建模思維導向的高三教學實踐
——以“肥胖調節之信息傳遞”為例

北京 馬小年 常 琦

“動物生命活動的調節”是穩態調節模塊的重要組成部分，筆者在授課時串聯了肥胖調節相關的情境，構建神經-體液-免疫調節過程中信息產生、傳遞、發揮作用的模型，有助于學生理解高等生物個體生命活動的規律，從系統分析的角度認識個體生命活動的穩態；也有利于學生理解健康生活方式對維持人體內環境穩態、預防疾病的意義。

高三此階段的學生已經復習、鞏固了神經調節的具體過程，能夠闡明興奮在神經纖維和突觸處的傳導和傳遞方式；學生結合高二學習的知識，可以理解生命活動需要不同的調節方式，但尚不能從系統分析的角度理解生命個體的各結構統一完成復雜的生命活動、通過協調多種調節機制維持穩態。此外，學生對生命活動中的物質變化、能量轉化認知相對深刻，但對信息流闡釋生命本質的過程比較陌生。本節課從信息的產生、傳遞、發揮作用的角度尋求神經調節、體液調節、免疫調節的共性，幫助學生進行相關概念的建構，本節課教學結構如圖1所示。

圖1

1.學習目標以及教學重難點

(1)學生建構高等生物個體穩態模型需要多結構統一協調、多種調節機制共同維持的概念，滲透結構與功能觀、穩態與平衡觀。

(2)通過對信息產生、傳遞、發揮作用的比較復習，學生可以進行歸納總結、建模思維的訓練。

(3)學生可以基于肥胖癥的情境進行觀察、探討，樹立證據意識。

(4)學生樹立健康的生活觀念，積極運用生物學方法嘗試解決現實問題。

其中，構建神經-體液-免疫調節過程中信號的產生、傳遞和發揮作用的模型為教學重點；基于科學假設進行實驗方案的設計、實驗結果的規范闡述、創新性科學建議的提出為教學難點。

2.教學過程實施

2.1環節1：“肥胖癥”情境引入

教師以肥胖癥的界定、全球肥胖癥患者比例的數據引入，引導學生從宏觀感知肥胖現象，引發學生關注健康問題和思考疾病治療的相關問題。

2.2環節2：“天然瘦”的秘訣

教師提供閱讀小材料，提問：瘦素參與了哪些調節方式？涉及哪些信號？

瘦素=讓人瘦的激素？

1994年，科學家在小鼠體內證實了調節能量代謝的“飽感因子”的存在，并命名為“瘦素”。瘦素是由脂肪細胞分泌的蛋白質類激素，一方面可刺激下丘腦感受器、通過交感神經將信號傳遞到下丘腦的攝食中樞、抑制中腦腹側被蓋區神經元釋放多巴胺，并在________產生飽腹感，減少食欲和攝食行為；另一方面可通過自分泌的方式作用于________細胞，促進脂肪的分解、抑制脂肪的合成。近幾年的研究發現，瘦素還可以參與吞噬細胞和淋巴細胞的活化、增殖等過程。

學生完成相關問題，試圖歸納不同信號的產生、傳遞、發揮作用的共性和不同機制。教師在學生總結的基礎上引導其進一步提煉完善(表1)，并做出小結：神經調節、體液調節、免疫調節通過信號產生聯系，相互協調，共同維持穩態(圖2)。

表1

圖2

學生在本環節學習活動中探究了宏觀現象背后的調節機制，發展結構與功能觀、穩態與平衡觀，并從信息流的角度認知生命過程，為下一個教學環節做鋪墊。

2.3環節3：為什么會異常肥胖

學生從信息產生、傳遞和發揮作用的角度分析穩態失衡的可能原因(表2)。

表2

教師提供證據一：研究表明肥胖癥患者血漿中瘦素濃度是正常人的3倍，而腦脊液中瘦素濃度是正常人的30%。證據二：研究證明部分肥胖癥患者的LepR受體基因外顯子中G/C→T/A。

學生結合教師提供的證據對之前提出的肥胖癥可能出現的原因質疑、完善：原因1不成立，原因2和原因3存在可能性。

教師再次提供材料：研究人員發現血漿中C反應蛋白(CRP)濃度高的小鼠呈現出易發胖的特征，并推測CRP可以顯著抑制瘦素信號轉導，針對以上內容提出兩個假設：

假設一：C反應蛋白和下丘腦的瘦素受體(LepRb)結合；

假設二：C反應蛋白與血漿中的瘦素結合，使瘦素失去與相應受體結合的特性。

學生完成相關題目的練習，訓練其實驗設計的高階思維和科學表述能力。

圖3

表3

A：無關蛋白；B：瘦素；C：C反應蛋白；D：C反應蛋白和瘦素的混合液

按照圖3所示簡要流程進行實驗。

①請將所用蛋白質的字母編號填入表3中的i、ii、iii處；

②研究人員證實假設二正確，則與對照組相比，實驗組a的熒光值應________，實驗組b的熒光值應________。

2.4環節4：如何治療肥胖癥

學生綜合肥胖癥的可能原因，提供相應的藥物開發建議：開發可包裹瘦素透過血腦屏障的藥物；開發可透過血腦屏障的瘦素類似物；抑制C反應蛋白的合成；促進瘦素受體基因的表達等。教師展示真實的藥物圖片和其作用原理。師生通過總結、歸納人體的信號把神經系統、內分泌系統、免疫系統聯系起來，構成復雜的調節網絡維持機體穩態。本節課板書如圖4所示。

圖4

3.教學總結與反思

本節課著眼于肥胖癥的情境，從信息傳遞的角度闡釋了脂肪代謝的穩態和失衡。學生通過建模思維的訓練，提升了思辨和創新的高階能力，體會了生命科學的發展對人類健康的推動意義。