基于核心素養的生物學教學設計

申單

［摘 要］文章以科學史為依托，對“激素與內分泌系統”一節進行教學設計，旨在引領學生重走科學發現之路，體會科學研究的一般過程。在“激素與內分泌系統”教學中，教師可結合情境引導學生通過控制變量法和設置對照實驗來驗證假說，基于已有知識和相關資料提出可行性的實驗方案，培養學生嚴謹的思維習慣和科學探究的能力，進而有效落實生物學學科核心素養。

［關鍵詞］核心素養；教學設計；激素與內分泌系統

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）29-0094-03

生物學學科核心素養是學生在生物學課程學習過程中逐漸發展起來的，在解決真實情境中的實際問題時所表現出來的價值觀念、必備品格與關鍵能力，是學生知識、能力、情感態度與價值觀的綜合體現?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017 年版 2020 年修訂）》中指出，生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任［1］。筆者以“激素與內分泌系統”為例進行基于核心素養的生物學教學設計。

一、教材及學情分析

“激素與內分泌系統”是人教版（2019）高中生物學選擇性必修1第2章第1節的內容。以核心素養為導向，依據新課標“穩態與調節”模塊重要概念 1.4 “內分泌系統產生的多種類型的激素，通過體液傳送而發揮調節作用，實現機體穩態”，確定本課時的具體學習要求是探究促胰液素的發現過程，認識激素調節，基于胰島素和雄性激素研究實例歸納總結研究內分泌腺及其功能的一般方法。

學生在初中已學過激素調節，對人體的內分泌系統有基本的認識，了解人體主要的內分泌腺及其分泌的激素，對生長激素、甲狀腺激素、胰島素的主要功能有一定的認知，能夠較好地理解科學史中的信息。筆者所授課的班級學生思維較為活躍，具備較強的邏輯推理能力，對生物科學史非常感興趣，能夠充分參與課堂討論。

二、教學目標

（一）生命觀念目標

1.通過分析促胰液素的發現歷程，認識激素調節，概述促胰液素引起胰腺分泌胰液的過程。

2.舉例說明內分泌腺和外分泌腺的主要區別。

（二）科學思維目標

1.通過對沃泰默實驗結果的分析，體會實驗設計中的變量控制，能夠基于實驗現象得出結論。

2.結合胰島素的化學本質，分析早期的科學家未能證明胰腺中分泌物存在的可能原因，提出可行性實驗方案。

3.基于胰島素及雄性激素的研究實例，歸納總結研究內分泌腺及其分泌的激素功能的一般方法。

（三）科學探究目標

通過小組合作設計實驗驗證斯塔林和貝利斯的假設，掌握科學探究的基本思路和方法，提高科學探究能力。

（四）社會責任目標

反思斯他林和貝利斯獲得成功的原因，形成敢于質疑、勇于突破固有理論禁錮的科學態度和科學精神。

三、教學重難點

教學重點：分析促胰液素的發現歷程，認識激素調節，并能夠舉例說明內分泌腺和外分泌腺的區別。

教學難點：基于材料中給出的生物學事實和證據，運用歸納與概括、演繹與推理、批判性思維和創造性思維等科學思維方法進行提問、實驗設計、結果預測，探討、闡釋生命現象及規律。

四、教學過程

（一）創設情境，導入新課

教師展示正常人與侏儒癥患者的圖片，并提供文字資料解釋侏儒癥的成因：侏儒癥的癥狀是生長遲緩，身材矮小，病因是幼年時生長激素分泌不足。教師設問：你知道生長激素由哪個腺體分泌嗎？待學生回答問題后教師進一步追問：人和其他高等動物的體內存在多種調節生命活動的激素，這些激素是如何被發現的？研究內分泌腺以及激素功能的方法有哪些？

設計意圖：通過創設情境激發學生的學習興趣，及結合情境進一步設問，引導學生深入思考生命現象及其背后的科學規律，同時明確本節課的主要學習目標。

（二）分析促胰液素的發現歷程

教師展示胃及胰腺和十二指腸的圖片，并提供相關文字資料：胰腺可分泌含有多種消化酶的胰液，胰液經導管流向十二指腸，促進食物的消化。內臟器官大多同時接受交感神經和副交感神經的雙重支配，已有研究發現刺激副交感神經可引起胰腺分泌胰液。教師提問：胰腺分泌胰液是如何調節的？教師介紹19世紀學術界對胰液分泌調節機制的主流看法，請學生寫出胰液分泌的反射弧組成，并闡述胃酸（鹽酸）刺激引起胰腺分泌胰液的過程。

1894年，法國學者沃泰默做了如下幾組實驗：①把相當于胃酸（pH為0.9～1.5）的鹽酸注入狗的上段小腸，發現會引起胰液的分泌；②直接將稀鹽酸注入狗的血液中，發現不會引起胰液分泌；③切除支配這段小腸的神經，只留下血管，再向小腸內注入稀鹽酸，發現這樣仍能促進胰液分泌。教師提問：①②組形成對照，自變量是什么？因變量是什么？根據這兩組實驗的結果可以得出什么結論？第③組實驗與第幾組實驗形成對照？可以得出什么結論？學生分組討論，教師記錄學生的討論結果：①②組形成對照，自變量是鹽酸的作用部位，因變量是胰腺是否分泌胰液，由這兩組實驗結果可知直接接受鹽酸刺激的部位是小腸。第③組實驗與第①組實驗形成對照，自變量為是否切除小腸上相關神經。根據實驗結果推測胰腺分泌胰液可以不受神經調節，也即胰腺分泌胰液存在其他調節機制。教師首先展示沃泰默本人對其實驗結果的解讀：這是一個十分頑固的反射，小腸上的神經是難以切干凈的；然后引導學生將沃泰默的推論與小組討論結果做對比，并就是否認可沃泰默本人的結論發表看法。

設計意圖：讓學生通過分析實驗中的相關變量，體會實驗設計遵循的原則，并對實驗結果進行表達與交流，形成嚴謹的思維習慣。

教師提供文字資料，介紹斯他林和貝利斯基于沃泰默的實驗結果提出的新假設：這不是反射而是化學調節——在鹽酸的作用下，小腸黏膜可能產生了一種化學物質，這種物質進入血液，隨血液循環到達胰腺，引起胰液的分泌。教師在黑板上書寫板書，梳理胰腺分泌胰液的調節模型（見圖1），提問：如果你們是斯他林和貝利斯研究團隊的成員，應如何設計實驗驗證這一假設？教師需關注不同小組的討論情況，對于有困難的小組，可通過資料卡片介紹斯他林和貝利斯的實驗設計：剪下狗的一段小腸，刮下黏膜，將稀鹽酸加入黏膜磨碎，并制成提取液，將提取液注射到同一只狗的靜脈中。布置任務：請預測實驗結果。學生依據假設進行演繹推理，得出小狗的胰腺將會大量分泌胰液。教師引導學生思考：僅通過這一個實驗是否可以證明是小腸黏膜受鹽酸刺激后產生的一種化學物質在發揮作用，而不是鹽酸或者小腸黏膜本身的某種成分最終引發了胰液的分泌？學生思考后表示需要設置對照組。教師補充提問：為了排除鹽酸和小腸黏膜本身對實驗結果的干擾，應設置怎樣的對照組？然后引導學生完善實驗方案：增設對照組一，將稀鹽酸注入狗的靜脈中，檢測胰腺是否分泌胰液；增設對照組二，將小腸黏膜提取液注入狗的靜脈中，檢測胰腺是否分泌胰液。

設計意圖：帶領學生走進斯他林和貝利斯的探究世界，引導學生設計恰當可行的實驗方案驗證斯他林和貝利斯的假說的正確性［2］，使學生掌握科學探究的基本思路和方法，并樹立團隊合作的意識。

教師提供文字資料：巴甫洛夫和其學生曾經認為小腸中的鹽酸導致胰液分泌屬于反射，斯他林和貝利斯的發現與他們這一看法大相徑庭。于是他們重復做了實驗，結果與斯他林和貝利斯的一模一樣。然后提問：為什么斯他林和貝利斯得到與沃泰默不同的結論？他們的成功對你有什么啟示？

設計意圖：通過分析斯他林和貝利斯成功的原因，培養學生敢于質疑的思維品質，使學生能夠在基于科學事實的基礎上，大膽假設，小心求證，不被權威和固有的理論所束縛。

教師指出斯他林和貝利斯將引起胰液分泌的這種物質命名為促胰液素，同時指出這種調節方式為激素調節。教師引導學生概述胃酸（鹽酸）刺激引起胰液分泌的調節過程：在胃酸的刺激下，小腸黏膜分泌促胰液素，促胰液素進入血液后隨血流到達胰腺，引起胰腺分泌胰液。教師綜合本節課所提供的資料，明確胰腺分泌胰液受神經調節和激素調節（見圖2）。引導學生比較：結合促胰液素調節胰液分泌的過程，分析神經調節和激素調節的方式有哪些不同。學生分析后指出：神經調節通過反射弧來實現，而激素調節依賴化學物質，借助血液運輸來實現。

設計意圖：分析促胰液素的分泌及運輸過程，為后續學習激素的作用特點做好鋪墊；指出胰腺分泌胰液受神經調節和激素調節，有助于學生理解神經調節和激素調節的關系。

（三）分析胰島素的發現歷程

教師：激素的分泌悄無聲息，它們直接進入血液周游全身，難以收集和分離，那么如何研究激素的分泌部位及其功能呢？教師提供如下文字資料：1869年，研究者發現了胰腺中一些細胞聚集成島狀，將其命名為胰島，但對它的作用一無所知。1889年，科學家無意中發現，切除胰腺的狗會患上與人的糖尿病類似的病，由此推測糖尿病的發生與胰腺有關，并猜測胰腺能分泌某種抗糖尿病的激素（后被命名為胰島素）。為了驗證這一猜測，科學家進行了幾百次實驗，制備胰腺提取物，并給胰腺受損誘發糖尿病的狗注射，但收效甚微。教師提問：請結合胰島素的化學本質分析科學家實驗失敗的原因。學生回顧胰島素的化學本質指出：胰島素是蛋白質，而胰腺可以分泌多種消化酶，直接用完整的胰腺制備提取物，胰液中的消化酶可能將胰島素水解，使其失去功效。

設計意圖：引導學生結合已有知識分析實驗失敗的原因，培養學生深入思考的習慣。

教師提供班廷查閱資料得到的信息：膽結石堵塞胰管或以實驗方法結扎胰管都會引起胰腺萎縮，而胰島卻保持完好，這樣的機體不會患糖尿病。提問：這一資料對于制備有生理活性的胰島素提取液有怎樣的參考價值？學生立即想到：可以先結扎狗的胰管，然后取萎縮的胰腺制備提取液，該提取液中應含有具備生理活性的胰島素。

設計意圖：使學生通過查閱資料和深入分析優化實驗設計，掌握解決問題的思路和方法。

教師展示班廷和貝斯特的實驗結果，引導學生體會研究胰島素功能的方法。

（四）睪丸分泌雄性激素的研究

教師提供文字資料：1849年，德國研究者發現公雞被摘除睪丸后，其雄性性征明顯消失，如果將睪丸重新移植回去，公雞的雄性性征又會逐步恢復。經過不斷的實驗，科學家從動物睪丸中提取出睪酮，經證實，睪酮就是睪丸分泌的雄性激素。提問：請通過小組合作，設計實驗驗證睪酮就是睪丸分泌的雄性激素。學生代表闡述實驗思路：給已摘除睪丸的公雞注射適量睪酮，觀察公雞的雄性性征是否重新出現，若公雞的雄性性征恢復，則可驗證睪酮就是睪丸分泌的雄性激素。

設計意圖：讓學生在體會胰島素功能研究的基礎上，將相關方法遷移應用于其他激素功能的研究。

教師引導學生基于上述研究實例，通過小組合作總結研究內分泌腺功能的一般方法：摘除某內分泌腺→觀察特定癥狀出現→重新移植腺體或注射腺體提取物→觀察特定癥狀消失。研究激素功能的一般思路：用某種方法處理實驗動物→出現相應病理癥狀→添加某激素后恢復正常→推知相應激素的生理功能。教師引導學生并分析“加法原理”和“減法原理”在上述實驗設計思路中的體現。

（五）感悟提升

教師：課后查閱資料，結合你感興趣的生物學家的生平事跡及其科學研究歷程，談談如何應對科學研究中的失敗。

五、教學評價與反思

本節課的教學設計緊扣科學史素材，旨在還原真實的科學研究歷程。在分析促胰液素的發現歷程的過程中，教師引導學生以研究者的視角運用“假說—演繹”法分析科學史資料，提出假說，設計實驗并預測實驗結果。學生通過動手、動腦，主動獲取知識，理解概念，掌握科學家解決問題的思路和方法［3］。在分析胰島素的發現歷程的過程中，教師引導學生以審視的態度分析產生實驗異常現象的可能原因，體會科學探究的曲折。在真實的研究情境中，促進學生科學思維、科學探究等核心素養的發展。延伸到課外活動的設計，培養了學生的社會責任感。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］? 黃秀芝.基于生物學學科核心素養的教學設計：以“通過激素的調節”為例［J］.生物學教學，2019（2）：19-20.

［3］? 劉恩山，曹保義.普通高中生物學課程標準（2017年版2020修訂）解讀 ［M］.北京：高等教育出版社，2020.