指向學科本質的高中生物學循證課型
——以“興奮在神經元之間的傳遞”為例

紀大軍

（南京市江寧開發區學校 江蘇南京 210012）

指向學科本質的高中生物學循證課型是針對生物學核心概念，提出核心問題，利用探究方法獲得科學事實，并基于科學事實的科學論證和自主構建的教學系統，是基于生物學科育人目標，以生物學科核心素養為價值追求的，是基于探究教學與論證教學的新型課型。下文以“興奮在神經元之間的傳遞”一節為例，闡述指向學科本質的高中生物學循證課型在實際教學中的應用。

1 對照課標，明確要求

本節內容屬于《選擇性必修1·穩態與調節》。根據《普通高中生物學課程標準（2017年版）》，其對應的大概念是“生命個體的結構與功能相適應，各結構協調統一共同完成復雜的生命活動，并通過一定的調節機制保持穩態”，重要概念是“神經系統能夠及時感知機體內、外環境的變化，并做出反應調控各器官、系統的活動，實現機體穩態”，次位概念是“闡明神經沖動在突觸處的傳遞通常通過化學傳遞方式完成”。“教學提示”中建議教師在本節教學中開展討論濫用興奮劑以及吸食毒品的危害。“學業要求”明確學生需要能夠：①結合日常生活中的情景，分析人體通過神經系統、內分泌系統以及免疫系統的調節作用對內外環境的變化做出反應，以維持內環境穩態（生命觀念、科學思維）；②評估多種生活方案，認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，確定教學內容

教師對于次位概念可以做如下分解：從結構和功能相適應的角度，突觸之所以能傳遞神經沖動是因為具有相應的結構，故教學內容首先應涉及與功能相適應的結構。從物質與能量觀的角度，神經沖動傳遞具有物質基礎的，故教學內容中應包括神經遞質的發現、種類和作用。在前兩個教學內容基礎上，學生應認識到興奮在神經元之間傳遞的具體過程。此外，教師可以在課內補充“電突觸”的內容，或可以讓有興趣的學生在課外搜集有關突觸上神經傳導形式的其他信息。

3 明確核心問題、教學目標與重難點

本節課的核心問題為“神經沖動是如何在突觸中傳遞的？”教學目標包括：

①通過科學史、圖片和視頻等，能運用結構和功能觀、物質觀，闡明神經沖動在神經元之間的傳遞。

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

③基于科學史階段性研究成果，對神經沖動的傳遞形式提出假設，并設計可行實驗。

④主動宣傳健康生活和珍愛生命等社會責任。

教學的重難點在于：①說出突觸的結構；②說明興奮在神經元之間的傳遞過程。

4 教學過程

4.1 創設真實的問題情景

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

設計意圖：教師創設符合教學內容的真實情景，提出相關討論的問題，有利于引起學生注意和興趣。

6.2 基于科學史進行科學論證

6.2.1 突觸的結構

針對“突觸是如何被發現的？”這一問題，教師提供事實資料①：英國神經生理學家謝靈頓的實驗發現，興奮在軸突上的傳導速率是40 m/s，而興奮在反射弧上的傳導速率是15 m/s（圖1）。據此，教師提問：根據現象，請大膽猜測延遲發生在哪里？學生思考后，結合圖示指出延遲發生的位置。

圖1 興奮在不同部位的傳遞速率

教師小結：延遲發生在神經元之間的間隙，謝靈頓把像這樣兩個相互接觸的神經元之間的間隙稱為突觸。接著，教師呈現一個完整的反射弧圖片，請學生思考反射弧中有幾個突觸。

針對“突觸真的存在嗎？如何獲取直接證據證明？”的問題，教師引導學生思考獲取直接證據的方法。并在此基礎上，指出理論對實踐具有指導意義。接著，教師展示事實資料②：電子顯微鏡下的突觸照片。結合照片展示突觸間隙的大小以及突觸的結構（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構與之相適應？”這一問題，教師展示神經元圖片，引導學生復習神經元的結構并指出突觸小體的結構（圖3）。接著，教師展示兩個神經元興奮傳遞圖，并把兩個神經元之間的連接部位放大。學生觀察放大后的圖片（圖4），對突觸前膜和突觸后膜的結構、突觸的種類進行思考討論，構建突觸模型。結合模型，教師對突觸小體的概念和結構進行補充講解。最后教師提問：如果神經元是傳出神經，后面連接是肌肉或腺體，它們之間的連接也是突觸嗎？

圖3 神經元的結構

圖4 神經元之間連接局部放大圖

設計意圖：讓學生體悟到“突觸”在科學史上的發現是“現象→理論→實證”的發現過程，科學家對于“突觸”的認識是逐步深入的，這一過程也突出了實證在科學研究中的重要性。之后，學生通過模型構建，加深對突觸的認識。

6.2.2 興奮在神經元之間的傳遞

教師提問：興奮在神經元之間是以什么樣的形式傳遞？并提供事實資料③：英國科學家艾利奧特實驗如圖5所示，實驗發現給心臟注射腎上腺素和刺激交感神經都可以心跳加快。請學生猜測：為什么刺激交感神經可以使心跳加快？并進一步啟發：交感神經為什么和腎上腺素有相同的結果呢？有沒有可能二者之間存在聯系呢？

圖5 艾利奧特實驗示意圖

學生做出猜測后，教師讓學生嘗試進行實驗設計以證實猜測。接著，教師提供勒維的猜測和實驗作為事實資料④：取兩個蛙心離體處理，一個保留迷走神經，一個去掉迷走神經，然后往保留迷走神經的蛙心注入任氏液，再刺激迷走神經，測定發現蛙心跳減慢，接著抽取任氏液灌流到去掉迷走神經的蛙心，測定其心跳也減慢了。并引導學生分析：①實驗的自變量是什么？②那一組是實驗組，那一組是對照組？③若不離體，實驗設計科學嗎？④實驗結論是什么？教師據此引導學生得出結論：實驗證實了迷走神經確實能分泌某種物質。

教師繼續設問：勒維把迷走神經分泌的這種物質稱為迷走遞質，迷走遞質的化學本質是什么？并提供事實資料⑤：1930年英國生理學家戴爾證明迷走神經釋放的化學物質是乙酰膽堿。后來很多科學家發現，多巴胺，腎上腺素，5-羥色胺等多種化學物質與乙酰膽堿相似，都是神經元之間起作用的化學物質，因此把這一類物質統稱為“神經遞質”。據此，教師提問：神經遞質在哪里？并展示電子顯微鏡下的突觸圖片（圖6），請學生觀察，找出神經遞質存在的位置。教師結合圖片補充講解神經遞質的產生的、釋放、作用部位、類型、分類、作用結果和作用后的去向。

圖6 電鏡下的突觸小泡

教師設問：興奮借助神經遞質是如何傳遞的？并以視頻展示興奮在神經元之間的傳遞過程，引導學生開展合作學習，向同伴講述興奮借助神經遞質的傳遞過程，并請一組學生進行展示，再請學生結合模型進行講解。結合傳遞過程，教師再次提問：①突觸前膜和突觸后膜上發生的信號轉化是什么？②突觸上發生的信號轉化是什么？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物質進行傳遞呢？并提示學生：科學家們把借助化學物質進行傳遞的突觸稱為化學突觸，此外還存在電突觸。教師布置課外查閱科學史的任務，要求學生上交報告描述電突觸傳遞興奮的過程。

設計意圖：教師以科學史作為載體，通過設計問題串逐步引導學生探究，借助論證，合作學習等形式進行教學，幫助學生構建起相應的概念，同時拓展學生視野。

6.2.3 興奮在突觸的傳遞與生命健康

教師展示與本教學主題相關的諾貝爾獲獎相關資料，引導學生閱讀，并講解神經科學不斷發展的原因及其對人類生活的影響。接著，教師提供事實資料：多巴胺是一種經常作為飾品的神經遞質，之所以作為飾品是因為多巴胺是愉悅、快樂的象征。多巴胺以使人產生愉快、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，毒品是會導致人體過度興奮而導致身心受到傷害的一種物質。并提問：①吸毒時，過度興奮是如何發生的？（并為學生提供事實證據，即多巴胺與受體結合發揮作用后，被前膜蛋白回收。）②推測吸毒是如何上癮的？（從穩態與平衡觀的角度，引導學生分析。）據此，教師小結：吸毒后，細胞的結構被破壞，進而導致人體神經系統遭到不可逆的損害，目前還沒有戒毒的有效方法，請大家一定要珍惜生命、遠離毒品。并引導學生討論對毒品危害的感受。

設計意圖：從生活實際出發，引導學生用已有的科學知識來解決新情境下的實際問題，幫助學生進一步構建概念同時，及時發現錯誤概念，并有針對性進行概念轉變，從而幫助學生建立穩態與平衡觀，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社會責任。

6.3 學業質量水平檢測

教師布置以下任務以檢測學生學習成果：

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，你能否用今天所學的知識進行解釋嗎？（對應生命觀念水平二，科學思維水平二）

②設計一份海報，宣傳毒物成癮的機理和危害。（生命觀念水平二，社會責任水平二）

6.4 總結反思

指向學科本質的高中生物循證課型重視生命觀念的建立和科學思維的應用。本節內容主要包含結構與功能觀、物質與能量觀等觀念，教師通過照片、圖片、科學史等提供直接證據，幫助學生獲得對突觸結構、神經遞質的化學本質和存在位置等的認識，為闡明興奮的傳遞過程打下了良好的基礎。同時，通過設置有價值、有難度梯度的問題，用問題引領教學。從核心問題到子問題，每一個問題的解答都需要學生提出假設，盡可能找到事實和證據來論證，甚至需要設計和實踐方案。通過問題的解決，學生能夠形成在真實情景中解決問題所需的素養。生物學科的學科本質包含自然科學的屬性和生物學科本身的特點。指向學科本質的高中生物循證課型以科學史為載體，借助事實和證據，通過探索與發現，讓學生親身體會到科學是一個開放的、動態的和不斷發展的知識體系，也是一個不斷探究的過程。探究過程中的思路、方法和科學精神使得生物學科的育人價值得到了最大的體現，也是落實核生物學核心素養的重要的內容。