理解為先單元教學設計
——以“光合作用將光能轉化為化學能”為例

（溫州市教師教研院 浙江溫州 325000）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》提出：“課程內容聚焦大概念”。大概念教學能有效地組織起學科零碎化的知識與技能，幫助學生有意義地建構知識，以及遷移運用在新情境中，使得學生思維超越事實和活動，達到更高的層次。大概念的理解與運用直接體現了學科核心素養的要求。

美國教改專家格蘭特·威金斯提出的“理解為先的教學設計模式”（Understanding by Design，簡稱UBD）。他認為，好的教學在開始時就有明確的預期學習結果，還要有學習真實發生的證據。UBD提出“逆向設計”的三個步驟：明確的預期結果、確定恰當評估辦法、規劃相關教學過程。即所倡導的單元整體設計與高中生物新課標倡導的“內容聚焦大概念”的理念不謀而和。

1 明確預期學習結果

預期的學習結果是依據課標和需要持久理解的內容，預測學生在學完本單元之后應該知道什么，能夠做什么，什么內容需要深入持久的理解。故本環節教師需要明確課標的要求，以及學習遷移、理解意義、掌握知能三方面內容。

1.1 了解課標要求

①通過分析葉綠體的結構及其中的物質轉變與能量轉化過程，建立結構與功能觀、物質與能量觀。②通過實驗，學會綠葉中色素的提取與分離的方法、知道色素的種類及吸收的光譜。③通過分析、探究不同環境因素對光合作用的影響，讓學生學會根據問題設計實驗，養成基于實驗事實和證據做出合理判斷的思維習慣和能力。

1.2 學習遷移

①學生能自主地將所學知識用于解決現實中的問題：能運用光合作用的相關原理、科學方法提出在農業生產上提高作物產量的具體舉措。

②學生將獲得持久的、自主的學習成果：能根據真實問題情境，提出有價值的、可探究的問題，建立合理的假設，設計并實施恰當可行的方案，如實記錄實驗結果，并進行科學的分析與評價；能運用科學術語精確闡明實驗結果，善于溝通，開展有效合作；能認同“光合作用與細胞呼吸”的辯證關系，建立物質與能量觀、結構與功能觀，理解“生物代謝與普通化學反應”辯證關系，了解生命的特殊性與物質性；能基于實驗結果通過邏輯推理闡明個人立場，做出科學決策。

1.3 理解意義

①學生將深入持久地理解的概念：葉綠體含葉綠素、類胡蘿卜素兩大類光合色素，主要吸收的光譜是紅光區與藍紫光區；光合作用的光反應、碳反應階段分別在葉綠體的類囊體與基質中發生；光照強度、溫度、CO2濃度是影響光合速率的主要環境因素，這些因素與光合速率有數量關系；光合作用與細胞呼吸的場所、階段、途徑均不同，兩者是辯證統一的。

②學生將不斷思考的核心問題：生物如何實現結構與功能相適應？如何根據目標設計、實施實驗方案，并根據實驗結果進行科學的分析？為了便于研究如何將復雜的生理過程分解為若干個階段？如何建構自變量與因變量的數學模型？如何對概念進行比較？

1.4 掌握知能

①學生該掌握的知識是：光合作用的功能、反應式、階段、場所和產物；比較光合作用與細胞呼吸的異同；葉綠體的結構與光合色素的種類及吸收光譜；光反應、碳反應的過程；影響光合速率的環境因素及其數量關系。

②學生應發展的能力是：學會發現問題、提出假設、科學設計實施實驗、用不同的形式記錄實驗結果，對實驗結果做出合理化解釋；學會利用工具、試劑進行物質的提取與分離的方法；學會對生物學的相關問題，從多個角度綜合分析進行判斷的方法。

2 確定恰當評估辦法

本階段讓教師能有效地監控學生學習過程中已達到的理解程度。在規劃教學活動之前，教師首先要確定能夠證明學生已經獲得理解的有效證據，每個學習單元設置一定的評估標準，利用標準評估反饋，了解學生的學習情況，并進一步指導自身的教學活動。

2.1 評估標準

評估的基本標準有：符合生物學原理，構思科學，方法獨到，細節到位，解釋清晰、邏輯合理。發展性評估標準為：論證有力，闡述清晰。

2.2 將用哪些表現說明學生實現了理解

①能解釋：葉綠體的哪些結構與光合作用的功能相適應？光飽和點、CO2飽和點出現的原因是什么？植物午休的原因是什么？“正其行，通其風”為什么可以提高農作物的產量？

②能設計實驗記錄：在自然光下、鐘罩內的天竺葵24 h光合速率變化，并用坐標圖表示。

③能闡述：假如你擁有一片甌柑地，你如何提高其產量？

此外還能：創造性地設計實驗，并用不同的方法記錄數據；在探究活動中對本組的貢獻度；對光反應與碳反應階段的相關知識進行隨堂測試。

3 安排相關的教學過程（核心學習和教學活動總結）

本階段中，教師需要安排相關的教學活動和學習體驗，使其與前兩個階段的預期目標及評估方式保持一致。學生要實現學習遷移和理解目標的關鍵是學生能完成以下2個問題：①綜合分析光合作用與細胞呼吸兩個核心問題，提出提高農作物產量的可行性方案。②綜合思考影響光合速率的多個環境因素如何提高光合速率。

3.1 前測

教師設計“K-W-L（已知的—想知的—本次學到的）”表，了解學情并制訂學習目標。

請回顧初中已學光合作用的知識：

（1）寫出光合作用的總反應式；說出原料、產物、條件、場所；根據反應式分析影響光合作用速率的內因與外因。

（2）選擇其中一個環境因素嘗試完成以下環節：①提出問題，建立假設；②設計，實施可行性方案；③選擇恰當的方法記錄實驗結果；④客觀地分析與評價實驗結果；⑤運用科學術語精確分享自己的結論。

3.2 教學活動

任務1：基于情境，提出有價值、可探究的問題。

情境：甌柑是溫州重要特產，民間素有“端午甌柑似羚羊”美談，為歷代朝廷貢。如果你有一片甌柑果園，會如何提高產量？

活動1：將上述任務分解為可探究問題：如何提高光合速率、降低細胞呼吸？

活動2：設計表格比較光合作用與細胞呼吸。

①可以用哪些形式對兩者進行比較，請選擇最清晰的表達方式。

②說明兩者為什么不是可逆反應。

③比較生命體的代謝與普通化學反應的異同，說明生命體與自然的獨特性與統一性。

教學活動總結：“如何提高甌柑產量？”這個真實任務與本節教學目標相關聯，促使學生直面真實情境，根據情境提出可探究的問題，培養探究能力和社會責任。通過比較細胞呼吸與光合作用，學生領悟：光合作用與細胞呼吸辯證統一的關系；細胞代謝與一般的化學反應區別。

任務2：探究環境因素對光合作用的影響。

初中學生在個體水平學習光合作用，知道其原料、產物、條件、場所。唯物辯證法認為：影響事物的發展是內外因共同作用的結果，外因通過內因起作用。

活動1：定性分析影響光合速率的因素。

①影響因素可分為內、外因，討論確定影響光合作用的內外因，再確定主要的環境因素。

②光合色素是影響光合速率重要的內因，通過實驗提取、分離光合色素，了解光合色素的種類、顏色以及吸收的光譜。

活動2：建立環境因素與光合速率數學模型。

①猜測環境因素與光合速率的數量關系，設計并實施可行的方案（分組確定不同環境因素進行探究；組員能主動合作，推進探究方案和實施）。

②每組陳述實驗探究過程及實驗結果（用科學的術語精確闡明）。

③針對光照強度、溫度、CO2濃度三大環境因素，逐一分析提高甌柑產量的解題舉措。

教學活動總結：教師引導學生了解科學探究的“定性→定量”路徑，知道“外因是通過內因起作用的”辯證觀點。“探究環境因素對光合作用強度的影響”是通過采集、整理與分析實驗數據，建立環境因素與光合速率之間量化關系，引導學生開展數學建模。圖1、圖2、圖3表示了由單一變量到多因子變量的過程，教師可以利用這三個圖引導學生提升思維，實現預期的學習目標。

任務3：探究光反應、碳反應兩個階段。

情境：為什么會出現光照強度、CO2的飽和點？生物的功能是由一系列復雜的生化反應實現的。要了解光、溫度、CO2等主要的環境因素對光合速率影響的生理機制，必須深入了解光合作用的一系列中間過程。為了便于研究細胞呼吸的中間過程，根據其在線粒體的不同部位的生化反應，人為分為三個階段。據此類比推理，光合作用也可以在根據在葉綠體的不同部位的反應，人為分為光反應與碳反應兩個階段。

活動1：閱讀教材了解光反應與碳反應的過程。

①比較光反應、碳反應。

②在圖4的箭頭處填寫物質，說明Ⅰ、Ⅱ的生理過程。

③說明ATP在光反應、碳反應的能量傳遞中的作用。

活動2：設計表格比較光反應與碳反應的異同。

教學活動總結：教師引導學生從細胞呼吸類比，推理至光合作用的過程也存在中間途徑、中間產物，從而使學生領悟：①生物的代謝之于一般的化學反應的特殊之處；②光合作用與細胞呼吸的辯證統一關系；③學會用表格比較概念。

任務4：回歸起始問題：根據以上的學習，若要提高甌柑的產量，有哪些具體的措施？

情境：采集記錄該甌柑園24 h內，各環境因素（溫度、光照強度、CO2的濃度）的變化的數據，并繪制坐標圖（圖5），Ⅰ為溫度變化、Ⅱ為光照強度變化、Ⅲ為植物吸收CO2量的變化。

活動1：應如何提高甌柑的產量？

①如何讀圖？（找出曲線中的拐點，分析原因）；據圖，先分析單一環境因素，再分析各環境因素對甌柑產量的綜合影響。

②說明Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲線的相關性。

③針對野外自然狀態與溫室大棚兩種情況，如何提高甌柑的產量？

活動2：在土地資源有限的情況下，甌柑地還可種植其他的作物來提高畝產，如何提高畝產？

①光照：考慮光照強度、光照時長、單位面積光能利用率，提高光照長度、單位面積光能利用率，可利用輪種、套種、間作的手段，提高光能在時空兩個維度上的利用率。

②溫度：可采取適當降低夜間的溫度，減弱細胞呼吸從而降低夜間有機物的消耗。

③CO2濃度：施有機肥可增加田間CO2濃度，“正其行、通氣風”，可利用空氣中彌補田間CO2濃度等。

教學活動總結：通過數據繪制的坐標圖，學生學會：①分析問題時，需要通過實驗獲得數據，根據數據科學分析解決問題的方法；②綜合分析光合速率與細胞呼吸；③綜合考量影響光合速率與細胞呼吸的各環境因素對植物有機物量總體影響。這個過程可以讓學生學會解決真實情境的問題的路徑。

4 “逆向設計”的思考

UBD是根據學習目標的“逆向設計”，具有目標明確、教師容易掌握的特點。教師要根據學生的認知邏輯，立足于發展學生解決實際問題的能力，由表及里逐步展開教學。大概念是確定單元的重要依據，但確定單元更應該遵循的是學生的認知特點，以學生學習的真實發生為先，進行教學設計。一個單元一般都需要幾節課才能完成，教師在進行“逆向設計”時，需酌情考慮單元教學設計與課時教學設計之間的銜接，可利用課前、課后的作業較好地將課時教學與單元教學進行連接。