基于生物學(xué)大概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階單元教學(xué)設(shè)計(jì)

袁毅君 李雯敏 陳金科 嚴(yán)浩睿

摘要：聚焦大概念“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位”，基于學(xué)生對(duì)科學(xué)概念理解的發(fā)展層級(jí)模型，依托真實(shí)情境，設(shè)計(jì)核心問(wèn)題；構(gòu)建模型，進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)與功能觀視角，闡明物質(zhì)是結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，指向?qū)W生生命觀念的培養(yǎng)。依據(jù)課標(biāo)評(píng)價(jià)建議，將評(píng)價(jià)任務(wù)嵌入教學(xué)中，體現(xiàn)課堂教學(xué)“教—學(xué)—評(píng)”一致性。

關(guān)鍵詞：高中生物學(xué)；單元設(shè)計(jì)；學(xué)科大概念；學(xué)習(xí)進(jìn)階

高中生物學(xué)核心素養(yǎng)由生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任四個(gè)維度組成，逐步引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的價(jià)值觀，培養(yǎng)必備品格，掌握關(guān)鍵能力。傳統(tǒng)教學(xué)以課時(shí)為單位劃分教學(xué)內(nèi)容，割裂了知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，導(dǎo)致知識(shí)碎片化，使學(xué)生陷于識(shí)記龐雜且零散的學(xué)科知識(shí)的困局當(dāng)中，單元教學(xué)設(shè)計(jì)則被認(rèn)為是撬動(dòng)課堂轉(zhuǎn)型的一個(gè)支點(diǎn)[1]。一方面，單元教學(xué)設(shè)計(jì)使教師教學(xué)理念發(fā)生轉(zhuǎn)變，籌劃學(xué)科教學(xué)時(shí)重視知識(shí)之間的邏輯聯(lián)系，“見(jiàn)樹(shù)木又見(jiàn)森林”，更加強(qiáng)調(diào)知識(shí)的整體性和結(jié)構(gòu)化；另一方面，單元教學(xué)設(shè)計(jì)以大情境為基調(diào)，教學(xué)內(nèi)容要與學(xué)生的實(shí)際生活相聯(lián)系，抽象知識(shí)具體化。少而精的“大概念”單元教學(xué)設(shè)計(jì)減輕了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，重在深化學(xué)生對(duì)大概念、重要概念、次位概念的理解和把握。教師必須透視學(xué)科知識(shí)背后的大概念，圍繞大概念組織教學(xué)，落實(shí)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

一、單元教學(xué)設(shè)計(jì)思路

高中生物學(xué)課程理念之一是“內(nèi)容聚焦大概念”，以學(xué)科大概念統(tǒng)攝教材內(nèi)容。單元教學(xué)設(shè)計(jì)，重在建構(gòu)結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)性的知識(shí)，強(qiáng)調(diào)知識(shí)之間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系，教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生對(duì)科學(xué)概念理解的發(fā)展層級(jí)模型（見(jiàn)圖1），以及學(xué)生已有知識(shí)水平以及學(xué)習(xí)能力，確立指向發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的單元目標(biāo)，在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)模型構(gòu)建、歸納概括、探究實(shí)踐等環(huán)節(jié)推動(dòng)學(xué)生逐漸理解生物學(xué)大概念的內(nèi)涵，掌握科學(xué)思想，落實(shí)核心素養(yǎng)。

（一）提升PCK能力形成單元教學(xué)設(shè)計(jì)

20世紀(jì)80年代，舒爾曼（Shulman，L.S.）對(duì)教師知識(shí)進(jìn)行了分類，并提出了學(xué)科教學(xué)知識(shí)（Pedagogical+Content+Knowledge，簡(jiǎn)稱PCK）的概念，揭示了教師知識(shí)中最有意義的知識(shí)，促進(jìn)了PCK理論的完善與發(fā)展[2]。PCK有兩個(gè)關(guān)鍵層面：其一是學(xué)科專業(yè)知識(shí)展示，其二是把握學(xué)生具體學(xué)習(xí)障礙、課前先期概念以及概念。教師將自己所掌握的學(xué)科內(nèi)容體系的事實(shí)、概念、規(guī)律、原理等具體知識(shí)，轉(zhuǎn)化為促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)并易理解的知識(shí)展現(xiàn)于課堂，融合了教學(xué)法、學(xué)科知識(shí)、認(rèn)知規(guī)律和教學(xué)情境等因素，體現(xiàn)教師對(duì)課堂教學(xué)的綜合理解。教師PCK能力的提升能夠有效促進(jìn)單元教學(xué)效果落地。

（二）單元教學(xué)設(shè)計(jì)路線

具體設(shè)計(jì)路線如下（見(jiàn)圖2）。

二、“細(xì)胞結(jié)構(gòu)的整體性”單元教學(xué)設(shè)計(jì)策略

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱為課程標(biāo)準(zhǔn)）指出，必修和選擇性必修課程的模塊內(nèi)容聚焦大概念，精簡(jiǎn)容量、突出重點(diǎn)、切合年齡特點(diǎn)、明確學(xué)習(xí)要求，確保學(xué)生有相對(duì)充裕的時(shí)間主動(dòng)學(xué)習(xí)[3]?！凹?xì)胞結(jié)構(gòu)的整體性”是大概念“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位”的下位概念之一，即重要概念。

（一）從單元層面規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，確立核心概念進(jìn)階點(diǎn)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)，分析人教版高中生物學(xué)教材，整合“細(xì)胞結(jié)構(gòu)的整體性”次位概念：組成細(xì)胞的結(jié)構(gòu)在分工的基礎(chǔ)上合作完成各項(xiàng)細(xì)胞的生命活動(dòng)。能夠陳述質(zhì)膜包被在細(xì)胞表面作為邊界，調(diào)控物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞之間的信號(hào)傳遞，學(xué)習(xí)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)；構(gòu)成細(xì)胞的各部分相對(duì)獨(dú)立，合作完成物質(zhì)合成、分解與運(yùn)輸，承擔(dān)傳遞信息和轉(zhuǎn)換能量等生命活動(dòng)；掌握遺傳物質(zhì)存在于細(xì)胞核內(nèi)；以具體事例展現(xiàn)細(xì)胞各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)與協(xié)調(diào)，最終協(xié)同完成各項(xiàng)生命活動(dòng)。

基于學(xué)習(xí)進(jìn)階，結(jié)合PCK理論分析四個(gè)方面，建構(gòu)進(jìn)階學(xué)習(xí)軌跡（見(jiàn)圖3）：一是教學(xué)促進(jìn)哪些生命觀念建構(gòu)，借此生命觀念進(jìn)階圖譜，確定學(xué)生的原有知識(shí)基礎(chǔ)和期望達(dá)成的理解水平；二是需要培養(yǎng)的關(guān)鍵能力是什么，基于學(xué)習(xí)進(jìn)階確定學(xué)生原有的科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究基礎(chǔ)和期望達(dá)到的能力目標(biāo)水平；三是期待幫助學(xué)生建構(gòu)哪些整合聯(lián)系（如思維能力和探究能力的整合，生命觀念與實(shí)踐能力的整合，生命觀念、能力與科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任的整合），建構(gòu)聯(lián)系切入點(diǎn)和關(guān)聯(lián)水平；四是確定學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中可能存在某些中間認(rèn)知狀態(tài)和進(jìn)階節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。

（二）從微觀層面組織具體教學(xué)內(nèi)容，厘清概念理解發(fā)展要求

在理想狀態(tài)下，學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)包括能夠闡明細(xì)胞的多樣性與統(tǒng)一性、細(xì)胞和生物體的各種生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，初步建立系統(tǒng)觀和物質(zhì)觀；能夠說(shuō)明組成細(xì)胞的物質(zhì)具有特殊性；通過(guò)分析細(xì)胞學(xué)說(shuō)建立過(guò)程，認(rèn)同科學(xué)發(fā)現(xiàn)的基本特點(diǎn)。在學(xué)習(xí)新單元之前，學(xué)生由已有經(jīng)驗(yàn)映射意識(shí)到細(xì)胞作為基本生命系統(tǒng)，具有系統(tǒng)的一般特征：有邊界，有系統(tǒng)內(nèi)各組分的分工合作，有控制中心調(diào)控其活動(dòng)。但綜合知識(shí)本身的復(fù)雜程度與學(xué)生原有知識(shí)匱乏以及教師教學(xué)的不成熟，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容不能徹底理解。基于此，分析“階”的產(chǎn)生，處理好學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)，形成單元化的概念學(xué)習(xí)。

以具體概念“細(xì)胞膜”為例，結(jié)合文獻(xiàn)分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)中通常存在3個(gè)問(wèn)題：對(duì)細(xì)胞膜功能的探究方法不清晰；對(duì)細(xì)胞膜組成成分與其功能的關(guān)系含糊不清；對(duì)于生物膜流動(dòng)性的理解不夠。因此進(jìn)行以下教學(xué)活動(dòng)突破進(jìn)階節(jié)點(diǎn)。

1.展示細(xì)胞膜功能的探究方法

活動(dòng)1：

a.控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞功能的驗(yàn)證

情境：播放“活細(xì)胞染色”視頻，臺(tái)盼藍(lán)染液染細(xì)胞，活細(xì)胞不著色，死細(xì)胞染成藍(lán)色。推測(cè)細(xì)胞膜作為細(xì)胞的邊界，應(yīng)該具有什么功能。

b.識(shí)別功能的驗(yàn)證

情境：播放“受精”動(dòng)畫(huà)，只有同種生物的精子和卵子才能結(jié)合，驗(yàn)證細(xì)胞膜具有識(shí)別功能（糖蛋白的作用）。

2.加強(qiáng)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能觀

活動(dòng)2：

課前提問(wèn)細(xì)胞膜的成分，指導(dǎo)學(xué)生完成模擬實(shí)驗(yàn)：課前準(zhǔn)備兩張油浸透并晾干的紙，分別滴加油和水，觀察并記錄油和水透過(guò)的時(shí)間，引發(fā)思考，激發(fā)興趣。

活動(dòng)3：

情境：教師對(duì)細(xì)胞膜相關(guān)研究的科學(xué)史內(nèi)容加工整理，重新創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生思考和小組討論。

討論：根據(jù)磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能推測(cè)出空氣-水界面鋪展成的磷脂單分子層的排布規(guī)律嗎？推測(cè)磷脂分子在細(xì)胞中是怎樣排布的。蛋白質(zhì)———脂質(zhì)———蛋白質(zhì)靜態(tài)結(jié)構(gòu)合理嗎？

任務(wù)：給出多種生物膜的錯(cuò)誤模型，提問(wèn)學(xué)生其模型的不合理性，鼓勵(lì)學(xué)生嘗試建構(gòu)流動(dòng)鑲嵌模型。

小組展示、匯報(bào)成果，教師提供參考資料，引導(dǎo)修正模型：不同生物膜的厚度不同，通常在5-10nm，在細(xì)胞的不同部位，厚度也有差異。既然膜內(nèi)部分呈現(xiàn)疏水性，那么水分子為什么能跨膜運(yùn)輸？提供變形蟲(chóng)、質(zhì)壁分離、胞吞胞吐視頻資料，說(shuō)明細(xì)胞膜具有一定的流動(dòng)性。

提問(wèn)：磷脂雙分子層具有哪些作用？細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)分子主要起什么作用？細(xì)胞膜流動(dòng)性的重要性體現(xiàn)在細(xì)胞功能的哪些方面？哪些因素能導(dǎo)致生物膜結(jié)構(gòu)破壞而失去其控制作用？

活動(dòng)4：

設(shè)疑：細(xì)胞膜具有流動(dòng)性是膜脂流動(dòng)還是膜蛋白流動(dòng)？

情境：利用氣球和兩根絲帶演示膜脂分子的運(yùn)動(dòng)方式，結(jié)合動(dòng)畫(huà)，解釋膜流動(dòng)性的控制機(jī)制。膜的流動(dòng)性包括膜脂流動(dòng)性和膜蛋白流動(dòng)性。膜脂分子具有多種運(yùn)動(dòng)方式，如繞化學(xué)鍵旋轉(zhuǎn)、左右擺動(dòng)、圍繞與膜平面相垂直的軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、沿膜平面做側(cè)向擴(kuò)散或側(cè)向移動(dòng)、由一側(cè)單分子層倒翻至對(duì)側(cè)一層等。膜蛋白的運(yùn)動(dòng)方式有側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。膜蛋白的運(yùn)動(dòng)既受其周圍膜脂制約，還受細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制。

活動(dòng)5：

a.科學(xué)應(yīng)用，實(shí)踐延伸：碳納米管創(chuàng)造人工細(xì)胞膜通道。

一般經(jīng)口給藥的片劑、膠囊等在消化道內(nèi)溶解并被緩慢吸收后隨血液運(yùn)輸至全身各處，不能精準(zhǔn)治療。美國(guó)某科研小組創(chuàng)造了一個(gè)包含碳納米管的離子通道，嵌入細(xì)胞膜構(gòu)成小管道狀孔洞，便于DNA、水、小離子和質(zhì)子進(jìn)出細(xì)胞（見(jiàn)圖4）。這種細(xì)胞膜上的短碳納米通道管可將藥物精準(zhǔn)傳輸至需要治療的體內(nèi)某區(qū)域，避免對(duì)相鄰器官造成傷害，對(duì)人類未來(lái)健康維護(hù)和生物制藥具有廣闊的應(yīng)用前景，依據(jù)此技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)精確治療。

b.興趣提升：細(xì)胞膜研究進(jìn)展。

情境：傳統(tǒng)概念中細(xì)胞膜為流動(dòng)鑲嵌模型，后有科學(xué)家提出脂筏模型，認(rèn)為脂雙分子層流動(dòng)但不均一，然而存在的疑問(wèn)是在真核細(xì)胞里，有一半的跨膜蛋白因?yàn)楹图?xì)胞骨架綁定在一起，所以在幾分鐘甚至幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間尺度里不動(dòng)，這些蛋白占了整個(gè)細(xì)胞10%-20%的細(xì)胞膜表面積。如果某種水溶液里有10%不動(dòng)蛋白，比如膠原蛋白凝膠，則該溶液就更像塊狀固體，而不是液體。與此同時(shí)，蛋白和小分子依然能在里面自由地穿行。而細(xì)胞膜會(huì)不會(huì)也更像一個(gè)二維凝膠半固體，而不是液體呢？作者實(shí)驗(yàn)后在“Cell”發(fā)表文章提出2D-凝膠模型：在細(xì)胞層面細(xì)胞膜呈膠狀半固態(tài)，更為準(zhǔn)確的表述是細(xì)胞膜更接近果凍狀。

任務(wù)：查詢資料，你認(rèn)為“細(xì)胞膜更接近半固體”的新研究是否推翻了“流動(dòng)鑲嵌模型”？

c.觀看視頻“Cell/membranes/are/way/more/complicated/ than/you/think”，本視頻部分截圖（見(jiàn)圖5）。

3.教學(xué)活動(dòng)目的———學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)突破

活動(dòng)1：科學(xué)家關(guān)于細(xì)胞膜的研究首先是從其生理功能的角度進(jìn)行，教學(xué)中教師通過(guò)簡(jiǎn)單探究體現(xiàn)細(xì)胞膜的功能，既避免了直接灌輸教學(xué)內(nèi)容，又巧妙地銜接了之后的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

活動(dòng)2：課堂上組織簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參與并共同觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

活動(dòng)3、活動(dòng)4：細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)模型的探索過(guò)程，反映了“提出假說(shuō)———實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證———形成結(jié)論”這一科學(xué)方法的應(yīng)用；幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)步在提出生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型中所起的作用，同時(shí)反映出該模型的局限性；利用氣球和動(dòng)畫(huà)演示，加深對(duì)膜流動(dòng)性控制機(jī)制的理解，形成嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的思維；學(xué)習(xí)科研方法，培養(yǎng)科學(xué)精神，形成科學(xué)探究的素養(yǎng)。

活動(dòng)5：了解碳納米管建造人工細(xì)胞膜通道，整合科學(xué)觀念與實(shí)踐能力的關(guān)系。分享細(xì)胞膜模型的研究進(jìn)展，同時(shí)，讓學(xué)生意識(shí)到學(xué)習(xí)的內(nèi)容具有現(xiàn)實(shí)意義，科學(xué)家對(duì)細(xì)胞膜功能的研究仍在不斷地深入展開(kāi)。

三、教學(xué)評(píng)價(jià)與反思

課堂教學(xué)強(qiáng)調(diào)“教—學(xué)—評(píng)”一致，圍繞生物學(xué)大概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階單元教學(xué)評(píng)價(jià)體現(xiàn)在教學(xué)的跨學(xué)科性、真實(shí)情境性以及學(xué)生問(wèn)題意識(shí)與小組間的協(xié)作。課堂轉(zhuǎn)型之后，圍繞生物學(xué)概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階單元教學(xué)將成為生物學(xué)核心素養(yǎng)得以真正貫徹、生物學(xué)大概念能夠有效落實(shí)的載體。

（一）教學(xué)評(píng)價(jià)

教學(xué)中交叉應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)，跨學(xué)科學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提升，如磷脂、糖蛋白、脂蛋白化學(xué)性質(zhì)的掌握是學(xué)生探究細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)，能夠凸出并強(qiáng)化知識(shí)的關(guān)聯(lián)與交互。在展示真實(shí)生活場(chǎng)景中體現(xiàn)知識(shí)來(lái)自于生活，并用以解決真實(shí)情境中的問(wèn)題。借此舉例拓展課程資源，提出探索性問(wèn)題，展現(xiàn)課程的探索性，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究以及科學(xué)思維能力；學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)與小組間的協(xié)作體現(xiàn)在對(duì)細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型的建構(gòu)中，問(wèn)題探究與協(xié)作促進(jìn)學(xué)生之間的交互、溝通與合作，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，學(xué)習(xí)小組成果匯報(bào)進(jìn)一步提升了學(xué)生的核心素養(yǎng)水平。

（二）教學(xué)反思

單元教學(xué)設(shè)計(jì)需要教師突破“只見(jiàn)樹(shù)木不見(jiàn)森林”的課時(shí)思維定勢(shì)，考驗(yàn)教師從“長(zhǎng)時(shí)段”整體籌劃學(xué)科教學(xué)的能力，因此需要教師努力提升PCK能力，更加靈活地掌握課堂，了解生命科學(xué)發(fā)展前沿，為發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

教學(xué)中教師通過(guò)組織活動(dòng)設(shè)置情境，利用“統(tǒng)一性”觀點(diǎn)處理學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系。后續(xù)的教學(xué)中帶領(lǐng)學(xué)生使用光學(xué)顯微鏡觀察各類細(xì)胞、細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)，認(rèn)識(shí)細(xì)胞骨架，結(jié)合電鏡照片分析細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)，嘗試制作真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)模型，在實(shí)踐過(guò)程中提高實(shí)踐能力，掌握科學(xué)探究的方法。教學(xué)內(nèi)容進(jìn)階包括從細(xì)胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體數(shù)量多進(jìn)階到其合成和分泌功能強(qiáng)大；核膜上的核孔數(shù)目多而進(jìn)階到RNA、蛋白質(zhì)等物質(zhì)運(yùn)輸快，蛋白質(zhì)合成旺盛從而得出細(xì)胞新陳代謝快；線粒體數(shù)量多，使得腎小管細(xì)胞、肝細(xì)胞、心肌細(xì)胞等代謝旺盛；消化系統(tǒng)中分泌消化酶的胰腺或者部分合成多肽類和蛋白質(zhì)類激素的細(xì)胞，其細(xì)胞中核糖體與高爾基體數(shù)量居多。在“統(tǒng)一性”觀點(diǎn)引領(lǐng)下貫穿結(jié)構(gòu)與功能觀，促使學(xué)生在多種教學(xué)活動(dòng)中，如構(gòu)建細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能思維導(dǎo)圖、模型構(gòu)建、顯微觀察等，領(lǐng)會(huì)生物學(xué)大概念內(nèi)涵，落實(shí)學(xué)生生命觀念的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2022：2.

課題項(xiàng)目：甘肅省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度課題“基于學(xué)科素養(yǎng)的單元設(shè)計(jì)高中生物學(xué)教學(xué)研究”（GS[2020]GHB4855）

編輯/趙卓然