情境·路徑·策略：高中生物學單元專題項目式學習的創新設計

專題復習（亦稱“綜合應用復習”）是圍繞某個重要概念、科技項目或實踐問題，對相關知識加以綜合，用以解釋問題或提出解決方案的一種學習策略^[1]。基于學科概念的項目式學習，正是鏈接社會生活議題，運用學科關鍵概念和能力解決復雜問題、完成綜合任務，使學科概念在現實情境中再建構、綜合、創新和發展的一種學習方式^[2]。在單元的復習階段，教師常以項目式學習的理念來設計單元的專題復習課。同時，新課程關注學生個性化、多樣化的學習，提倡基于網絡的項目式學習，基于全媒體資源的探究學習、基于虛擬和增強現實技術的學習，促進人才培養模式的轉變^[3]。高中生物學選擇性必修“生物技術與工程”模塊是對必修內容的擴展和應用，其育人價值在于讓學生運用生命觀念解釋和解決實際問題，用技術手段建構方案或設計產品，發展學生的科學思維、技術思維、工程思維和倫理思維，引導其深刻理解科學本質，關注技術應用，增強社會責任感^[4]。

如何圍繞單元重要概念，引導學生整合知識解決現實的具體問題，深化觀念、發展思維，高效落實單元專題復習內容，充分達成育人目標的策略和方法？筆者以“基因工程”單元專題（復習）中的“胰島素研發”項目式學習活動為例（以下稱“本案例”）提出解決方案，從項目情境、實施路徑、推進策略三個方面優化教學，借助信息技術手段開展分析、設計、評價、優化等一系列活動，提升學生探究素養和解決問題的能力。

一、圍繞主題和概念挖掘資源，聚焦難點設置情境和任務

（一）挖掘資源深化主題，創設具有現實價值、意義深遠的項目情境

高中生物學課程以發展學生核心素養為宗旨，倡導教師聚焦大概念，注重實踐，以主題為引領開展情境教學^[5]。學生理解概念提升核心素養，需要在知識產生的情境中理解、應用知識。情境素材包括生活常見現象、科學史經典案例和最新科研成果。好的情境應該可信、可親、情真、理蘊、意遠^[6]。教材中，有關胰島素研發和應用的素材多次出現在蛋白質的結構功能、基因工程和蛋白質工程內容中。相關概念的實際應用，詮釋了科學研究的方法、過程和本質。同時，面對21世紀嚴重威脅人類健康的高發疾病——糖尿病，我國率先合成活性結晶牛胰島素，對胰島素研發作出了重要貢獻。科學工作者在探索更高效更安全胰島素中的一次次突破，彰顯了人類運用科學技術解決現實問題，為創造美好生活而不懈探索的科學精神。教師圍繞本單元“基因工程賦予生物新的遺傳特性”這一重要概念，對網絡上豐富的胰島素百年研發史資料進行深挖和整合，創設了有利于學生運用基因工程基本概念和工程思維解決問題的項目情境，讓學生參與改造僅含51個氨基酸的小分子蛋白而獲得理想胰島素的項目式學習活動，了解基因工程在醫藥領域的應用，高效達成本單元鞏固知識、學以致用、深化觀念、發展素養的專題復習目標。

（二）挖掘資源強化應用，設置促進知識系統建構、聚焦重難點的項目任務

項目式專題復習是圍繞重要概念（單元概念），在現實情境中綜合應用、系統建構和創新發展的過程。本案例中，教師遵循“以實例將科學本質具體化”^[7]的思想，挖掘網絡上豐富而真實的胰島素研發史料，為學生設置了一系列整合概念應用、聚焦難點問題、構建工程思維、促進多元發展的項目任務（如圖1）。

首先，以對概念進行梳理和關聯為目標挖掘資源，布置項目準備任務。本案例中，為了讓學生在項目中像科學家和工程師一樣運用已知概念、方法和思想解決實際問題，教師在組織單元復習時，仍遵循“從社會中來”“到社會中去”的設計理念，在項目實施前，帶領學生重溫單元開篇的“科技探索之路”。教師基于“基因工程的誕生和發展”情境，引導學生關聯和梳理基因工程重組DNA技術、基本工具和操作流程知識，深化學生對“基因工程賦予生物新的遺傳特性”的理解，提升工程思維能力，為學生綜合應用解決問題奠定基礎。

其次，以整合應用概念、發展工程思維能力為目標挖掘資源，布置項目關鍵任務。本案例在基因工程探索與發展主題下關注醫藥領域的“胰島素研發”應用，聚焦解決其中的關鍵問題對相關的研發史料進行挖掘與組織。教師創設問題情境，引導學生整合知識，運用工程思維參與分析、設計、驗證、優化，不斷追求理想胰島素的一系列活動。本案例將運用重組DNA技術“建構人胰島素基因表達載體”作為項目的關鍵問題和實施重點，以實現綜合運用本單元重點知識突破難點問題的專題復習目標。

最后，以深化生命觀念、促進多元思維為目標挖掘資源，布置拓展性任務。教師在本案例為學生提供研發史料，關注并挖掘了能夠體現“人體對外源胰島素是否產生不良反應”“是否導致新的遺傳病”“是否影響人類基因多樣性”等探索復雜綜合現實問題的內容資源，使學生深化對生物多樣性、統一性、獨特性和復雜性的認識，進一步發展工程思維、倫理思維和批判思維。教師創設問題情境，以“如何規避胰島素研發和應用中存在的風險”“探索模擬人內源胰島素持續穩定降糖的方案”“展望胰島素的未來發展”作為項目延展任務，引導學生進一步研讀相關資料，開闊視野，深刻體會人類對糖尿病認知的不斷深入、胰島素應用經驗的不斷豐富、對科學降糖理念的不斷發展的探索過程，建立科學的自然觀和世界觀，增強自主創新的責任感。

二、以解決問題為導向組織資源，搭建支架指引學生探究

基于學科概念的項目式學習，指向的是學科的本質思想方法，關注概念的結構、層次和系統性，以及概念和具體事實的密切聯系，以學科概念作為解決問題的基本思路^[8]。本案例以獲得理想的胰島素為目標，以解決研發歷程中的兩個關鍵問題為路徑，為學生運用工程思維、整合應用知識，解決具體問題搭建了一系列項目式學習所需的活動支架（如圖2），有利于高效復習專題內容，達成育人目標。

（一）基于重要概念的應用來組織史料，構建以解決關鍵問題為線索的項目實施路徑

教師讓學生研讀胰島素研發史料，自主構建以解決研發歷程中的關鍵問題為線索的項目實施路徑。回顧胰島素研發歷程，讓學生了解科研人員應用生物技術不斷解決提純難、產量低、抵抗、延遲、不穩定等一系列問題而獲得理想胰島素的過程。教師引導學生利用已學知識歸納胰島素研發需解決的兩大關鍵問題：人體對第一代動物胰島素的“抵抗”問題和第二代基因工程人胰島素的效用“延遲”問題。在教師的啟發下，學生自主構建以破解兩大關鍵問題為線索的項目實施路徑。

（二）圍繞關鍵問題的解決來組織資料，搭建基于系統工程和多元思維的項目實施支架

為運用生命觀念理解生物技術和工程原理，解決技術和工程問題，發展學生技術思維、工程思維與倫理思維，落實教學目標^[9]，教師以解決胰島素研發中的“抵抗”和“延遲”兩個關鍵問題為路徑，引導學生一次次經歷運用概念分析原理、提出方案、設計驗證、評價反思、改進優化的一系列探究活動。從第一代動物提純胰島素到第二代重組人胰島素，再到第三代人胰島素類似物，學生經歷持續追求更高效、更安全、更便利的解決方案的科研過程，進一步深化生命結構功能觀，增進了對工程思維的系統性認識，提升了倫理思維意識，培養了批判和創新精神。

（三）聚焦運用重要概念解決項目關鍵問題的實踐探究，落實專題復習內容目標

教師聚焦于解決“抵抗”和“延遲”兩個關鍵問題，引導學生結合史料及數據，應用蛋白質結構功能、基因工程技術、工具、流程和蛋白質工程原理知識，突破難點，參與獲得理想胰島素的探究活動。為解決第一代產品“抵抗”問題開展的探究活動包括：①比較牛胰島素和人胰島素差異，在蛋白質結構與功能和免疫原性知識上建立關聯，分析問題；②運用基因工程重組DNA技術、工具和操作程序等知識，提出改造動物胰島素獲得人源胰島素的方案；③運用“基因表達載體的構建”概念和工具（限制性內切酶、連接酶、質粒），設計接入人源目的基因的表達載體，獲得解決“抵抗問題”的第二代產品——重組人胰島素；④以第二代產品的臨床數據資料為驗證依據，對“延遲問題”進行反思和進一步探究。

解決“延遲”問題的探究活動包括：①比較第二代“重組人胰島素”與第三代“人胰島素類似物”（如門冬胰島素）的差異，關聯蛋白質的結構與功能知識，分析問題；②基于蛋白質工程原理，提出改造第二代產品的空間結構的優化方案；③利用蛋白質工程應用思路改造第二代產品，獲得胰島素單體結構的第三代產品——胰島素類似物；④以第三代產品（如門冬胰島素）的臨床應用數據資料為驗證依據，對進一步實現速效、安全、穩定的胰島素進行原理分析，對研發和應用中面臨的現實復雜問題進行綜合反思，深化生命觀念，發展技術思維、工程思維和倫理思維。

三、有的放矢制定策略，利用數字資源和工具推進教學

教師需要在提出驅動性問題、組建項目小組、建立知識關聯、形成分析結果、公開展示成果方面下功夫持續推進探究活動^[10]。教師開展項目式學習活動，需要創造各種條件引導學生像專家一樣運用學科知識、思想方法和學習工具投入解決問題的實踐中去^[11]。本案例中，教師不但挖掘、組織網絡素材，為學生創設具體的項目任務情境，設計路徑支架，還為學生提供了多樣化的網絡學習資源和探究工具及網絡交流與評價平臺，支持他們實踐探究，深度交流，解決問題，達成專題復習目標（如圖3）。

（一）提供在線數據庫資源和思維與交互工具，支持學生高效探究

首先，為輔助學生分析原理，教師提供了RCSB和PDB在線數據庫資源（如Brookhaven實驗室），讓學生查詢、對比牛胰島素、人胰島素的A鏈（B鏈），比較基因重組胰島素和門冬胰島素的氨基酸序列和空間結構，運用概念分析人對第一代胰島素產生“抵抗”和第二代胰島素作用“延遲”的原因，并提出改造思路。其次，為輔助學生體驗改造動物胰島素中的“建構人胰島素基因表達載體”這個重點環節的探究，教師為學生提供了“構建基因表達載體”的思維導圖和交互模擬探究工具（可移動氨基酸序列的動物胰島素A鏈、啟動子、插入位點、目的基因、質粒連接酶、限制酶等數字化模擬結構）。學生模擬操作，設計了解決“抵抗問題”的第二代產品——基因重組人胰島素。同樣，為輔助學生體驗基于蛋白質工程原理改造第二代“基因工程人胰島素”的探究，教師為學生提供了一個人胰島素B鏈第28位脯氨酸（Pro）與另一個胰島素B鏈第23位甘氨酸（Gly）因二硫鍵而聚合的二聚體胰島素結構示意圖，讓學生模擬操作探究：以天冬氨酸替換脯氨酸，消除兩鏈間范德華力而形成人胰島素單體，獲得結構簡單、快速起效的人胰島素類似物“第三代產品——門冬胰島素”。

（二）線上線下充分交流并精準評價，促進學生個性化發展

首先，為輔助學生自主探究，本案例采用線上線下融合的方式教學，利用在線教學系統進行任務發布、資源推送、方法指導、進度監控，以高效達成專題復習目標。其次，為輔助學生在項目活動中合作共建，本案例利用網絡主題論壇等交互平臺為學生提供高效的分工交流、成果展示、互評互助的探究環境。最后，為促進學生的多元思維和個性化發展，本案例指導學生利用個人網絡學習空間自主管理項目資料、過程和成果，總結在項目活動中取得的知識、方法和觀念方面的收獲，反思不足。

四、單元專題復習課項目教學建議

以項目式學習的理念開展單元專題復習課教學，是一次實戰演練。學生在基本掌握本單元概念和方法基礎上，在真實的項目情境和具體問題驅動下，綜合應用知識，解決問題，獲得成果。教師采用上述策略開展探究實踐活動，應注意以下兩點。

第一，設計項目、組織活動，重在圍繞重要概念進行知識整合和觀念深化。因此，教學既要有系統性又要有針對性，重點開展好以核心知識解決關鍵問題的探究活動。本案例聚焦胰島素研發中的“抵抗”和“延遲”兩大關鍵問題，側重“建構人胰島素基因表達載體”和“蛋白質工程應用思路”兩個重點知識的應用。對于利用PCR技術獲取和擴增引入目的基因來解決產量問題，采用多種胰島素混合，以及采用口服和皮下注射等不同方式來解決其降糖的持續性和穩定性等問題的探究，本案例沒有將其列為重點。對這些問題的探究，教師可在項目的準備階段或項目任務拓展階段，以討論交流等方式，引導學生關聯和鞏固本單元知識，促進學生系統建構概念、深化生命觀念。

第二，項目的實施和推進，旨在讓學生參與以解決實際問題為目標的探究活動。教師要引導學生在一次次發現問題、分析原理的過程中自覺地整合并運用已學知識，在一環環的設計和驗證中深化概念，發展思維，在對每一個階段成果的評價和反思中，提高綜合運用知識解決復雜實際問題的能力，發展核心素養。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發展（人教社）重點實驗室2022年重點課題“基于數字資源與技術的生物學科教學創新實踐研究”（編號：RJA0222002）的階段性研究成果。

參考文獻

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（作者系人民教育出版社人教數字教育研究院高級研究員）

責任編輯：祝元志