運用大單元教學形成大概念解決新情境下的問題
——以“基因工程”為例

北京 曹文竹

(作者單位：北京市懷柔區(qū)第一中學)

學科核心素養(yǎng)導向下的“大單元教學”設計，要充分建立學科核心素養(yǎng)與學科核心內容之間的關系，使學科核心素養(yǎng)具體化。依據《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)和教材，整合教學目標；選擇恰當?shù)那榫乘夭?，設計學習評價與遞進性任務活動；以大概念為核心，開展課堂教學。大單元教學目標的整合、制訂與達成可以使教學思路整體化、結構化，培養(yǎng)學生的科學思維，提升學生在真實情境下解決問題的能力?！按蟾拍睢笔菍⑺仞B(yǎng)落實到具體教學中的錨點，充分理解大概念可達成高通路知識遷移，形成具體與抽象交錯的復雜認知結構，有助于學生解決新情境下的問題。筆者將以大單元教學“基因工程”復習課為例，談如何運用大單元教學形成大概念解決“2021年河北省普通高中學業(yè)水平選擇性考試第24題”情境下的問題。

一、教學目標及評價目標設計

1.單元教學內容分析

本單元位于新人教版教材選擇性必修3 《生物技術與工程》的第3章。對應《課程標準》中的4個較為具體的概念，本單元對應概念5“基因工程賦予生物新的遺傳特性”。本書的前3章分別對應概念3、概念4、概念5，從個體水平、細胞水平、最終到分子水平，層層深入。

本章內容涉及兩大核心技術：重組DNA技術和蛋白質工程。其中，重組DNA技術涉及4個次位概念，分別從基因工程的誕生和發(fā)展、DNA重組所需的工具、基因工程的基本操作、基因工程的應用與延伸等方面闡述基因工程賦予生物新的遺傳特性。本章內容是對育種相關內容的補充，相對于雜交育種、誘變育種，基因工程育種更微觀、更抽象。

2.學情分析

通過對必修1、必修2的學習，學生能認識到生物學概念是基于科學事實，經過歸納與概括、演繹與推理等方法形成的；能理解分子與細胞、遺傳與進化等相關概念的內涵；并且通過對必修2第4章、第5章的學習，學生了解到基因控制性狀的分子學機理、遺傳和變異的本質，了解到基因通過指導蛋白質的合成控制生物的性狀。然而，在必修2第6章的學習中，學生了解到不同物種在自然狀態(tài)下不能夠自由交配產生可育后代，因而不能發(fā)生基因交流，即抗蟲棉不能夠通過雜交獲得，與生物“新”的遺傳特性的獲得產生認知沖突。必修2第4章的學習內容微觀、抽象，學生不能動手實踐，故難以理解。而在基因工程的學習中，教師可以盡量為學生提供動手實踐的機會，在復習過程中，聯(lián)系所學知識，整合必修2的相關內容。綜上，基因工程的學習與復習有助于學生對必修2內容的進一步理解與整合。

3.教學目標及評價目標設計

根據上述相關內容，結合《課程標準》、教材，以《中國高考評價體系》為導向，筆者制定的教學目標及對應評價目標如圖所示。

二、大概念在大單元教學中的滲透

1.多次問答了解學生的前概念

大概念的構建可通過以核心概念(次位概念)為單位，采用多次問答、羅列小概念等方式對學生的前概念進行調查與復習。例如，核心概念“DNA重組技術的實現(xiàn)需要利用限制性核酸內切酶、DNA連接酶和載體三種基本工具”，可以設置問題：(1)DNA重組技術需要對DNA進行剪切、重組、運輸，分別對應什么工具？(2)剪切過程的工具作用于DNA的什么結構？作用結果是什么？(3)重組DNA過程的工具作用于DNA的什么結構？作用結果是什么？(4)如何在提高重組DNA連接效率的同時降低重組DNA連接的錯誤率？(從剪切結果考慮)(5)作為重組DNA的運輸工具需要具備(提供)哪些條件？

2.以核心概念為線索創(chuàng)設情境

本單元核心概念以基因工程的發(fā)展為線索，包括基因工程的誕生、DNA重組所需的工具、基因工程的基本操作、基因工程的應用與延伸、蛋白質工程五個方面。在闡明基因工程的原理及應用的同時，更存在著基因工程與遺傳學、微生物學、蛋白質工程學等其他學科之間的聯(lián)系。教師在考慮創(chuàng)設情境時，可以聯(lián)系多個學科背景，依據基因重組的原理進行創(chuàng)設。在創(chuàng)設情境中，教師還可以考慮讓學生自己設計實驗目的，初步體會“大概念”。

【例1】結合資料1、資料2運用基因工程技術，嘗試提出初步的工程學構想，并進行簡單的設計。(提示：明確實驗目的，找準目的基因，運用三個基本工具，按照操作流程，獲得目的細胞系并培養(yǎng))

【資料1】CRISPR/Cas9基因編輯技術，是對靶向基因進行特定DNA修飾的技術。CRISPR/Cas9系統(tǒng)是一種人工設計的sgRNA(小向導RNA)與Cas9核酸酶組成的復合物，該復合物可和DNA分子中與sgRNA相同序列的區(qū)段特異性結合并對其進行切割。

【資料2】甲狀腺激素受體相關蛋白3(THRAP3)基因位于人類1號染色體短臂上，為進一步了解THRAP3基因功能，科研人員欲對人類肝癌細胞HepG2的THRAP3基因進行定向敲除。

3.建立核心概念體系

依托新情境，以核心概念為線索，逐一梳理，找到核心概念下“小概念”之間的聯(lián)系，形成核心概念體系，最終形成“大概念”。

分析例1情境，CRISPR/Cas9基因編輯技術是以分子生物學為基礎，針對人類肝癌細胞進行定向基因改造(敲除THARP3基因)，涉及動物細胞培養(yǎng)和基因工程。用基因工程的三個基本工具，按照基因工程的四步操作程序獲得人類肝癌細胞HepG2的THRAP3基因敲除細胞系，即通過基因工程獲得人類意愿賦予的新遺傳特征的細胞系。

在設計上述獲得基因敲除細胞系的實驗過程中，應全面考慮所涉及的學科技術；根據實驗目的及作用特點細化基因工程的三個基本工具；注重特定情境中基因工程四步操作程序的選擇，例如本情境中目的基因的獲取，采用的是根據THRAP3基因進行人工設計sgRNA，而并非從基因文庫中獲取。因此在構建核心概念體系的過程中，應注意在建立核心概念之間的聯(lián)系的同時，注意區(qū)分“小概念”間的異同。

三、多情境交互認知理解“大概念”

提供多個情境，分析內在聯(lián)系，理解“大概念”。例如轉基因抗蟲棉的獲得(教材情境)、人類肝癌細胞HepG2的THRAP3基因敲除細胞系(例1情境)、合成人胰島素的大腸桿菌、轉基因高產大豆是否有害身體健康(社會熱點話題)等多情境交互出現(xiàn)，學生區(qū)分動物、植物、微生物在基因工程操作過程中的異同點，總結基因工程對生物的影響，生成“基因工程賦予生物新的遺傳特性”的“大概念”。

四、運用“大概念”解決新情境中的問題

【例2】(2021年，河北省普通高中學業(yè)水平選擇性考試，第24題節(jié)選)采礦污染和不當使用化肥導致重金屬鎘(Cd)在土壤中過量積累。利用植物修復技術將土壤中的Cd富集到植物體內，進行后續(xù)處理(例如，收集植物組織器官異地妥善儲存)，可降低土壤中Cd的含量。為提高植物對Cd污染土壤的修復能力，研究者將酵母液泡Cd轉運蛋白(YCF1)基因導入受試植物，并檢測了相關指標。

回答下列問題：

(1)為獲取YCF1基因，將酵母細胞的全部DNA提取、切割后與載體連接，導入受體菌的群體中儲存，這個群體稱為________。

(2)將DNA序列插入Ti質粒構建重組載體時，所需要的兩種酶是________。構建的重組基因表達載體中必須含有標記基因，其作用是________。

(3)進行前期研究時，將含有YCF1基因的重組載體導入受試雙子葉植物印度芥菜，采用最多的方法是________。研究者進一步獲得了轉YCF1基因的不育楊樹株系，采用不育株系作為實驗材料的目的是________。

【新情境分析】

閱讀題干信息可知，土壤重金屬污染問題為生態(tài)學問題，“研究者將酵母液泡Cd轉運蛋白(YCF1)基因導入受試植物”又考查了基因工程的相關內容。通讀題目信息，確定本情境具體目的是采用基因工程賦予雙子葉植物印度芥菜酵母液泡的Cd轉運功能，從而將土壤中的Cd富集到植物體內，降低土壤中Cd的含量，即利用基因工程解決生態(tài)學問題。于是鎖定“大概念”為“基因工程賦予生物新的遺傳特性”，從而展開“大概念”下的核心概念體系聯(lián)想，不難發(fā)現(xiàn)，本題(2)和(3)的第二問考查了次位概念(核心概念)，(1)和(3)的第一問考查了“小概念”。

五、教學反思

“大概念”的形成需要通過前概念的掌握、核心概念的加工與整合、大單元內容的整合等在教學過程中逐步滲透。多情境的交互認知，有助于學生對“大概念”的理解，形成高通路知識遷移，有利于新情境下的問題分析。

基于“教、學、評一致性”理念的教學設計更加注重以學生為中心，在學習目標的指引下，評價目標更加具體、可操作，能夠有效幫助教師掌握學生的學習情況。因此，評價目標的設計應優(yōu)先于教學過程設計，復習課應該注意與教材、《課程標準》、學情分析的結合，在形成“大概念”的過程中，制定精準、有效的大單元學習目標和評價目標，從而有效地形成“大概念”。在解題過程中通過確定考查的“大概念”，確定新情境的考查范圍，最終精準確定考查的核心概念體系。