例談基于物質觀、結構與功能觀的大單元教學策略

摘要：本文以“基因的本質”為例，對在“物質—結構—功能”的敘事情境中，培養學生的物質觀、結構與功能觀等生命觀念，并以此形成運用生命觀念分析問題和解決問題等關鍵能力的教學展開了研究。

關鍵詞： 大單元教學" 物質觀" 結構與功能觀" 基因本質

生物教材每一單元內容的編寫都是基于生物學課程性質，聚焦大概念，以培養學生一系列的學科核心素養為目的。基于學習遺傳的細胞學基礎和基本規律等內容的深度學習，學生自然生成“基因的本質是什么”等問題，包括遺傳物質是什么，具有什么樣的結構，如何儲存遺傳信息及傳遞遺傳信息等問題。“基因的本質”是新人教版必修2《遺傳與進化》的第3章內容，其通過“基因是什么→基因的結構是怎樣的→基因如何復制→從物質、結構和功能總結基因本質是什么”這一知識講解程序，幫助學生形成物質觀、結構與功能觀，并依據“問題→事實→概念→觀念”的建構思路，讓學生發現問題并初步解答，形成次位概念、重要概念到大概念，內化生命觀念。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（下簡稱新《課標》）中指出，大多數生物的遺傳信息編碼在DNA上，有些RNA病毒的遺傳信息編碼在RNA上（物質）；DNA的雙螺旋結構適合儲存、傳遞和編碼遺傳信息（結構）；通過穩定的雙螺旋結構和堿基互補配對原則，完成了遺傳信息的儲存、傳遞和編碼，控制著生物的性狀（功能），其正是“基于結構闡釋其功能，基于功能理解、推測其結構，是詮釋結構與功能觀的基本思路”。因此，構建一個相對完整的概念體系——基因的本質，要在大單元整體教學的基礎上進行。

一、“基因的本質”的課時教學目標和單元教學目標

要想實現本單元的教學目標，必須明確大概念、主要概念和次位概念的關系。本單元的教學目標是基于“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的大概念，闡述主要概念——親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上，旨在以“DNA是主要的遺傳物質→DNA分子的結構→DNA分子的功能→遺傳信息和遺傳效應”為敘述情境，注重課堂生成的同時，使學生形成物質觀、結構與功能觀等生命觀念，通過科學史中的實驗介紹和模型建構等，培養學生的科學探究和科學思維，并結合我國一些城市在交通路口啟用了人臉識別技術等科技手段的問題情境，培養學生的社會責任。

分解后的課時教學目標：1.通過對遺傳物質的早期推測、肺炎鏈球菌的轉化實驗和噬菌體侵染細菌的實驗等創設科學史情境，概述“DNA是主要的遺傳物質”的科學發現過程，了解科學實驗中關于實驗變量的控制方法，探究遺傳物質的本質。2.通過沃森和克里克等科學家探究并構建雙螺旋的過程創設科學探究情境，闡述DNA的雙螺旋結構模型的建構過程及特點。3.通過收集材料，嘗試制作DNA分子雙螺旋結構模型，培養互助合作的科學精神。4.通過DNA復制的推測、半保留復制的實驗證據等科學史創設科學探究情境，闡明堿基互補配對原則，并概述DNA分子復制的時間、場所、過程、條件、特點和意義。5.通過建構概念模型等，舉例說明基因是有遺傳效應的DNA片段，并概述DNA分子的多樣性和特異性，闡明脫氧核苷酸序列與遺傳信息的關系。整個教學分為5個課時，以完成本單元的教學目標。

二、單元整體教學設計思路

按照大單元教學目標→（分解為）課時教學目標→情境創設（包括教學活動）→課時教學評價→單元教學評價這一條主線，實現單元教學目標（見下表）。

三、單元教學的主要過程

（一）認識DNA是主要的遺傳物質

情境：對遺傳物質的早期推測。20世紀中葉，人們對遺傳物質的普遍認識是怎樣的？在蛋白質和DNA中，當時人們認為哪一種是遺傳物質？人們做出判斷的依據是什么？

活動1：討論格里菲思和艾弗里的肺炎鏈球菌的轉化實驗，進行對照分析，得出加熱殺死的S型細菌中存在著“轉化因子”的結論。并通過分組討論，理解在對照實驗中“減法原理”在具體實驗中的作用，得出“DNA才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質”的結論。

活動2：理解同位素標記法在本實驗中的應用，并明確區分蛋白質與DNA需要標記的特征元素分別是S、P。比較艾弗里的實驗和噬菌體侵染細菌實驗的設計思路，發現二者的共同點都是想方設法把蛋白質與DNA分開，然后單獨直接地進行研究。

設計意圖：引導學生討論格里菲思和艾弗里的實驗思路及過程，體會科學家嚴謹的實驗思路。通過問題串，培養學生科學思維和科學探究等核心素養。使學生體會科學探究中實驗設計思路的差異性，但實驗設計所遵循的基本原則是一致的，以此認識到DNA是主要的遺傳物質。

（二）探究DNA分子結構模型，認識生命體的物質到結構

情境：DNA為什么能夠作為遺傳物質？通過物質觀過渡到結構觀。分層次展示DNA結構形成過程，DNA基本單位構建→DNA的一級結構，即脫氧核苷酸鏈→沃森和克里克DNA雙螺旋模型的構建。

活動1：學生完成“分類游戲”游戲，分析DNA、RNA組成的異同，進行兩個基本組分的正確連接。

活動2：通過軟件實現師生互動，構建出DNA雙螺旋結構，完成連接并通過人機交互拍照上傳；分析得出DNA兩條鏈是反向平行的，并闡述其理由。

設計意圖：從宏觀到微觀，從整體到局部，層層探究、推理，培養學生的科學思維和科學探究能力，體會交叉學科在科學發展中的作用。全面認識DNA的結構，建立結構與功能觀，使認識得以深化和升華；通過對DNA和蛋白質穩定性的探討，DNA與RNA穩定性的比較，使學生更深刻地理解遺傳物質的結構特性，培養思維的連貫性與邏輯性。以科學史為主線進行教學，培養學生構建模型科學思維，培養學生嚴謹務實的求知態度和探索求真的科學精神。

（三）探究與實踐——制作DNA雙螺旋結構模型，進一步探究物質的結構

情境：構建模型，更清晰地認識DNA結構的本質，更直觀地理解DNA結構與功能。

活動：回顧DNA雙螺旋結構的主要特點，并請學生分組合作從生活中尋找材料，先設計然后小組合作來搭建DNA雙螺旋模型。結合以下問題：分別用哪幾種材料代表DNA的磷酸、脫氧核糖和堿基？為什么選擇這樣的材料？這三種物質是在什么部位相互連接的？怎樣將這幾種材料正確連接起來？DNA中每個脫氧核苷酸之間是在什么部位相互連接的？怎樣將脫氧核苷酸正確地連接起來？在模型中如何體現DNA兩條鏈的反向平行？又怎樣體現兩條鏈的堿基之間互補配對？制作模型時出現了哪些問題，如何解決的？本組模型制作有沒有創新之處？展示小組制作的模型的平面結構與立體結構，介紹交流。

設計意圖：創設問題情境，通過問題驅動學生思考，讓學生主動參與課堂，構建新知。引導學生積極參與到教學中，在做中學，加深學生對知識的理解，加強前后知識之間的聯系，提高學生發散思維能力。將本節課的內容延伸到課后，培養學生學習知識的連貫性，讓學生進一步探究物質組成與結構的關系。

（四）闡明DNA的半保留復制過程，初步探究DNA分子結構與功能的關系

情境：教師提供材料，讓學生嘗試建構DNA復制過程的模型，體驗互助合作的科學精神，總結DNA復制的過程和特點。

活動1：用不同顏色的馬克筆畫出一個DNA按兩種復制方式得到的子代DNA情況，并上臺演示說明。嘗試用假說演繹法探究DNA的復制方式——學生分組合作探究，分析兩種復制方式的區別，設計實驗；進行演繹推理，展開討論。小組內交流討論，根據不同假說，演繹推理并展示結果。

活動2： 建構DNA復制模型。小組合作建構DNA復制模型，討論交 流如下問題：DNA復制的步驟有哪些？需要哪些條件？DNA復制有什么特點？如何保證復制的準確性？這對生物的遺傳有什么意義？

設計意圖：讓學生深入理解DNA復制的意義，并結合之前已學過的“假說—演繹法”的科學方法進行實踐，著重培養學生歸納概括能力和演繹推理能力，讓學生的認知從生命的物質觀上升到結構與功能觀。

（五）舉例說明DNA的多樣性和特異性，體會生命的物質組成結構與功能相適應的特點

情境：探究基因與DNA在數量上有何關系，基因的遺傳效應是什么，進而得出基因的本質，推演出遺傳信息多樣性的原因及規律。

活動1：通過閱讀幾則資料，小組討論得出初步結論：全部基因的堿基對數lt;DNA分子的總堿基對數。 基因是DNA分子的片段，DNA中有些片段不是基因。學生討論并嘗試解決問題，推選代表匯報分析過程，得出結論：基因是具有遺傳效應 的DNA片段。整合以上結論，歸納基因與DNA之間的關系。

活動2：復習回顧前面學過的DNA的結構特點。學生上臺演示，演示過程中其他學生補充。小組討論，交流想法，自主得出：并不是所有堿基對的排列順序都能構成基因，只有特定的堿基序列才能構成基因，理解DNA分子的多樣性和特異性。

設計意圖：使學生明確自主學習任務，通過資料的閱讀完成關鍵信息的提取，培養學生的推理總結能力，并進行資料重組及提供新的資料，引導學生從資料中找到共性，進而升華得出結論，鍛煉學生的推理探究能力，以及理解與歸納能力等關鍵能力。最終讓學生實現從生命的物質組成——DNA是主要的遺傳物質（物質）→DNA分子的結構（結構）——DNA雙螺旋結構模型的構建過程與實驗探究→DNA分子的復制與DNA分子與基因的關系（功能）的知識與能力網絡的構建。

五、教學總結與反思

正像鐘能政老師所說，“課時教學過程中應注意‘慢一點’、‘少一點’和‘精一點’”。大單元教學不是一鍋煮大雜燴，不能眼花繚亂地呈現，是在理解新《課標》中核心概念的設計意圖上，基于學科核心素養和關鍵能力的培養，理解必備知識，形成核心價值。這就需要找準教材中根本的敘事情境，引領學生進行深度學習，實現核心素養和關鍵能力的培養。

參考文獻：

［1］教育部考試中心.中國高考評價體系[M].北京：人民教育出版社，2021.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］吳成軍.生物學學科核心素養的教學與評價［M］.上海：華東師范大學出版社，2020.

責任編輯：黃大燦