基于生物學大概念的學習進階單元教學設計

袁毅君 李雯敏 陳金科 嚴浩睿

摘要：聚焦大概念“細胞是生物體結構與生命活動的基本單位”，基于學生對科學概念理解的發展層級模型，依托真實情境，設計核心問題；構建模型，進行單元教學設計。從結構與功能觀視角，闡明物質是結構的基礎，指向學生生命觀念的培養。依據課標評價建議，將評價任務嵌入教學中，體現課堂教學“教—學—評”一致性。

關鍵詞：高中生物學；單元設計；學科大概念；學習進階

高中生物學核心素養由生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任四個維度組成，逐步引導學生樹立正確的價值觀，培養必備品格，掌握關鍵能力。傳統教學以課時為單位劃分教學內容，割裂了知識間的內在聯系，導致知識碎片化，使學生陷于識記龐雜且零散的學科知識的困局當中，單元教學設計則被認為是撬動課堂轉型的一個支點[1]。一方面，單元教學設計使教師教學理念發生轉變，籌劃學科教學時重視知識之間的邏輯聯系，“見樹木又見森林”，更加強調知識的整體性和結構化；另一方面，單元教學設計以大情境為基調，教學內容要與學生的實際生活相聯系，抽象知識具體化。少而精的“大概念”單元教學設計減輕了學生的學習負擔，重在深化學生對大概念、重要概念、次位概念的理解和把握。教師必須透視學科知識背后的大概念，圍繞大概念組織教學，落實學生核心素養的培養。

一、單元教學設計思路

高中生物學課程理念之一是“內容聚焦大概念”，以學科大概念統攝教材內容。單元教學設計，重在建構結構化、系統性的知識，強調知識之間的內在邏輯聯系，教師應結合學生對科學概念理解的發展層級模型（見圖1），以及學生已有知識水平以及學習能力，確立指向發展學生核心素養的單元目標，在教學過程中通過模型構建、歸納概括、探究實踐等環節推動學生逐漸理解生物學大概念的內涵，掌握科學思想，落實核心素養。

（一）提升PCK能力形成單元教學設計

20世紀80年代，舒爾曼（Shulman，L.S.）對教師知識進行了分類，并提出了學科教學知識（Pedagogical+Content+Knowledge，簡稱PCK）的概念，揭示了教師知識中最有意義的知識，促進了PCK理論的完善與發展[2]。PCK有兩個關鍵層面：其一是學科專業知識展示，其二是把握學生具體學習障礙、課前先期概念以及概念。教師將自己所掌握的學科內容體系的事實、概念、規律、原理等具體知識，轉化為促進學生學習并易理解的知識展現于課堂，融合了教學法、學科知識、認知規律和教學情境等因素，體現教師對課堂教學的綜合理解。教師PCK能力的提升能夠有效促進單元教學效果落地。

（二）單元教學設計路線

具體設計路線如下（見圖2）。

二、“細胞結構的整體性”單元教學設計策略

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱為課程標準）指出，必修和選擇性必修課程的模塊內容聚焦大概念，精簡容量、突出重點、切合年齡特點、明確學習要求，確保學生有相對充裕的時間主動學習[3]。“細胞結構的整體性”是大概念“細胞是生物體結構與生命活動的基本單位”的下位概念之一，即重要概念。

（一）從單元層面規劃教學內容，確立核心概念進階點

基于課程標準，分析人教版高中生物學教材，整合“細胞結構的整體性”次位概念：組成細胞的結構在分工的基礎上合作完成各項細胞的生命活動。能夠陳述質膜包被在細胞表面作為邊界，調控物質進出細胞，實現細胞之間的信號傳遞，學習細胞膜的結構；構成細胞的各部分相對獨立，合作完成物質合成、分解與運輸，承擔傳遞信息和轉換能量等生命活動；掌握遺傳物質存在于細胞核內；以具體事例展現細胞各結構之間的關聯與協調，最終協同完成各項生命活動。

基于學習進階，結合PCK理論分析四個方面，建構進階學習軌跡（見圖3）：一是教學促進哪些生命觀念建構，借此生命觀念進階圖譜，確定學生的原有知識基礎和期望達成的理解水平；二是需要培養的關鍵能力是什么，基于學習進階確定學生原有的科學思維、實驗探究基礎和期望達到的能力目標水平；三是期待幫助學生建構哪些整合聯系（如思維能力和探究能力的整合，生命觀念與實踐能力的整合，生命觀念、能力與科學態度、社會責任的整合），建構聯系切入點和關聯水平；四是確定學生在學習過程中可能存在某些中間認知狀態和進階節點（見圖3）。

（二）從微觀層面組織具體教學內容，厘清概念理解發展要求

在理想狀態下，學生已有經驗包括能夠闡明細胞的多樣性與統一性、細胞和生物體的各種生命活動的物質基礎，初步建立系統觀和物質觀；能夠說明組成細胞的物質具有特殊性；通過分析細胞學說建立過程，認同科學發現的基本特點。在學習新單元之前，學生由已有經驗映射意識到細胞作為基本生命系統，具有系統的一般特征：有邊界，有系統內各組分的分工合作，有控制中心調控其活動。但綜合知識本身的復雜程度與學生原有知識匱乏以及教師教學的不成熟，導致學生對教學內容不能徹底理解。基于此，分析“階”的產生，處理好學習進階節點，形成單元化的概念學習。

以具體概念“細胞膜”為例，結合文獻分析，發現學生在細胞膜結構學習中通常存在3個問題：對細胞膜功能的探究方法不清晰；對細胞膜組成成分與其功能的關系含糊不清；對于生物膜流動性的理解不夠。因此進行以下教學活動突破進階節點。

1.展示細胞膜功能的探究方法

活動1：

a.控制物質進出細胞功能的驗證

情境：播放“活細胞染色”視頻，臺盼藍染液染細胞，活細胞不著色，死細胞染成藍色。推測細胞膜作為細胞的邊界，應該具有什么功能。

b.識別功能的驗證

情境：播放“受精”動畫，只有同種生物的精子和卵子才能結合，驗證細胞膜具有識別功能（糖蛋白的作用）。

2.加強細胞膜結構與功能觀

活動2：

課前提問細胞膜的成分，指導學生完成模擬實驗：課前準備兩張油浸透并晾干的紙，分別滴加油和水，觀察并記錄油和水透過的時間，引發思考，激發興趣。

活動3：

情境：教師對細胞膜相關研究的科學史內容加工整理，重新創設情境，引導學生思考和小組討論。

討論：根據磷脂分子的結構特點，能推測出空氣-水界面鋪展成的磷脂單分子層的排布規律嗎？推測磷脂分子在細胞中是怎樣排布的。蛋白質———脂質———蛋白質靜態結構合理嗎？

任務：給出多種生物膜的錯誤模型，提問學生其模型的不合理性，鼓勵學生嘗試建構流動鑲嵌模型。

小組展示、匯報成果，教師提供參考資料，引導修正模型：不同生物膜的厚度不同，通常在5-10nm，在細胞的不同部位，厚度也有差異。既然膜內部分呈現疏水性，那么水分子為什么能跨膜運輸？提供變形蟲、質壁分離、胞吞胞吐視頻資料，說明細胞膜具有一定的流動性。

提問：磷脂雙分子層具有哪些作用？細胞膜中的蛋白質分子主要起什么作用？細胞膜流動性的重要性體現在細胞功能的哪些方面？哪些因素能導致生物膜結構破壞而失去其控制作用？

活動4：

設疑：細胞膜具有流動性是膜脂流動還是膜蛋白流動？

情境：利用氣球和兩根絲帶演示膜脂分子的運動方式，結合動畫，解釋膜流動性的控制機制。膜的流動性包括膜脂流動性和膜蛋白流動性。膜脂分子具有多種運動方式，如繞化學鍵旋轉、左右擺動、圍繞與膜平面相垂直的軸做旋轉運動、沿膜平面做側向擴散或側向移動、由一側單分子層倒翻至對側一層等。膜蛋白的運動方式有側向擴散和旋轉運動等。膜蛋白的運動既受其周圍膜脂制約，還受細胞內部結構的控制。

活動5：

a.科學應用，實踐延伸：碳納米管創造人工細胞膜通道。

一般經口給藥的片劑、膠囊等在消化道內溶解并被緩慢吸收后隨血液運輸至全身各處，不能精準治療。美國某科研小組創造了一個包含碳納米管的離子通道，嵌入細胞膜構成小管道狀孔洞，便于DNA、水、小離子和質子進出細胞（見圖4）。這種細胞膜上的短碳納米通道管可將藥物精準傳輸至需要治療的體內某區域，避免對相鄰器官造成傷害，對人類未來健康維護和生物制藥具有廣闊的應用前景，依據此技術有望實現精確治療。

b.興趣提升：細胞膜研究進展。

情境：傳統概念中細胞膜為流動鑲嵌模型，后有科學家提出脂筏模型，認為脂雙分子層流動但不均一，然而存在的疑問是在真核細胞里，有一半的跨膜蛋白因為和細胞骨架綁定在一起，所以在幾分鐘甚至幾個小時的時間尺度里不動，這些蛋白占了整個細胞10%-20%的細胞膜表面積。如果某種水溶液里有10%不動蛋白，比如膠原蛋白凝膠，則該溶液就更像塊狀固體，而不是液體。與此同時，蛋白和小分子依然能在里面自由地穿行。而細胞膜會不會也更像一個二維凝膠半固體，而不是液體呢？作者實驗后在“Cell”發表文章提出2D-凝膠模型：在細胞層面細胞膜呈膠狀半固態，更為準確的表述是細胞膜更接近果凍狀。

任務：查詢資料，你認為“細胞膜更接近半固體”的新研究是否推翻了“流動鑲嵌模型”？

c.觀看視頻“Cell/membranes/are/way/more/complicated/ than/you/think”，本視頻部分截圖（見圖5）。

3.教學活動目的———學習進階節點突破

活動1：科學家關于細胞膜的研究首先是從其生理功能的角度進行，教學中教師通過簡單探究體現細胞膜的功能，既避免了直接灌輸教學內容，又巧妙地銜接了之后的學習內容。

活動2：課堂上組織簡單實驗，學生參與并共同觀察實驗結果，激發學生的學習興趣。

活動3、活動4：細胞膜結構模型的探索過程，反映了“提出假說———實驗驗證———形成結論”這一科學方法的應用；幫助學生建立結構與功能相適應的觀點以及實驗技術進步在提出生物膜的流動鑲嵌模型中所起的作用，同時反映出該模型的局限性；利用氣球和動畫演示，加深對膜流動性控制機制的理解，形成嚴謹、科學的思維；學習科研方法，培養科學精神，形成科學探究的素養。

活動5：了解碳納米管建造人工細胞膜通道，整合科學觀念與實踐能力的關系。分享細胞膜模型的研究進展，同時，讓學生意識到學習的內容具有現實意義，科學家對細胞膜功能的研究仍在不斷地深入展開。

三、教學評價與反思

課堂教學強調“教—學—評”一致，圍繞生物學大概念的學習進階單元教學評價體現在教學的跨學科性、真實情境性以及學生問題意識與小組間的協作。課堂轉型之后，圍繞生物學概念的學習進階單元教學將成為生物學核心素養得以真正貫徹、生物學大概念能夠有效落實的載體。

（一）教學評價

教學中交叉應用多學科知識，跨學科學習促進學生綜合素質的提升，如磷脂、糖蛋白、脂蛋白化學性質的掌握是學生探究細胞膜結構與功能的基礎，能夠凸出并強化知識的關聯與交互。在展示真實生活場景中體現知識來自于生活，并用以解決真實情境中的問題。借此舉例拓展課程資源，提出探索性問題，展現課程的探索性，旨在培養學生的科學探究以及科學思維能力；學生的問題意識與小組間的協作體現在對細胞膜流動鑲嵌模型的建構中，問題探究與協作促進學生之間的交互、溝通與合作，培養了學生的團隊協作精神，學習小組成果匯報進一步提升了學生的核心素養水平。

（二）教學反思

單元教學設計需要教師突破“只見樹木不見森林”的課時思維定勢，考驗教師從“長時段”整體籌劃學科教學的能力，因此需要教師努力提升PCK能力，更加靈活地掌握課堂，了解生命科學發展前沿，為發展學生的核心素養奠定基礎。

教學中教師通過組織活動設置情境，利用“統一性”觀點處理學習進階節點，促進學生理解細胞結構與功能間的關系。后續的教學中帶領學生使用光學顯微鏡觀察各類細胞、細胞質流動，認識細胞骨架，結合電鏡照片分析細胞的亞顯微結構，嘗試制作真核細胞的結構模型，在實踐過程中提高實踐能力，掌握科學探究的方法。教學內容進階包括從細胞中的內質網、高爾基體數量多進階到其合成和分泌功能強大；核膜上的核孔數目多而進階到RNA、蛋白質等物質運輸快，蛋白質合成旺盛從而得出細胞新陳代謝快；線粒體數量多，使得腎小管細胞、肝細胞、心肌細胞等代謝旺盛；消化系統中分泌消化酶的胰腺或者部分合成多肽類和蛋白質類激素的細胞，其細胞中核糖體與高爾基體數量居多。在“統一性”觀點引領下貫穿結構與功能觀，促使學生在多種教學活動中，如構建細胞結構與功能思維導圖、模型構建、顯微觀察等，領會生物學大概念內涵，落實學生生命觀念的培養。

參考文獻：

[1] 鐘啟泉.單元設計：撬動課堂轉型的一個支點[J].教育發展研究，2015（12）.

[2] 潘小明.學科教學知識（PCK）的理論及其發展[J].教育探索，2015（1）.

[3] 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，2022：2.

課題項目：甘肅省教育科學“十三五”規劃2020年度課題“基于學科素養的單元設計高中生物學教學研究”（GS[2020]GHB4855）

編輯/趙卓然