過度積累，并作用于突觸后膜上的NMDA受體和AMPA受體，分別促使大量Ca2＋和Na＋內(nèi)流至細(xì)胞內(nèi)，最終誘導(dǎo)突觸后神經(jīng)元細(xì)胞凋亡。

各小組學(xué)生利用文字和箭頭構(gòu)建神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸釋放及發(fā)揮作用的概念模型。隨后，教師邀請兩個(gè)小組展示模型，其他小組則依據(jù)模型的科學(xué)性、完整性和邏輯性進(jìn)行評議，并據(jù)此進(jìn)行即時(shí)修正與完善，最終共同構(gòu)建神經(jīng)調(diào)節(jié)過程中的概念模型（見圖3a）。

教師提出問題：信息分子在突觸處如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換？NMDA受體在此過程中有什么作用？學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，深入理解神經(jīng)調(diào)節(jié)過程中“電信號(hào)—化學(xué)信號(hào)—電信號(hào)”的轉(zhuǎn)換機(jī)制，以及信息分子與受體特異性結(jié)合的生物學(xué)特性。

設(shè)計(jì)意圖：通過構(gòu)建概念模型，教師引導(dǎo)學(xué)生深刻領(lǐng)悟神經(jīng)元之間信息傳遞的核心機(jī)理，特別是神經(jīng)遞質(zhì)在信息傳遞中的關(guān)鍵作用。

3.2.2" 體液調(diào)節(jié)角度

教師呈現(xiàn)資料二：運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷后，會(huì)引發(fā)周圍的淋巴細(xì)胞釋放更多的細(xì)胞因子。一方面，這些細(xì)胞因子加劇了炎癥反應(yīng)；另一方面，過度發(fā)生的炎癥反應(yīng)又會(huì)刺激“下丘腦—垂體—腎上腺皮質(zhì)”軸，促使其分泌更多的糖皮質(zhì)激素。糖皮質(zhì)激素通過與淋巴細(xì)胞表面的受體結(jié)合，形成“激素—受體”復(fù)合物，進(jìn)而激活淋巴細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)分子，誘導(dǎo)淋巴細(xì)胞凋亡。這一過程導(dǎo)致血液中淋巴細(xì)胞的數(shù)量減少，從而對機(jī)體的免疫系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

學(xué)生利用文字和箭頭構(gòu)建糖皮質(zhì)激素分泌及發(fā)揮作用的概念模型。在此基礎(chǔ)上，教師提出以下問題：下丘腦細(xì)胞表面存在哪些類型的受體？糖皮質(zhì)激素治療過度炎癥反應(yīng)的具體機(jī)理是什么？經(jīng)過討論與分析，學(xué)生認(rèn)識(shí)到下丘腦能夠受到細(xì)胞因子、神經(jīng)遞質(zhì)以及激素等多種信號(hào)的調(diào)控，并理解糖皮質(zhì)激素的抗炎作用。這一過程幫助學(xué)生從多個(gè)角度、以聯(lián)系的觀點(diǎn)看待問題，進(jìn)而完善概念模型（見圖3b）。

設(shè)計(jì)意圖：通過資料分析、模型構(gòu)建等多種教學(xué)策略，教師強(qiáng)調(diào)知識(shí)的橫向擴(kuò)展與遷移。教師引導(dǎo)學(xué)生多角度、以聯(lián)系的觀點(diǎn)審視問題，旨在實(shí)現(xiàn)學(xué)生在低層級(jí)思維水平上的高通路遷移，進(jìn)而培養(yǎng)其知識(shí)遷移能力和批判性思維。

3.2.3" 免疫調(diào)節(jié)角度

教師呈現(xiàn)資料三：科學(xué)家深入探討了免疫系統(tǒng)加速漸凍癥患者病情的機(jī)制。當(dāng)患者的神經(jīng)元受到損傷時(shí)，會(huì)釋放一系列信號(hào)分子，如神經(jīng)遞質(zhì)等。這些信號(hào)分子能夠激活周圍的小膠質(zhì)細(xì)胞及其他免疫細(xì)胞，被激活的免疫細(xì)胞隨后分泌細(xì)胞因子。這些細(xì)胞因子直接作用于受損神經(jīng)元，進(jìn)一步加劇炎癥反應(yīng)，從而形成惡性循環(huán)，加速神經(jīng)元的損傷進(jìn)程。

學(xué)生利用文字和箭頭構(gòu)建細(xì)胞因子產(chǎn)生及發(fā)揮作用的概念模型。教師提問：細(xì)胞因子參與正反饋調(diào)節(jié)和負(fù)反饋調(diào)節(jié)的具體機(jī)制是什么？學(xué)生結(jié)合資料，思考后回答：過量的細(xì)胞因子可促進(jìn)糖皮質(zhì)激素的生成，而糖皮質(zhì)激素則具有抑制免疫細(xì)胞活性的功能。教師進(jìn)一步解釋相關(guān)問題后，學(xué)生完善概念模型（見圖3c）。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在構(gòu)建中思考，在構(gòu)建中體驗(yàn)，在構(gòu)建中創(chuàng)新，達(dá)成了行為與思維的統(tǒng)一。這一過程加深了學(xué)生對各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)之間依賴信息傳遞維持平衡的理解。同時(shí)，學(xué)生也體會(huì)到了從整體到局部的生物學(xué)分析方法，對于促進(jìn)其科學(xué)思維能力的發(fā)展具有重要意義。

3.3" 從差異到共性，概括三大調(diào)節(jié)的共同模式

學(xué)生從神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)和免疫調(diào)節(jié)三個(gè)角度進(jìn)行深入分析，并據(jù)此構(gòu)建了相應(yīng)的概念模型（見圖3）。隨后，教師指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用歸納與概括的科學(xué)方法，圍繞以下核心議題展開討論與思考：三大調(diào)節(jié)機(jī)制在功能上有哪些共同點(diǎn)？神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)之間又存在著怎樣的相互作用與聯(lián)系？

3.3.1" 概括特點(diǎn)，構(gòu)建生命信息觀

學(xué)生通過交流討論達(dá)成共識(shí)：三大調(diào)節(jié)機(jī)制均涉及信息分子的參與，并具有反饋調(diào)控機(jī)制。同時(shí)，學(xué)生基于信息分子的產(chǎn)生、運(yùn)輸和接收過程，進(jìn)一步挖掘并歸納信息分子的共同特征。

教師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充：香農(nóng)（C. Shannon）和韋弗（W. Weaver）共同構(gòu)建的信息模型包括信源（信息產(chǎn)生）、信道（信息傳輸）、信宿（信息接收）、噪聲（干擾信息）、反饋（信息調(diào)控模式）等多個(gè)環(huán)節(jié)。［3］教師據(jù)此提出問題：如果將激素視為體液調(diào)節(jié)中的信息分子，那么其“信源”“信道”和“信宿”應(yīng)如何界定？學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)，明確指出激素（信源）是由內(nèi)分泌器官或細(xì)胞產(chǎn)生的，通過體液（信道）進(jìn)行傳輸，并最終作用到靶細(xì)胞或靶器官的特異性受體（信宿）上。通過這一過程，學(xué)生能夠從具體實(shí)例中提煉出細(xì)胞間信息傳遞的普遍路徑（見圖4）。

接著，教師結(jié)合以上路徑進(jìn)一步追問：已知藥物利魯唑是少數(shù)治療漸凍癥的有效藥物之一，其能夠通過減少神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸對運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的損害從而發(fā)揮治療作用，可能的作用機(jī)理是什么？學(xué)生從信源、信道和信宿的角度，理解藥物作為外部影響因素干擾了信息的正常傳遞過程。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)旨在引導(dǎo)學(xué)生從各系統(tǒng)的差異性中探尋共性特征，這一過程培養(yǎng)了學(xué)生抽絲剝繭的科學(xué)思維能力。學(xué)生從具體到抽象地認(rèn)識(shí)信息傳遞的基本規(guī)律，從而構(gòu)建起生命信息觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

3.3.2" 探究聯(lián)結(jié)，凸顯生命信息觀

學(xué)生繼續(xù)深入探究圖3中的聯(lián)結(jié)關(guān)系，通過歸納與概括得出結(jié)論：神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)之間借助信息分子實(shí)現(xiàn)了雙向調(diào)節(jié)作用，共同形成一個(gè)復(fù)雜的生命活動(dòng)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。通過這些信息分子，復(fù)雜的機(jī)體實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，從而保持穩(wěn)態(tài)。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)旨在引導(dǎo)學(xué)生從整體視角探究神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)之間的相互作用機(jī)制，以及共同維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)的機(jī)制。通過這一過程，學(xué)生能夠發(fā)展歸納與概括、模型與建模、批判性思維等科學(xué)思維方法。

3.4" 從知識(shí)到解決問題，運(yùn)用生命信息觀

教師展示我國科技成果人工喉的資料：清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用這一技術(shù)可以基本恢復(fù)漸凍癥患者的語言交流能力，其識(shí)別準(zhǔn)確率超過90%。人工喉能夠感知喉嚨的振動(dòng)狀態(tài)，并通過人工智能模型處理這些信號(hào)，從而合成出流暢且自然的語音。教師提出問題：請從信息分子的產(chǎn)生和傳遞的角度，探討我國的人工喉技術(shù)如何造福人類？學(xué)生則從信息分子的產(chǎn)生、運(yùn)輸、接受和反饋調(diào)控等多個(gè)維度展開分析。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)旨在引導(dǎo)學(xué)生將生命信息觀應(yīng)用于全新且跨學(xué)科的情境中，并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決跨學(xué)科問題。通過這一過程，學(xué)生將進(jìn)一步深化對生命信息觀的理解，提高綜合解決問題的能力，并提升自身的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

4" 教學(xué)反思

在本單元的專題復(fù)習(xí)中，教師對重要概念的重構(gòu)旨在幫助學(xué)生建立知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，使其形成更加完整且深入的理解體系。同時(shí)，該復(fù)習(xí)過程還強(qiáng)調(diào)生命觀念的滲透，即在教學(xué)中融入對生命活動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

4.1" 重構(gòu)概念結(jié)構(gòu)

在基于生命信息觀的教學(xué)中，教師不僅要基于事實(shí)形成概念，還要關(guān)注概念之間的整合與聯(lián)結(jié)，以推動(dòng)學(xué)生生物學(xué)觀念的發(fā)展。［4］因此，在單元整體復(fù)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐中，筆者深入挖掘各個(gè)重要概念之間的邏輯關(guān)系，對其進(jìn)行系統(tǒng)的整合與重構(gòu)，旨在轉(zhuǎn)變以往知識(shí)碎片化和淺表化的復(fù)習(xí)方式。本節(jié)課聚焦?jié)u凍癥相關(guān)的神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)和免疫調(diào)節(jié)機(jī)制，通過構(gòu)建概念模型的方式，直觀地展現(xiàn)了各結(jié)構(gòu)如何通過相互作用和相互聯(lián)系，共同維持機(jī)體的穩(wěn)態(tài)。這一方法將動(dòng)物生命活動(dòng)調(diào)節(jié)的相關(guān)知識(shí)更加結(jié)構(gòu)化地呈現(xiàn)，有助于學(xué)生深入理解重要概念之間的邏輯關(guān)系，并深化對大概念的理解。

4.2" 彰顯觀念契合

本節(jié)課基于單元境脈，分解課時(shí)情境，并遵循“一脈—兩線—三維”的教學(xué)模式。在這一模式下，無論是各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的信息傳遞，還是系統(tǒng)之間的信息傳遞，都充分彰顯了生命信息觀的滲透。通過信息分子的作用，復(fù)雜的機(jī)體得以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，從而維持穩(wěn)態(tài)，最終構(gòu)建起復(fù)雜且立體化的生命活動(dòng)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。教師再引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用生命信息觀對生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，以此進(jìn)一步發(fā)展其生命觀念。

參考文獻(xiàn)

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