基于高中生物學(xué)重要概念的情境、問題與活動的單元整體性設(shè)計

王紅梅 周初霞

（1.浙江省嘉善高級中學(xué) 浙江嘉善 314100）

（2.浙江省教育廳教研室 浙江杭州 310012）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）明確將“內(nèi)容聚焦大概念”列入生物學(xué)課程的基本理念。大概念是在若干重要概念的基礎(chǔ)上形成的，重要概念又是在次位概念的基礎(chǔ)上形成，次位概念則是基于若干生物學(xué)事實性知識而形成的。《課程標(biāo)準(zhǔn)》強調(diào)教學(xué)應(yīng)突出重點和知識的整體性，而進(jìn)行單元整體教學(xué)設(shè)計是一個行之有效的方法，它突顯了學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成的長期性、滲透性和整體性等特點。教師在以重要概念為主題進(jìn)行整體教學(xué)設(shè)計中，需要對情境與問題進(jìn)行整體性設(shè)計，對重要概念進(jìn)行解構(gòu)和分析，創(chuàng)設(shè)單元學(xué)習(xí)情境，提出單元整體教學(xué)的核心問題，將單元學(xué)習(xí)情境分解到每一課時，圍繞分解的課時學(xué)習(xí)情境設(shè)置問題與活動，最終構(gòu)建形成重要概念（圖1）。基于此，下面嘗試對“細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)既分工又合作，共同執(zhí)行細(xì)胞的各項生命活動”這一重要概念內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)整設(shè)計，探討情境與問題的單元整體性設(shè)計，讓學(xué)生在情境中引發(fā)思考，在問題中展開探討與活動，促進(jìn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

1 解構(gòu)重要概念，分析概念間的邏輯關(guān)系，建構(gòu)概念網(wǎng)絡(luò)

教學(xué)圍繞重要概念進(jìn)行展開，旨在將最有價值的知識濃縮在重要概念上。教師需對重要概念進(jìn)行梳理、歸類，并從次位概念、重要概念、大概念等層級進(jìn)行整體架構(gòu)，建立有意義的聯(lián)系。通過少數(shù)重要概念的學(xué)習(xí)幫助學(xué)生形成終身受益的思維方式和解決問題的能力。

例如，重要概念2（KC2）“細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)既分工又合作，共同執(zhí)行細(xì)胞的各項生命活動”，是在以下幾個次位概念（SC）的基礎(chǔ)上構(gòu)建的：

SC2.1：細(xì)胞都由質(zhì)膜包裹，質(zhì)膜將細(xì)胞與外界環(huán)境分開，能控制物質(zhì)進(jìn)出，并參與細(xì)胞間的信息交流。

SC2.2：細(xì)胞內(nèi)具有多個相對獨立的結(jié)構(gòu)，擔(dān)負(fù)著物質(zhì)運輸、合成與分解、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞等生命活動。

SC2.3：遺傳信息主要貯存在細(xì)胞核中。

大量的生物學(xué)事實，如科學(xué)史研究、顯微資料、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的物理模型等，為這些次位概念的形成提供依據(jù)。通過圖2的分析，重要概念KC2的構(gòu)建不僅基于若干次位概念、受重要概念KC1支撐，還可支撐重要概念KC3，共同概括出大概念，進(jìn)而幫助學(xué)生建立生命的系統(tǒng)觀、結(jié)構(gòu)與功能觀及進(jìn)化與適應(yīng)觀等。

2 圍繞重要概念，創(chuàng)設(shè)單元學(xué)習(xí)情境，提出單元核心問題

建構(gòu)主義教學(xué)觀認(rèn)為：用真實情境呈現(xiàn)問題，營造問題解決的環(huán)境，有利于幫助學(xué)生在解決問題的過程中活化知識，變事實性知識為解決問題的工具，從而完成對新知識的意義建構(gòu)。教師通過創(chuàng)設(shè)真實而復(fù)雜的情境，讓學(xué)生將知識與生活、科技發(fā)展聯(lián)系起來，使知識具備遷移性，具有遷移性的知識才會促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的形成。

圍繞上述重要概念的解構(gòu)與分析，教師創(chuàng)設(shè)以下單元學(xué)習(xí)情境：生物學(xué)家們一直有著“可以像組裝機器一樣組配生物”的設(shè)想，這一設(shè)想也推動著他們多年的研究進(jìn)程。有生物學(xué)家預(yù)測：“第一個全人工合成的細(xì)胞可能會在十年內(nèi)出現(xiàn)。如果這個細(xì)胞還能生長、分裂，那將是人類巨大的進(jìn)步?！痹趯W(xué)生對細(xì)胞“零部件”的材料（分子組成）有了了解后，教師提出上述單元學(xué)習(xí)情境，能引發(fā)學(xué)生對其的進(jìn)一步思考。

上述是與科技前沿或者科學(xué)研究有關(guān)的情境，而無論是哪種情境，都必須以問題為導(dǎo)向，通過發(fā)現(xiàn)問題和解決問題來發(fā)揮情境的價值。教師利用“人工合成細(xì)胞”也引出本單元的核心問題：細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)是怎樣的？具有什么特點？要使合成的細(xì)胞行使相應(yīng)的功能，各結(jié)構(gòu)間如何相互形成聯(lián)系、協(xié)調(diào)一致？這也使學(xué)生對其研究進(jìn)展產(chǎn)生繼續(xù)學(xué)習(xí)研究的興趣，為后續(xù)課時的學(xué)習(xí)做好良好的鋪墊。

3 分解課時情境，提出具體問題，通過活動解決問題

在核心問題的引導(dǎo)下，單元情境需貫穿落實到每一課時，成為每一課時學(xué)生學(xué)習(xí)的動力，有效促進(jìn)學(xué)生建立次位概念之間的聯(lián)結(jié)，為核心問題的解決、重要概念的構(gòu)建提供支撐。

教師以“科學(xué)家致力于人工合成細(xì)胞的研究”分解形成課時情境，將由不同科學(xué)家進(jìn)行的科學(xué)研究進(jìn)展作為課時情境。情境引發(fā)的問題指向概念的構(gòu)建，激發(fā)了學(xué)生的興趣，引發(fā)了學(xué)生的思考。基于此，本單元對分解到課時的情境與具體問題、活動，進(jìn)行了整體規(guī)劃設(shè)計。

3.1 “細(xì)胞膜控制細(xì)胞與周圍環(huán)境的聯(lián)系”的設(shè)計框架

指向的概念：SC2.1細(xì)胞都由質(zhì)膜包裹，質(zhì)膜將細(xì)胞與外界環(huán)境分開，能控制物質(zhì)進(jìn)出，并參與細(xì)胞間的信息交流。

課時情境1：據(jù)英國《自然》雜志刊載，2005年美國洛克菲勒大學(xué)的科學(xué)家將能夠生產(chǎn)蛋白質(zhì)的生物分子混合物懸浮在油中，形成微小的顆粒。然后，他們在這些顆粒外包裹兩層磷脂分子，像細(xì)胞膜一樣將生物分子混合物顆粒包裹在其中。

具體問題與活動：像細(xì)胞膜一樣的兩層磷脂分子如何進(jìn)行排布？一個細(xì)胞的細(xì)胞膜是由什么組成的？有什么作用？請根據(jù)科學(xué)史研究，嘗試構(gòu)建細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型。

課時情境2：美國洛克菲勒大學(xué)的科學(xué)家后續(xù)在上述細(xì)胞中加入一種“細(xì)菌”基因。這種基因能控制生成一種名為溶血素的蛋白質(zhì)，該蛋白形狀似桶，能插入細(xì)胞膜形成小孔，環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)便通過這些小孔進(jìn)入“細(xì)胞”，細(xì)胞能連續(xù)數(shù)日生成蛋白質(zhì)。此外，英國帝國理工學(xué)院發(fā)布一項新研究稱，其開發(fā)的新型人工合成細(xì)胞能夠模仿天然細(xì)胞，感知環(huán)境中的化學(xué)變化并產(chǎn)生反應(yīng)。

具體問題與活動：細(xì)胞膜的功能有哪些？在上述構(gòu)建過程中，蛋白質(zhì)發(fā)揮了什么樣的作用？根據(jù)資料，結(jié)合對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的分析，嘗試歸納細(xì)胞膜的作用。

3.2 “細(xì)胞核是生命活動的控制中心”的設(shè)計框架

指向的概念：SC2.3闡明遺傳信息主要貯存在細(xì)胞核中。

課時情境1：第一例“人造細(xì)胞”將人工合成的一種名為蕈狀支原體的細(xì)菌的DNA植入另一個內(nèi)部被掏空的、名為山羊支原體的細(xì)菌體內(nèi)，該細(xì)胞成功繁殖。

具體問題：第一例“人造細(xì)胞”最關(guān)鍵的人造結(jié)構(gòu)是什么？其作用是什么？

課時情境2：諾貝爾化學(xué)獎獲得者托馬斯·R·切赫研究發(fā)現(xiàn)，RNA能將DNA上控制蛋白質(zhì)合成的遺傳信息傳遞給核糖體。但由于分子較大，無論DNA還是RNA（推理還有蛋白質(zhì)）均無法穿過人工合成的磷脂雙分子層。

具體問題與活動：結(jié)合細(xì)胞分類特點及細(xì)胞核化學(xué)組成資料，推測真核細(xì)胞核的可能結(jié)構(gòu)。并分析核膜上可能具備什么結(jié)構(gòu)能完成核質(zhì)間遺傳信息的傳遞。根據(jù)科學(xué)史實驗，分析細(xì)胞核的功能。

3.3 “細(xì)胞質(zhì)是多種生命活動的場所”的設(shè)計框架

指向的概念：SC2.2闡明細(xì)胞內(nèi)具有多個相對獨立的結(jié)構(gòu)，擔(dān)負(fù)著物質(zhì)運輸、合成與分解、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞等生命活動。

課時情境1：美國洛克菲勒大學(xué)的科學(xué)家用兩層磷脂分子包裹著能夠生產(chǎn)蛋白質(zhì)的生物分子形成微小的顆粒，這樣“人造細(xì)胞”就誕生了。這種“人造細(xì)胞”具備將氨基酸合成蛋白質(zhì)所需的一切機制，可生成具有工業(yè)和醫(yī)學(xué)價值的蛋白質(zhì)。

具體問題與活動：能生產(chǎn)蛋白質(zhì)的生物分子混合物是什么？其分布于哪些場所？生產(chǎn)的蛋白質(zhì)分布于細(xì)胞的哪些結(jié)構(gòu)？請借助透射電鏡照片、熒光顯微鏡照片，學(xué)習(xí)細(xì)胞質(zhì)各結(jié)構(gòu)的特點及功能。

課時情境2：日本科學(xué)家在實驗室中培育出了一種能夠像植物一樣進(jìn)行光合作用、制造能量的人工合成細(xì)胞。

具體問題與活動：日本科學(xué)家制造的該人工合成細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上應(yīng)有哪些？根據(jù)所學(xué)細(xì)胞質(zhì)的內(nèi)容，畫出能像植物一樣進(jìn)行光合作用的人工合成細(xì)胞圖紙。

3.4 “細(xì)胞在結(jié)構(gòu)和功能上是統(tǒng)一的整體”的設(shè)計框架

指向的概念：KC2細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)既分工又合作，共同執(zhí)行細(xì)胞的各項生命活動。

課時情境1：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究項目“基于磷脂組裝體的人造細(xì)胞的構(gòu)建”，在人工細(xì)胞膜、非球形細(xì)胞器的人工模擬、復(fù)雜人工合成細(xì)胞、以及人工合成細(xì)胞的群體行為等方面均有研究進(jìn)展。

具體問題與活動：細(xì)胞內(nèi)需要磷脂進(jìn)行構(gòu)建的細(xì)胞結(jié)構(gòu)有哪些？這些結(jié)構(gòu)之間有什么聯(lián)系？以分泌蛋白的合成和分泌過程為例，結(jié)合透射電鏡圖，通過小組討論分析生物膜系統(tǒng)是如何進(jìn)行協(xié)調(diào)配合的？通過生物膜形成的各區(qū)室有何意義？

以上是基于“人工合成細(xì)胞”的單元情境和核心問題，設(shè)計指向重要概念的結(jié)構(gòu)化、分層次的課時具體問題和活動。課時情境都根據(jù)“人工合成細(xì)胞”的研究案例與進(jìn)程，圍繞單元情境設(shè)計與展開，逐步地擴(kuò)展、充實與明晰。而學(xué)生在通過活動分析問題、解決問題的過程中，便能更好形成對重要概念的理解，在情境中理解問題，問題中內(nèi)化情境，促進(jìn)思維的發(fā)展。

4 回歸單元情境，拓展問題廣度，發(fā)展批判性思維

在情境教學(xué)中，教師需要考慮單元整體教學(xué)結(jié)束時如何利用情境進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪w移與拓展。生物科學(xué)包含了豐富的自然哲學(xué)思想，教師如果在教學(xué)中自然地滲透學(xué)科綜合思想，這對于學(xué)生形成科學(xué)世界觀、正確人生觀具有重要意義。

在“科學(xué)家致力于人工合成細(xì)胞的研究”的單元主線情境中，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生展開一場思辨：①基于單元情境素材，你覺得人工合成細(xì)胞研究的主要意義有哪些？除了構(gòu)建細(xì)胞的結(jié)構(gòu)外，其研究最大的難點會是什么？②“人工合成細(xì)胞”這一突破不僅在科學(xué)界，在宗教、倫理等諸多領(lǐng)域都引起了強烈的反響，有人提出人類可以扮演“上帝”的角色，成為“造物主”，你認(rèn)同這一觀點嗎？

這些問題顯然在課堂上是一時難以解決的，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過運用多媒體網(wǎng)絡(luò)查閱資料后，進(jìn)行深入思考與分析，并展開對這些問題的辯論。教師創(chuàng)設(shè)思辨性的情境促進(jìn)學(xué)生思辨問題；利用思辨性對話來構(gòu)建學(xué)生立體思維方式；借助辯論過程培養(yǎng)了學(xué)生的批判性思維，訓(xùn)練了學(xué)生的語言表達(dá)能力，也為大概念“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實現(xiàn)增殖”的學(xué)習(xí)做鋪墊。

總之，一個有效的單元整體教學(xué)設(shè)計是圍繞一個真實情境展開，讓學(xué)生在這個貫穿全過程的情境中進(jìn)行思維的過程。貫穿整個單元的核心問題主線將情境與具體問題緊密結(jié)合，從而實現(xiàn)學(xué)生對重要概念的意義建構(gòu)，提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。