基于生物學大概念的學習進階單元教學設(shè)計

摘要：聚焦大概念“細胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位”，基于學生對科學概念理解的發(fā)展層級模型，依托真實情境，設(shè)計核心問題；構(gòu)建模型，進行單元教學設(shè)計。從結(jié)構(gòu)與功能觀視角，闡明物質(zhì)是結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，指向?qū)W生生命觀念的培養(yǎng)。依據(jù)課標評價建議，將評價任務嵌入教學中，體現(xiàn)課堂教學“教—學—評”一致性。關(guān)鍵詞：高中生物學；單元設(shè)計；學科大概念；學習進階高中生物學核心素養(yǎng)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(yǎng)必備品格，掌握關(guān)鍵能力。傳統(tǒng)教學以課時為單位劃分教學內(nèi)容，割裂了知識間的內(nèi)在聯(lián)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(shè)計則被認為是撬動課堂轉(zhuǎn)型的一個支點[1]。一方面，單元教學設(shè)計使教師教學理念發(fā)生轉(zhuǎn)變，籌劃學科教學時重視知識之間的邏輯聯(lián)系，“見樹木又見森林”，更加強調(diào)知識的整體性和結(jié)構(gòu)化；另一方面，單元教學設(shè)計以大情境為基調(diào)，教學內(nèi)容要與學生的實際生活相聯(lián)系，抽象知識具體化。少而精的“大概念”單元教學設(shè)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(yǎng)的培養(yǎng)。一、單元教學設(shè)計思路高中生物學課程理念之一是“內(nèi)容聚焦大概念”，以學科大概念統(tǒng)攝教材內(nèi)容。單元教學設(shè)計，重在建構(gòu)結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)性的知識，強調(diào)知識之間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系，教師應結(jié)合學生對科學概念理解的發(fā)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(fā)展學生核心素養(yǎng)的單元目標，在教學過程中通過模型構(gòu)建、歸納概括、探究實踐等環(huán)節(jié)推動學生逐漸理解生物學大概念的內(nèi)涵，掌握科學思想，落實核心素養(yǎng)。（一）提升PCK能力形成單元教學設(shè)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(fā)展[2]。PCK有兩個關(guān)鍵層面：其一是學科專業(yè)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(nèi)容體系的事實、概念、規(guī)律、原理等具體知識，轉(zhuǎn)化為促進學生學習并易理解的知識展現(xiàn)于課堂，融合了教學法、學科知識、認知規(guī)律和教學情境等因素，體現(xiàn)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(shè)計路線具體設(shè)計路線如下（見圖2）。二、“細胞結(jié)構(gòu)的整體性”單元教學設(shè)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(nèi)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]?！凹毎Y(jié)構(gòu)的整體性”是大概念“細胞是生物體結(jié)構(gòu)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(guī)劃教學內(nèi)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(jié)構(gòu)的整體性”次位概念：組成細胞的結(jié)構(gòu)在分工的基礎(chǔ)上合作完成各項細胞的生命活動。能夠陳述質(zhì)膜包被在細胞表面作為邊界，調(diào)控物質(zhì)進出細胞，實現(xiàn)細胞之間的信號傳遞，學習細胞膜的結(jié)構(gòu)；構(gòu)成細胞的各部分相對獨立，合作完成物質(zhì)合成、分解與運輸，承擔傳遞信息和轉(zhuǎn)換能量等生命活動；掌握遺傳物質(zhì)存在于細胞核內(nèi)；以具體事例展現(xiàn)細胞各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)與協(xié)調(diào)，最終協(xié)同完成各項生命活動?；趯W習進階，結(jié)合PCK理論分析四個方面，建構(gòu)進階學習軌跡（見圖3）：一是教學促進哪些生命觀念建構(gòu)，借此生命觀念進階圖譜，確定學生的原有知識基礎(chǔ)和期望達成的理解水平；二是需要培養(yǎng)的關(guān)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(chǔ)和期望達到的能力目標水平；三是期待幫助學生建構(gòu)哪些整合聯(lián)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(tài)度、社會責任的整合），建構(gòu)聯(lián)系切入點和關(guān)聯(lián)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(tài)和進階節(jié)點（見圖3）。（二）從微觀層面組織具體教學內(nèi)容，厘清概念理解發(fā)展要求在理想狀態(tài)下，學生已有經(jīng)驗包括能夠闡明細胞的多樣性與統(tǒng)一性、細胞和生物體的各種生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，初步建立系統(tǒng)觀和物質(zhì)觀；能夠說明組成細胞的物質(zhì)具有特殊性；通過分析細胞學說建立過程，認同科學發(fā)現(xiàn)的基本特點。在學習新單元之前，學生由已有經(jīng)驗映射意識到細胞作為基本生命系統(tǒng)，具有系統(tǒng)的一般特征：有邊界，有系統(tǒng)內(nèi)各組分的分工合作，有控制中心調(diào)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(nèi)容不能徹底理解?；诖耍治觥半A”的產(chǎn)生，處理好學習進階節(jié)點，形成單元化的概念學習。以具體概念“細胞膜”為例，結(jié)合文獻分析，發(fā)現(xiàn)學生在細胞膜結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)點。1.展示細胞膜功能的探究方法活動1：a.控制物質(zhì)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(jié)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(jié)構(gòu)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(fā)思考，激發(fā)興趣?；顒?：情境：教師對細胞膜相關(guān)研究的科學史內(nèi)容加工整理，重新創(chuàng)設(shè)情境，引導學生思考和小組討論。討論：根據(jù)磷脂分子的結(jié)構(gòu)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(guī)律嗎？推測磷脂分子在細胞中是怎樣排布的。蛋白質(zhì)———脂質(zhì)———蛋白質(zhì)靜態(tài)結(jié)構(gòu)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(gòu)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(nèi)部分呈現(xiàn)疏水性，那么水分子為什么能跨膜運輸？提供變形蟲、質(zhì)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(zhì)分子主要起什么作用？細胞膜流動性的重要性體現(xiàn)在細胞功能的哪些方面？哪些因素能導致生物膜結(jié)構(gòu)破壞而失去其控制作用？活動4：設(shè)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(jié)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(zhuǎn)、左右擺動、圍繞與膜平面相垂直的軸做旋轉(zhuǎn)運動、沿膜平面做側(cè)向擴散或側(cè)向移動、由一側(cè)單分子層倒翻至對側(cè)一層等。膜蛋白的運動方式有側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)運動等。膜蛋白的運動既受其周圍膜脂制約，還受細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制。活動5：a.科學應用，實踐延伸：碳納米管創(chuàng)造人工細胞膜通道。一般經(jīng)口給藥的片劑、膠囊等在消化道內(nèi)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(chuàng)造了一個包含碳納米管的離子通道，嵌入細胞膜構(gòu)成小管道狀孔洞，便于DNA、水、小離子和質(zhì)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(nèi)某區(qū)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(jù)此技術(shù)有望實現(xiàn)精確治療。b.興趣提升：細胞膜研究進展。情境：傳統(tǒng)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(fā)表文章提出2D-凝膠模型：在細胞層面細胞膜呈膠狀半固態(tài)，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(jié)點突破活動1：科學家關(guān)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(xiàn)細胞膜的功能，既避免了直接灌輸教學內(nèi)容，又巧妙地銜接了之后的學習內(nèi)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(jié)果，激發(fā)學生的學習興趣。活動3、活動4：細胞膜結(jié)構(gòu)模型的探索過程，反映了“提出假說———實驗驗證———形成結(jié)論”這一科學方法的應用；幫助學生建立結(jié)構(gòu)與功能相適應的觀點以及實驗技術(shù)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(yǎng)科學精神，形成科學探究的素養(yǎng)?；顒?：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(guān)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(nèi)容具有現(xiàn)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(diào)“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(xiàn)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(xié)作。課堂轉(zhuǎn)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(yǎng)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(zhì)的提升，如磷脂、糖蛋白、脂蛋白化學性質(zhì)的掌握是學生探究細胞膜結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)，能夠凸出并強化知識的關(guān)聯(lián)與交互。在展示真實生活場景中體現(xiàn)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(xiàn)課程的探索性，旨在培養(yǎng)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(xié)作體現(xiàn)在對細胞膜流動鑲嵌模型的建構(gòu)中，問題探究與協(xié)作促進學生之間的交互、溝通與合作，培養(yǎng)了學生的團隊協(xié)作精神，學習小組成果匯報進一步提升了學生的核心素養(yǎng)水平。（二）教學反思單元教學設(shè)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(fā)展前沿，為發(fā)展學生的核心素養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。教學中教師通過組織活動設(shè)置情境，利用“統(tǒng)一性”觀點處理學習進階節(jié)點，促進學生理解細胞結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系。后續(xù)的教學中帶領(lǐng)學生使用光學顯微鏡觀察各類細胞、細胞質(zhì)流動，認識細胞骨架，結(jié)合電鏡照片分析細胞的亞顯微結(jié)構(gòu)，嘗試制作真核細胞的結(jié)構(gòu)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(nèi)