學科核心素養視域下高中生物學單元教學設計
——以“發酵工程”為例

胡有紅

（江蘇省揚州中學 江蘇揚州 225009）

2014年3月，教育部印發的《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》中指出：“把核心素養落實到學科教學中，促進學生全面而有個性的發展。”《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》）指出生物學學科核心素養從屬于核心素養，這為學科課堂教學改革指明了方向。隨著課程改革的持續實踐探索，單元教學設計被認為可以為學生學科核心素養的全面發展提供良好平臺。

1 學科核心素養視域下高中生物學單元教學設計的內涵闡釋

1.1 高中生物學單元教學設計

高中生物學單元教學設計是以單元為單位進行的教學設計，既是課程開發的基礎單位，也是課時開發的背景條件。具體來說，高中生物學單元教學設計是在系統思維的指導下，基于對教材內容的整體思考，根據《課程標準》的要求和學生發展的需求，對教學內容所做的整體規劃，在該規劃藍圖指導下編制單元目標和課時目標，設計連續的課時教學方案，開展過程性評價等，較好地將碎片化的知識通過重組和統整，形成系統結構，避免了學生的重復勞動，同時能夠激發學生學習的內驅力，從被動的知識接受者轉變為問題的主動探究者，落實學科核心素養的要求。

1.2 生物學學科核心素養

核心素養是統整性的素養，是學生應具備的適應終身發展和社會發展所需要的必備品格和關鍵能力。學科核心素養是核心素養在學科層面的具體化，是學科本質和教育價值的體現，其源自學科的本質、性質、特點、功能和任務，是學科教育的出發點和落腳點。生物學學科核心素養是在生物學課程學習過程中逐漸進階發展的，需要“隨風潛入夜，潤物細無聲”的浸潤過程。高中階段的生物學學科核心素養是學生在解決真實情境中的問題時表現出來的價值觀念、必備品質與關鍵能力，包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任4個方面。學生在單元整體學習活動中，通過探究實踐主動學習，促進科學思維、科學探究等學科核心素養的提升，也促進生命觀念、社會責任學科素養的達成。

1.3 學科核心素養視域下高中生物學單元教學設計

如果將生物學教學比喻成一棵樹，則樹根是核心素養，是樹成長的基礎；樹干是單元設計，具有整體性；樹枝是課時教學，始終圍繞著樹干生長。因此，學科核心素養視域下的單元整體教學設計不是將單元內知識或單一課時的教學內容簡單堆疊，而是具有以下方面的超越：①高中生物學單元教學目標的設計著眼于學生的生物學學科核心素養的全面發展。單元教學設計從《課程標準》的要求和學生發展核心素養的需求出發，有助于實現核心素養這一上位課程目標轉化和對接為具體教學內容和課時目標。②單元教學在大情境的引領下，將教學內容重構、整合，關注知識點之間的邏輯關聯，設計并實施單元整體教學，評價貫穿于教學環節，實現教-學-評一體化。③教師要引領學生自主建構知識體系，給學生創造足夠的空間，實現深度學習，促進學生自主建構大概念，培養學生綜合思維能力，使學科核心素養實現進階。具體實施路徑如圖1所示。

圖1 單元教學設計路徑

2 學科核心素養視域下高中生物學單元教學設計的實踐探索

下面以蘇教版《選擇性必修3·生物技術與工程》中“發酵工程”內容為例，探索單元教學設計。

2.1 聚焦生物學大概念，整合優化單元學習內容

“發酵工程”內容既是對必修內容“細胞呼吸”的擴展和應用，也是對生物技術和工程的認識和理解，更偏重于實際應用。此部分內容聚焦核心概念“發酵工程利用微生物的特定功能規模化生產對人類有用的產品”，包括2個次位概念：“獲得純凈的微生物培養物是發酵工程的基礎”和“發酵工程為人類提供多樣的生物產品”。本單元學習內容從“傳統發酵技術”入手，沿著科技探索歷程，逐步進入“現代發酵工程”，現代發酵工程從基礎、過程、應用3個方面展開教學，學生對比傳統發酵技術與現代發酵工程的異同點和聯系，通過“邊做邊學”“走進實驗室”等活動，提升實踐操作能力。因此，本單元知識結構圖構建如圖2所示。

圖2 單元知識結構圖

2.2 指向發展生物學學科核心素養，制訂單元學習目標

①針對傳統發酵食品的制作，結合發酵工程生產產品的實例，通過調查、討論、實驗等科學探究活動，闡述傳統發酵技術和現代發酵工程的異同，培養對比與分析、遷移和歸納等思維能力。

②在理解利用不同培養基可分離純化、培養不同微生物且不同微生物合成產物不同的基礎上，形成物質與能量觀等生命觀念，并根據不同微生物的特點，解釋農業、工業、環境等領域的相關現象。

③基于微生物生長和合成產物的特性，能運用歸納、概括和推理等科學思維方法，分析自然發酵和發酵工程生產產品的條件，闡釋工程技術和微生物發酵有機結合的內涵，建立技術思維和工程思維。

④主動關注農業、工業和環境保護等領域的公共問題，運用發酵工程原理，提出解決問題的方法或建議，認同科學、技術與工程的聯系，培養社會責任感。

2.3 基于單元整體知識體系和學習目標，實施課時教與學

學科核心素養視域下的單元整體教學設計是以達成單元整體學習目標為指向，落腳在課時教學，因此教師重構單元整體內容后，還需要再分成若干課時，每一課時均圍繞情境提出問題，開展活動，完成任務。學生通過自主學習、合作交流、探究實踐等活動，獲取知識、發展思維、提升素養，實現思維和素養的連續性和進階性螺旋上升。

2.3.1 課時1：傳統發酵技術和產品

教師聯系傳統文化有關酒的詩句“葡萄美酒夜光杯，欲飲琵琶馬上催”“蘭陵美酒郁金香，玉碗盛來琥珀光”創設情境，導入新課：葡萄酒制作所需的菌種主要是什么？釀造過程中如何防止雜菌污染？日常生活中還有哪些食品是通過自然發酵制作的？制作中所用的微生物是否相同？

學生在課堂學習果酒和果醋制作的原理，并列表對比兩者的異同點；課后開展實踐，嘗試制作果酒和果醋。同時，學生分小組，開展研究性學習“調查身邊的發酵產品”。小組代表在全班進行交流，分析、歸納、總結利用傳統發酵制作的產品，以及與利用發酵工程生產的產品有何不同。

設計意圖：教師利用傳統文化詩句導入新課，既能激發學生學習興趣，又能有機融合科學思維和人文素養的培養。通過對傳統發酵技術產品，如果酒、果醋、泡菜、酸奶等的調查，學生能認識到發酵技術與日常生活緊密聯系，樹立學以致用的觀念。

2.3.2 課時2：發酵工程的無菌技術

教師聯系學生的生活，創設情境，引導學生思考：為防止新冠病毒傳播和感染，核酸檢測成為一種重要措施。醫生在采樣前后都會噴酒精，對手部和桌面進行消毒。和核酸檢測時消毒一樣，各種發酵工程所用的器具和設備也要滅菌，以保證發酵工程所需的無菌條件。那么，消毒和滅菌的條件和結果分別是什么？常用的方法又有哪些？具體是如何進行滅菌和消毒的？

學生自主學習課本有關消毒和滅菌的內容，并對比消毒和滅菌的條件和結果；在實驗室觀察高壓蒸汽滅菌鍋的結構，觀看視頻，學習具體的使用方法。

教師追問：在我們生活的環境中有很多微生物，有些微生物可能會使人患病，為防止疾病傳播和交叉感染，公共場所和家庭常會采取一定措施進行消毒或滅菌。通過調查和查閱資料，列舉公共場所和家庭中常見的消毒或滅菌的方法，并嘗試解釋這些措施的原理。

設計意圖：核酸檢測的案例可以使學生明白無菌和消毒在日常生活及醫學中的重要性。在高壓蒸汽滅菌的學習過程中，教師要對學生進行安全性教育。為防止疾病傳播和交叉感染，學生通過調查和查閱資料，了解一些常見的消毒或滅菌的方法，樹立了健康生活的觀念，培養了社會責任感。

2.3.3 課時3：發酵工程的培養基

教師提供資料：微生物需要從生活環境中獲取各種營養物質，以維持自身的生命活動。微生物的代謝方式不同，因此對營養物質的需求會有差異。在培養微生物時，可以根據微生物生長繁殖和代謝的需要，將各種營養物質混合在一起，配制培養基。并提出問題：培養基的基本成分和特殊成分有哪些？培養基按照物理性質、功能或成分來源等分類，分別有哪些類型？在實驗中，配制培養基的活動程序是什么？培養基配制后為什么要立即進行滅菌？已滅菌的培養基如何進行無菌檢查？

學生開展實驗探究——配制馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基，明確實驗探究的目的要求和活動程序。在動手實踐的基礎上，師生共同分析培養基的基本成分、特殊成分，并按照不同的分類標準，明確培養基的類型。

設計意圖：通過配制馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基，學生對培養基有直觀體驗，從而將枯燥的知識內容轉化為真實的實踐過程，所學知識有體驗性和生動性，并為接下來學習培養基的分類等知識奠定基礎。

2.3.4 課時4：微生物分離和純化的常用方法

教師聯系學生的日常生活，引導學生思考：夏天，有3位同學相約去吃冰激凌。之后，兩人都出現腹瀉現象，于是他們懷疑冰激凌中的大腸桿菌含量超標。請思考檢測此冰激凌中大腸桿菌的實驗思路。在實驗中獲得了目標微生物的純培養物，如果需要保留至以后使用，應該如何保存？如果不需要保留，應該如何處理？

學生自主閱讀課本，學習平板劃線法和稀釋涂布平板法，然后動手操作大腸桿菌的分離和純化。小組合作討論，利用所學知識，設計檢測冰激凌中大腸桿菌的實驗設計思路。

設計意圖：通過設計實驗思路，學生對實驗方案進行交流、評估，培養了嚴謹的邏輯思維和批判性思維，使學習由知識本位轉向知識本質，提升探究能力、發展科學思維，實現深度學習。

2.3.5 課時5：發酵工程的應用

教師創設情境，提出問題：我國是世界上啤酒的生產和消費大國。啤酒是以大麥為主要原料經酵母菌發酵制成的，工業化生產流程包括主發酵和后發酵兩個階段。發酵工程的主要流程有哪些？發酵工程在多個領域服務于人類的生活，創造出極大的價值，請查閱資料，班級匯總后探討交流。

學生小組討論，思考以下問題：微生物菌種資源豐富，選擇發酵工程用的菌種時，需要考慮哪些因素？怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？在產物分離和提純方面，發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些改進之處？并查閱資料，在班級交流發酵工程在多個領域的應用實例。

設計意圖：教師創設情境，鼓勵學生探索與生活實踐相關的產品其生產原理，激發學生探索的欲望，將課堂的被動接受學習轉為積極主動參與，通過實踐、查閱資料，培養學生搜集、整理資料的能力，真正實現學生生物學學科核心素養的進階。

2.4 基于學生的課堂表現、作品或成果，實施教-學-評一體化

在實施單元學習過程中，評價是不可或缺的。評價的主體可以是教師、學生和家長，既有終結性評價，也有過程性評價。評價的方式有習題考查、有作品展示、有成果匯報……例如，在配制馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基實驗中，教師可從操作的規范性和安全性、勞動的參與性和積極性、小組合作的氛圍、實驗報告的撰寫等方面及時給予點評，從而發展學生的生物學學科核心素養。

3 學科核心素養視域下高中生物學單元教學設計的價值意蘊

3.1 促進學生深度學習

學科知識應當是系統的、整體的，而非碎片式的，因此學生學習不能停留在記憶一些零散的學科事實層面，而應通過單元整體學習，突破單一課時的局限，實現知識的連貫性，在大概念的統攝下，對事實進行抽象和概括，主動參與概念和知識框架的意義建構。教師要創設情境，使學生更接近知識本質和智慧內核，使學生實現深度學習，促進學生高階思維的發展。教師引導學生靈活運用所學知識，順利地從一個情境遷移到另一個新情境，解決未知的新問題。

3.2 發展學科核心素養

學科核心素養是新課程的目標追求，是課程改革的核心，發展學生學科核心素養是為學生適應未來生活，解決現實世界問題，勇擔社會職責奠定基礎。懷特海曾說：“當一個人把在學校學到的知識忘掉，剩下的就是教育。”因此，課堂教學要以人為本，關注學生的素養發展，讓課堂教學成為學生成長之路的動力源。教師利用單元整體教學，促進學生認知、情感和道德的整體發展，促進課程向學生的世界回歸，以人的發展為導向，確保學生擁有完整的情感體驗，促進學生核心素養發展。

3.3 提升教師專業能力

開展單元整體教學對教師的專業素養有一定的挑戰性，尤其新教師對教材內容不夠熟練，在實施單元教學時會有一定的困難。這時，需要有經驗的教師帶領，發揮備課組、教研組的力量，甚至跨區域合作，共研共享，通過教研活動，實現知識解構、重構、再升華。主題的確定也至關重要，一旦確定，將統領整個單元的教學。教師確定主題時，要切合學生生活實際和未來發展需要，關注學生感興趣的話題，關注學生的參與性、開放性和啟發性，且便于實施探究活動，便于發展學生成長型思維。