貫穿式情境與三重表征結合在高中生物學復習中的應用

2023年龍巖市基礎教育教學研究課題：貫穿式情境教學在高中生物課堂中的實踐與應用（JKYGH23—095）研究成果

摘" "要：以“學生完成經典太極拳動作——白鶴亮翅”為貫穿式情境，設置層層遞進的生物學問題，采取貫穿式情境與“三重表征”相結合的教學模式，引導學生通過“宏觀-微觀-符號”三重表征的互相轉換，深刻理解生物學核心概念并運用所學知識解決新情境中的新問題，提升學生的科學思維能力，同時滲透社會責任感教育。

關鍵詞：貫穿式情境教學；三重表征；核心概念；科學思維

“神經調節”是 2019 年人教版高中生物選擇性必修1第2章的內容。本節復習課是高三生物二輪主題復習“人體和動物的穩態與調節”中的微主題“神經調節的機制及應用”，該節課以學生已有的反射、反射弧和突觸等為基礎，結合學生在完成太極拳動作過程中發生的現象作為主情境，探討學生完成神經調節的各結構之間的聯系和調節過程以及信號產生、傳導與傳遞的機制。微主題“神經調節的機制及應用”復習課需要解決以下問題：如何對知識進行梳理總結？如何運用知識解決新情境、新問題？如何滲透社會責任？通過高三一輪的復習，學生已具備神經調節的基礎知識，具備相應的邏輯推理分析和邏輯思維能力。但大部分學生掌握的知識呈零散化、片段化態勢，利用所學理論知識解釋生活現實問題的能力也亟待提高。可以通過情境教學法指導學生完成模型建構來完成微主題的教學目標。模型建構是高中生物教學的一種有效教學形式，但也存在不足。如模型建構的教學僅針對于各種環境下（運動或運動障礙）神經調節的問題，沒有建立中間相關的微觀聯系，很難解釋實際生活中如使用不同類型藥物治療抑郁癥的功能和吸食不同毒品的成癮的機理和危害等。基于此，筆者嘗試將貫穿式情境與三重表征相結合進行微主題“神經調節的機制及應用”一節的教學實施，為高三復習提供一種新的教學模式。

1" 貫穿式情境和“三重表征”相結合的理論內涵

貫穿式情境教學是情境教學法的一種。貫穿式情景課堂采用一種主情景，將分散在教科書中的知識點聯系起來，使課堂教學的邏輯更加明確，既保證了課堂教學的系統性，又給學習者留下深刻的印象，形成持續的記憶。

“三重表征”理論是由蘇格蘭的約翰斯頓教授所提出的，他提出無論是化學還是生物、物理等課程的教育中都能使用該理論。該理論的內涵是學習者學習知識時必須著眼于宏觀、微觀和符號三個層次并進行相互轉換：即宏觀表征、微觀表征和符號表征三者間的有機融合與相互轉換[ 1 ]（圖1）。

該節微主題“神經調節的機制及應用”復習課的教學思路是以運動作為主情境，設置互相關聯、層層遞進的問題，訓練學生形成“宏觀-微觀-符號”三個層次知識并進行相互轉換，進而將三個層次的知識形成內在聯系的有機整體[ 2 ]。該理論的教學實踐中，一種教學呈現方式是教師首先創設情境，學生在教師創設的情境中觀察、實驗、體會并進行宏觀表征，然后教師設置問題引導學生查找資料、設計探究實驗等方式進行微觀解釋并運用恰當符號加以符號表征。另一種教學呈現方式是教師利用現有的符號表征，引導學生運用有關的生物學原理和概念進行微觀解釋，并提出解決宏觀世界問題的方案。兩種教學呈現方式有機結合，學生運用“三重表征”原理開展生物概念的復習與建構，以合理的方法熟練地完成微觀、宏觀、符號三個層次的轉化，有助于培養他們的科學思維能力，提升剖析問題和解決問題的能力。

2" 貫穿式情境與“三重表征“結合的教學實踐

一上課，教師播放了一段剛柔并濟、行云流水般的太極拳視頻，同時要求學生完成視頻中的一個經典太極拳動作——白鶴亮翅（圖2）并堅持10 s作為宏觀表征。采用創設情境引入復習課，不僅可以讓學生形成視聽沖擊，活躍氣氛，激發學生的學習激情，還可以為接下來的設問提供情境素材。

教師從創設的情境中首先提出下面4個與學生完成運動相關的生物學問題：大多數同學靠眼、耳等感覺器官及時獲得來自視頻、教師、同學等的信息后，進行處理并迅速完成動作，這是什么在調節人體的生命活動？某學生從聽到命令、看到圖片并完成圖片中的動作的過程，信號的傳導、傳遞經過了哪些結構？一些同學聽到指令后并未跟隨老師完成動作，這是如何控制的？某學生完成“白鶴亮翅”招式中的伸肘運動時，在伸肌收縮的同時，為何屈肌會舒張？ 教師設置系列問題的主要目的是指導學生把宏觀表征向微觀表征加以轉化。學習小組在討論、解答老師提出的問題并建構微觀表征：同學們從聽到指令、看到圖片到作出圖片中的動作反應，其實是完成了一系列反射活動。也就是說，在完成一個反射的過程中，興奮要經過多個神經元，興奮的傳導、傳遞經過了一系列的結構。具體調節過程如下：首先感受器（如眼、耳中的感覺神經末梢）受到刺激產生興奮并傳導興奮，興奮在神經纖維上以電信號（神經沖動）的形式傳導，神經元之間通過突觸相聯系，神經遞質與突觸后膜上的相應受體結合，導致突觸后膜上相應離子通道被打開，從而使下一個神經元興奮或抑制（圖3）。剛才的運動中大腦皮層軀體運動中樞興奮，如果愿意做經典太極拳動作——白鶴亮翅，大腦皮層軀體運動中樞神經元會釋放興奮性神經遞質，這樣會引起脊髓控制軀體運動的低級中樞神經元興奮而最終完成相應動作，而如果不愿意做經典太極拳動作——白鶴亮翅，大腦皮層軀體運動中樞神經元會釋放抑制性神經遞質，這樣會引起脊髓控制軀體運動的低級中樞神經元抑制而最終沒有完成相應動作。在做白鶴亮翅伸肘運動時，肌梭到受適當刺激，興奮傳至抑制性中間神經元時，抑制性中間神經元釋放抑制性神經遞質引起屈肌運動神經元抑制，導致屈肌舒張伸肌收縮從而完成伸肘動作（圖3）。

學生進行微觀解釋后，教師要求學習小組將微觀表征的關鍵信息轉化為符號表征（圖4和圖5）。微觀表征轉化為符號表征，就是引導學生把具體的微觀生物過程抽象化為單純的符號表達出來，這種轉化有利于培養學生的總結與歸納、邏輯推理等科學思維。

接著教師繼續從創設的情境中抽提出下面這個與學生完成運動相關的生物學問題：同學們運動過程中能克服自身生理困難如憋尿，運動后保持良好情緒，這又是如何調節的？對于交感神經和副交感神經對內臟器官的控制學生較難理解，為突破這個難點，教師呈現了排尿反射的分級調節符號表征圖（圖6）。學習小組根據圖示和生活體驗繼續討論、解答老師提出的問題并建構微觀表征：脊髓對膀胱擴大和縮小的控制由自主神經系統支配。運動時副交感神經興奮時，會使膀胱縮小；交感神經興奮時，不會導致膀胱縮小。大腦皮層是許多低級中樞活動的高級調節者，它對各級中樞的活動起調節作用，這使自主神經系統不能完全自主。運動時交感神經興奮，副交感神經受抑制，因此運動時可以控制排尿。

為進一步讓學生理解神經系統分級調節的作用特點，教師接著設問：有同學認為尿失禁的原因就是大腦皮層和脊髓排尿中樞之間的神經聯系中斷造成，這個說法正確嗎？學生繼續觀察排尿反射的分級調節符號表征圖（圖6），學習小組討論并歸納出尿失禁可能的原因：①大腦皮層控制排尿的相關中樞受損，控制能力喪失；②大腦皮層與脊髓排尿反射中樞之間的神經聯系中斷，信號傳導中斷；③脊髓排尿反射中樞傳出神經受損；④嬰幼兒大腦的發育還未完善，對排尿的控制能力較弱。在此基礎上，進一步建構神經系統對排尿反射的分級調節概念圖（圖7）。教師引導學生把符號表征轉化為微觀解釋，可以培養學生運用知識解決新情境、新問題的能力。

教師最后設問：我們已經理解了運動時可以控制排尿的機理，那為什么運動后能保持良好情緒呢？ 許多學生脫口而出“運動后產生了更多的多巴胺”。看得出學生對此有一定的了解。為進一步讓學生理解突觸處興奮傳遞的機制，筆者展示了運動后體內5－羥色胺（5－HT）和多巴胺等單胺類神經遞質釋放增加的符號表征圖（圖8），同時介紹許多抑郁癥患者體內的5－羥色胺（5－HT）含量明顯低于正常水平，最終導致神經系統的興奮性明顯下降。接著設問：單胺氧化酶抑制劑（MAOI）是目前常用的抗抑郁藥，那么單胺氧化酶抑制劑（MAOI）的抗抑郁作用機理是什么？據圖8分析，抗抑郁的方式還有哪些？設置這些問題的目的是引導學生通過符號表征轉換為微觀表征和宏觀表征，說明抗抑郁的方式。學生們根據圖片信息和所學的已有知識，小組學習合作小組對上述問題進行微觀表征：單胺類氧化酶抑制劑的作用是抑制單胺類神經遞質氧化酶的活性，阻止腦內5－羥色胺（5－HT）被氧化，提高突觸間隙5-羥色胺（5-HT）等神經遞質濃度，進而提高突觸后神經元的興奮性。根據圖片信息還可以判斷，使用5-羥色胺（5-HT）轉運體抑制劑藥物或者增加運動以提高5-羥色胺（5-HT）濃度等方式也可以抵抗抑郁癥。

為了培養學生根據新情況中的符號表征轉換為微觀表征的知識轉移能力，教師繼續呈現吸食或注射可卡因后成癮機制的符號表征（圖9）并設問：據圖推測可卡因使人產生強烈愉悅感的原因是什么？吸食可卡因后成癮的原因是什么？ 學習小組認真觀察圖表并進行微觀表征：圖A顯示，在正常情況下，多巴胺發揮作用后的去向是與轉運蛋白結合后被突觸前膜回收。吸食或注射可卡因后的變化如圖B所示，推測可卡因使人產生強烈愉悅感的原因是可卡因與轉運蛋白結合，減少了多巴胺的回收，使高濃度多巴胺持續作用于突觸后膜。 吸食可卡因后，突觸后膜長時間處于高濃度多巴胺環境下，發生圖9中C所示的變化。據圖推測，吸食可卡因成癮的原因是大量的多巴胺持續作用于突觸后膜，導致多巴胺受體減少，吸食者依賴吸食可卡因以減少多巴胺回收來增加濃度，維持突觸后膜興奮，從而惡性循環成癮。學生通過進行微觀表征并轉換為宏觀表征，理解毒品的危害性，堅定了根除接觸毒品的信念，滲透了社會責任感教育。在此基礎上，指導學生建立兩種模型，即神經沖動“持續進行”的可能原因（圖10）和突觸部位神經沖動傳遞被阻斷的可能原因（圖11），并嘗試用該模型對更多宏觀表征進行微觀表征。

教師運用貫穿式情境與三重表征相結合進行微主題“神經調節的機制及應用”一節的教學，實現了該節微主題復習課的教學目標，在對知識進行梳理總結的同時能引導學生運用知識解決新情境中的新問題并且滲透社會責任教育。

3" 貫穿式情境教學與“三重表征”結合教學實踐反思

貫穿式情境教學通過一個主情境，將分散在教科書中的知識點聯系在一起，使課堂教學的邏輯更加明確，教學脈絡更加清晰。貫穿式情境與“三重表征”相結合的教學模式，在教師創設的主情境中設置層層遞進的學習任務，通過“宏觀-微觀-符號”三重表征的互相轉換，讓學生對生物核心概念能夠深入理解并遷移應用，提升學生的科學思維能力。因此，貫穿式情境與“三重表征”相結合的教學模式在生物學教學中有著廣泛的應用前景，一線教師應該積極探索與實踐。

參考文獻：

［1］ 閆白洋.“三重表征”理論在生物學基因分離定律教學中的實踐[J].教學與管理，2019（22）：50—52.

［2］ 閆白洋.“三重表征”理論在“血糖調節”教學中的應用與實踐J].中學生物學，2019，35（3）：7—9.