大概念學(xué)習(xí)助力學(xué)生形成生命觀念
——以“以異常能量代謝為靶點(diǎn)的腫瘤治療”為例

張 穎

（北京市通州區(qū)潞河中學(xué) 北京 101100）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提到：“大概念是處于學(xué)科中心位置、對學(xué)生學(xué)習(xí)具有引領(lǐng)作用的基礎(chǔ)知識……教師在設(shè)計(jì)和組織教學(xué)活動時(shí)，應(yīng)該圍繞大概念和重要概念展開。”教師一般從生物學(xué)事實(shí)出發(fā)，上升到對概念原理的分析，最后培養(yǎng)學(xué)生從生物學(xué)視角看待問題，形成生命觀念。大概念學(xué)習(xí)有助于提升學(xué)生看問題的眼界和格局，對知識深入理解和遷移應(yīng)用，從而發(fā)展生命觀念。下文以“以異常能量代謝為靶點(diǎn)的腫瘤治療”為主題，介紹大概念助力學(xué)生形成生命觀念的課堂實(shí)施案例。

1 學(xué)習(xí)內(nèi)容及重難點(diǎn)分析

本課內(nèi)容圍繞《必修1·分子與細(xì)胞》展開，是模塊復(fù)習(xí)課。該模塊有兩個(gè)大概念，即“概念1 細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位”和“概念2 細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實(shí)現(xiàn)增殖”。整個(gè)模塊圍繞最基本的生命系統(tǒng)——細(xì)胞展開，介紹了細(xì)胞的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、功能以及生命歷程，并且環(huán)環(huán)相扣：物質(zhì)形成結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)決定功能，功能影響生命歷程，滲透了結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀等生命觀念。

本節(jié)內(nèi)容涉及到生命歷程，教師可以找一個(gè)生命歷程異常的例子創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生分析其中物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)以及功能的改變，并據(jù)此提出治療方案。癌癥是社會熱點(diǎn)，素材較多，但仍然需要找到一個(gè)精準(zhǔn)的切入點(diǎn)。本節(jié)課最終確定以癌細(xì)胞的異常能量代謝為情境，從細(xì)胞和分子水平闡釋藥物的作用機(jī)理，落實(shí)生命觀念教育。基于以上分析，本節(jié)課的重難點(diǎn)確定為：①從結(jié)構(gòu)與功能觀的角度，提出癌癥靶向治療的措施；②從物質(zhì)與能量觀的角度，解釋以異常能量代謝為靶點(diǎn)的癌癥治療機(jī)理。

2 教學(xué)過程

2.1 回顧知識、搭建框架

教師引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)癌細(xì)胞的特點(diǎn)，帶領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建起“分子（原癌基因和抑癌基因突變、糖蛋白減少等）→結(jié)構(gòu)（形態(tài)改變）→功能（代謝異常）→生命歷程（無限增殖）”的框架，樹立結(jié)構(gòu)與功能觀：細(xì)胞由多種多樣的分子組成，這些分子是細(xì)胞執(zhí)行各項(xiàng)生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)分子組成改變時(shí)，細(xì)胞的主要功能——新陳代謝也會隨之改變。

2.2 情境演繹，巧用概念

2.2.1 問題引領(lǐng)，思維驅(qū)動概念建構(gòu)

教師創(chuàng)設(shè)情境：“缺氧會導(dǎo)致細(xì)胞中低氧誘導(dǎo)因子HIF蛋白信號通路的激活，從而影響到包括血管上皮生長因子、血管生成素等數(shù)百個(gè)基因的表達(dá)，促進(jìn)血管的生成以及厭氧代謝酶的合成，使得細(xì)胞在缺氧環(huán)境下得以繼續(xù)生存。”學(xué)生進(jìn)一步分析：由于在大多數(shù)實(shí)體腫瘤中，癌細(xì)胞生長速度超過血管生成速度造成了低氧環(huán)境，患者體內(nèi)HIF含量高于常人。HIF能加速腫瘤的生長，促使腫瘤發(fā)生轉(zhuǎn)移。教師據(jù)此為后面提出治療靶點(diǎn)埋下伏筆。

教師指出：即使在氧氣充足的情況下，癌細(xì)胞依然優(yōu)先進(jìn)行無氧呼吸。由此制造認(rèn)知沖突，提出問題：從物質(zhì)和能量變化的角度分析，有氧和無氧呼吸哪個(gè)供能效率高？教師從而引出大概念“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實(shí)現(xiàn)增殖”和次位概念“生物通過細(xì)胞呼吸將儲存在有機(jī)分子中的能量轉(zhuǎn)化為生命活動可以利用的能量”，幫助學(xué)生樹立“細(xì)胞生命活動過程中貫穿著物質(zhì)與能量的變化”的物質(zhì)與能量觀。

教師提問：癌細(xì)胞怎樣解決低效能供和高能耗的矛盾呢？學(xué)生提出可能通過增加葡萄糖攝取量來解決這一問題。教師通過科研結(jié)果“葡萄糖載體在人肺癌組織表達(dá)明顯升高”肯定學(xué)生的推測。教師追問：癌細(xì)胞增加葡萄糖的攝取量的意義是否僅在于供能呢？教師出示糖代謝途徑，引導(dǎo)學(xué)生分析得出：葡萄糖除了參與細(xì)胞呼吸之外，還能夠通過糖異生轉(zhuǎn)化為非必需氨基酸，通過磷酸戊糖途徑轉(zhuǎn)化為五碳糖，為蛋白質(zhì)及核酸的合成提供原料，從而為癌細(xì)胞的大量增殖提供物質(zhì)基礎(chǔ)。教師追問：根據(jù)癌細(xì)胞代謝方式，怎樣靶向治療癌癥？此時(shí)學(xué)生容易理解：抑制無氧呼吸或糖酵解，就能阻斷癌細(xì)胞大部分的能量供應(yīng)，而對以有氧呼吸為主的正常細(xì)胞影響較小。教師通過分析癌細(xì)胞的HIF、厭氧代謝酶、葡萄糖載體等分子組成異常，順理成章地將分子結(jié)構(gòu)與功能異常聯(lián)系在一起，滲透結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。問題解決思路緊扣大概念“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位”和“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)”。

2.2.2 合作探究，概念運(yùn)用解決問題

教師展示資料：2-脫氧-D-葡萄糖（2-DG）是一種人工合成的葡萄糖類似物，可誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡。研究人員發(fā)現(xiàn)2-DG處理的癌細(xì)胞胞外酸化率顯著下降，說明癌細(xì)胞無氧呼吸能力下降。這就從細(xì)胞水平闡明了2-DG的作用機(jī)理。

教師將講解過渡到分子水平：2-DG可抑制癌細(xì)胞HIF的表達(dá)，由于己糖激酶（糖酵解步驟的關(guān)鍵酶）的合成受HIF促進(jìn)，因而在2-DG處理下己糖激酶含量也下降。教師此時(shí)引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合“2-DG與葡萄糖結(jié)構(gòu)類似”這一信息，提出問題：已知2-DG與葡萄糖結(jié)構(gòu)相似，能進(jìn)入細(xì)胞并被己糖激酶催化，但產(chǎn)物不能參與下一步反應(yīng)，因此聚集在細(xì)胞內(nèi)無法被代謝利用，綜上推測2-DG作用的分子機(jī)制。據(jù)此，教師從大概念“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)”和物質(zhì)與能量觀的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深入探究。學(xué)生經(jīng)過討論、回答、互評，最終歸納出：2-DG能夠與葡萄糖競爭載體和己糖激酶，造成葡萄糖攝入量減少，糖酵解過程受抑制；另外，2-DG抑制了HIF的表達(dá)，進(jìn)而使得己糖激酶的表達(dá)量減少，減少癌細(xì)胞的能量供應(yīng)，從而誘導(dǎo)癌細(xì)胞的凋亡。

2.3 歸納提升，總結(jié)方法

師生共同構(gòu)建本節(jié)課知識體系（圖1），梳理脈絡(luò)、總結(jié)提升。教師為學(xué)生解決實(shí)際問題提供可參考的范式，滲透方法論，最后的落腳點(diǎn)依然是大概念“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位”和結(jié)構(gòu)與功能觀。整節(jié)課中主要的大概念和生命觀念體現(xiàn)見表1。

圖1 “以異常能量代謝為靶點(diǎn)的腫瘤治療”一課知識體系建構(gòu)

表1 “以異常能量代謝為靶點(diǎn)的腫瘤治療”主要的大概念和生命觀念體現(xiàn)

3 教學(xué)反思

大概念教學(xué)幫助學(xué)生從俯瞰的視角看待問題，幫助學(xué)生形成整體觀和全局觀。在實(shí)施的時(shí)候，教師應(yīng)注意如下要點(diǎn)：首先，涉及到的概念原理以大概念為核心，重要概念和次位概念為支撐，科學(xué)事實(shí)為依托；其次，教師應(yīng)通過情境下進(jìn)階式、結(jié)構(gòu)化的問題，引導(dǎo)學(xué)生形成生命觀念并嘗試用生命觀念去解決問題；此外，教師應(yīng)通過以生命觀念為框架的知識體系構(gòu)建，讓學(xué)生分析問題有章可依，有據(jù)可循。在教學(xué)過程中，教師不妨將解決問題時(shí)所涉及的大概念及生命觀念明確地呈現(xiàn)在板書或課件中。大概念教學(xué)有助于學(xué)生用生物學(xué)思維和觀點(diǎn)去解決實(shí)際問題，獲得持久的能力和素養(yǎng)。