基于科学思维的高三“帕金森氏症”专题复习课教学设计

张震南 王鹏飞 温 娟 刘斯璐 迟向向 王姣姣

（北京师范大学第二附属中学未来科技城学校 北京 102209）

高中生物学课程是以提高生物学学科核心素养为宗旨的学科课程，是落实“立德树人”根本任务的重要载体。生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任［1］。科学思维是卓越的思维习惯，是生物学课程可以实现，也应该实现的课程目标和育人价值之一［2］。

北京卷考试说明也明确指出：命题以考查考生的生物科学素养、促进考生终生学习为总体目标，并自2018年起提出了“思辨能力”和“创新能力”这2 项高阶能力要求［3］。因此，应将考试说明所要求的能力循序渐进地渗透到课堂教学中，落实培养学生的生物学核心素养的目标。

学生往往不善于综合运用所学知识解决实际问题，制定实验方案时缺乏整体全面的思路，缺乏从“对照设置”“自变量控制”“因变量检测”等各个角度全面考虑的习惯和方法。本节课创设“帕金森氏症”情境，由教师提供必要的信息，由学生通过自主探究和小组合作学习方式解读信息、设计实验方案、分析评价实验方案、分析实验结果及相关机制，逐步培养学生的理解能力、获取信息能力、思辨能力、创新能力和综合应用能力，同时也渗透和落实了生物学学科核心素养。

1 教学目标

1）通过构建帕金森病致病机理图，培养和提高学生理解能力、获取信息能力。（生命观念、科学思维）

2）通过分析实验目的得出实验的自变量、因变量、无关变量，并设计出控制自变量、检测因变量的实验方案；通过依据实验设计原则对实验方案作出改进，培养、提高学生的思辨能力、创新能力。（科学探究、科学思维）

3）通过运用所学知识，分析图、表形式展现的实验结果，进而得出结论及相关机制，训练学生的获取信息能力、分析归纳能力及对知识的综合应用能力。（科学思维）

4）通过对帕金森氏症的了解和关注，并尝试探究与解决相关科学问题，且通过探究发现了“中药——人参”对这一疾病治疗的可能机制，培养并提高学生社会责任感。（社会责任）

2 教学过程

本节课教学流程如图1。

图1 本节课教学流程图

2.1 创设情境，导入本节话题 以“世界帕金森日公益短片”导入，并给出帕金森病发病率的相关数据：“1990—2015年间，帕金森病发病率及死亡人数增加了1 倍以上。截至2015年，全球有620 万人患病，并有11.7 万人死于帕金森病［4］。我国帕金森病患病人数约占全球一半，65 岁以上发病率为1.7%，随着年龄增长发病率逐渐升高，并有年轻化趋势。研究者预测，2040年全球患者总数将翻倍，达到1 420 万人［5］。”

通过短片和资料，引起学生对全球第二大神经退行性疾病——帕金森病的关注，引入帕金森病这一研究话题。

2.2 环节1：帕金森病的致病机理初探

学生活动1：以文字信息（资料1）呈现帕金森病的致病机理，由学生根据文字信息，完成帕金森病的致病机理图（图2）。

图2 帕金森病的致病机理图

资料：帕金森病（Parkinson′s disease，简称PD）是一种影响中枢神经系统的慢性神经退行性疾病，主要影响运动神经系统。它的症状通常随时间缓慢出现，早期最明显的症状为静止性震颤、肌肉僵直、运动迟缓和步态异常，也可能有认知和行为问题。主要致病机理为：α-突触核蛋白基因突变导致α-突触核蛋白异常折叠，异常的蛋白沉积形成“路易小体”，对多巴胺能神经元具有毒性作用，导致多巴胺能神经元损伤、甚至大量死亡。多巴胺能神经元可以合成并释放多巴胺。异常折叠的α-突触核蛋白可在Parkin基因和U基因的作用下降解，而帕金森病患者往往伴随着Parkin和U基因突变。此外，年龄因素、环境毒素、基因突变等可引起线粒体功能异常，线粒体功能异常或多巴胺代谢异常产生的活性氧（例如，含氧自由基），会造成细胞的氧化损伤，进而促进Tau 磷酸化，从而导致“路易小体”的形成［6-7］。

教师用PPT 展示相关突触结构（图3）。

图3 突触结构［8］

小结与提问：①通过对致病机理的分析，发现导致帕金森病的原因是多方面的。无论何种致病因素，最后都指向了什么结果？ ②从功能上说，多巴胺是一类什么物质？ 正常情况下其储存于哪一种结构中？③神经递质能否持续发挥作用？多巴胺最终被运回哪一结构中？ 哪些运载体在此过程中发挥作用？ ④若单胺运载体被抑制，有何后果？（预期答案：细胞质内多巴胺浓度升高）

多巴胺作为脑内正常的神经递质，大部分在突触小泡中储存。在某些病理条件下，例如，当单胺运载体被抑制后，细胞质内或胞外（即突触小泡外）多巴胺浓度异常升高可导致细胞损伤甚至死亡［9］。

学生通过阅读帕金森病致病机理的资料，补充和完善致病机理图，训练了解读、转换信息的能力，提高了获取信息能力和理解能力，落实了对基于生物学事实进行归纳和概括的科学思维训练；通过对致病机理的分析，学生了解到由于神经元内部结构异常导致其功能异常，从而致其患病，体会了结构与功能相适应的生命观念。通过最后的“小结与提问”，过渡到环节2：由学生自主设计实验验证“胞外过多的多巴胺会造成神经元死亡”。

2.3 环节2：设计实验验证“胞外过多的多巴胺会造成神经元死亡”

学生活动2（分组进行）：从以下选项中选择实验材料、试剂和检测指标，完成实验设计（表1）：a.正常的多巴胺能神经元；b.6-OHDA（已知的神经毒剂，使细胞凋亡）；c.损伤的多巴胺能神经元；d.多巴胺；e.动物细胞培养基；f.生理盐水；g.生存率；h.caspase-3（细胞凋亡相关基因）基因的数量；i.caspase-3转录的mRNA 量。

表1 实验方案设计表

展示学生作品，请学生代表阐述实验设计思路，并请其他小组发表观点。通过表达与交流，明确实验设计的一般思路：根据实验目的确定自变量、因变量、无关变量，进而设计控制自变量、检测因变量、保持无关变量相同且适宜的实验方案。此外，学生提出，为使实验结果更具说服力，还可选择“aeb”作为另一组，从而引出关于阳性对照的讨论与介绍。通过选择检测指标，再次明确了“基因数量”与“基因表达量”的区别。

学生活动3：给出实验结果相关图表（图4），学生在学案上完成下列问题：①根据上述图表信息，请描述实验结果，并得出实验结论；②β-Actin是存在于哺乳动物细胞中的蛋白质，它在各细胞中的表达相对恒定。在结果分析时，以各组细胞caspase-3基因转录量和β-Actin基因转录量的比值反映caspase-3基因的相对转录水平，可使结论更具说服力，原因是什么？

图4 实验结果展示［9］

小结与讨论：本实验证实了胞外过多的多巴胺会造成多巴胺能神经元死亡，对应致病机理图中的路径：多巴胺代谢异常→活性氧→多巴胺能神经元损伤。针对这一致病机理，请学生提出可能的治疗思路。给出传统中药——人参的相关介绍：人参皂苷Rg1 具有抗衰老、抗氧化、提高免疫力等药理活性作用。学生经讨论提出进一步的探究问题：探究人参皂苷Rg1 的治疗机理。

通过根据实验目的及给定材料，学生自主设计实验，明确实验设计的一般思路；通过分析实验结果相关图表，描述实验结果及得出结论，培养学生的语言表达能力及归纳总结的科学思维。

2.4 环节3：探究人参皂苷Rg1 的治疗机理

学生活动4（分组进行）：以小鼠作为实验材料。请评价、改正以下实验设计,并完善检测指标（表2）。

表2 实验方案设计表

学生展示作品，由学生代表评价实验方案，并阐述观点：该实验方案存在2 处错误：①人参皂苷Rg1 治疗组应先建立患病动物模型，再进行治疗，因此，步骤1 应改为“注射1 mL 溶于生理盐水的MPTP”，且原实验方案违反了“单一变量”原则；②还需设置一组健康鼠作为对照组。参考环节2 中的实验，学生可自行设计检测指标。教师引导学生从不同层次（分子水平、细胞水平、个体水平）设计检测指标。

学生活动5：根据给出的实验结果相关图表（表3、图5），分析人参皂苷Rg1 的作用机制，并写在学案上。

表3 多巴胺能神经元凋亡数比较［10］

图5 实 验 结 果 展 示［10－11］

学生代表展示答案，其他学生补充完善，并在教师的引导下，将人参皂苷Rg1 的作用机制概括为：人参皂苷Rg1 通过减少caspase-3基因转录量、增加Nrg基因转录量，减少多巴胺能神经元凋亡。

训练学生从设置对照、控制自变量、选择检测指标等角度评价并完善研究方案，培养其思辨能力，并在区分结果、结论的基础上，体会“机制描述”的方法。

2.5 总结提升 基于本节课涉及的研究内容，请学生尝试提出未来的研究方向。教师简介帕金森病的研究现状与常规治疗手段，西药治疗往往出现副作用，而中药治疗给帕金森病的治疗提供了一种新思路。

3 教学反思

本节课以“世界第二大神经退行性疾病——帕金森氏症”为情境，激发学生的探究意识。课程的3个环节从该疾病的致病机理出发，到对致病机理进行实验验证，再到依据机理探究治疗方式，层层深入、逻辑清晰，体现了科学探究的一般思路。

本节课选取了真实的科研素材，展示了真实科研成果。学生通过自主进行实验设计及对实验方案的评价，明确了面对复杂情境和问题时进行实验设计的一般思路，培养了思辨能力、创新能力和实践能力，发展了科学探究和科学思维的生物学学科核心素养。

在课堂实施上，由教师引出问题、给定信息，学生以个人或小组合作形式完成任务，体现了课堂中学生的主体地位。以问题或任务为导向，激发学生的自主“驱动力”，易于提高课堂效率。依托小组合作，学生通过交流与讨论解决问题，体会到科学探究过程中的团队合作过程。

此外，本节课通过对帕金森氏症的了解和关注，引导学生关爱身边的帕金森病患者，并运用所学知识，以科学探究的方式解决相关科学问题，且通过探究活动发现了中药治疗此病的新思路，有利于提升民族自豪感，培养学生的社会责任。