基于高中生物學重要概念的情境、問題與活動的單元整體性設計

王紅梅 周初霞

（1.浙江省嘉善高級中學 浙江嘉善 314100）

（2.浙江省教育廳教研室 浙江杭州 310012）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）明確將“內容聚焦大概念”列入生物學課程的基本理念。大概念是在若干重要概念的基礎上形成的，重要概念又是在次位概念的基礎上形成，次位概念則是基于若干生物學事實性知識而形成的?！墩n程標準》強調教學應突出重點和知識的整體性，而進行單元整體教學設計是一個行之有效的方法，它突顯了學科核心素養養成的長期性、滲透性和整體性等特點。教師在以重要概念為主題進行整體教學設計中，需要對情境與問題進行整體性設計，對重要概念進行解構和分析，創設單元學習情境，提出單元整體教學的核心問題，將單元學習情境分解到每一課時，圍繞分解的課時學習情境設置問題與活動，最終構建形成重要概念（圖1）?；诖?，下面嘗試對“細胞各部分結構既分工又合作，共同執行細胞的各項生命活動”這一重要概念內容進行統整設計，探討情境與問題的單元整體性設計，讓學生在情境中引發思考，在問題中展開探討與活動，促進生物學學科核心素養的發展。

1 解構重要概念，分析概念間的邏輯關系，建構概念網絡

教學圍繞重要概念進行展開，旨在將最有價值的知識濃縮在重要概念上。教師需對重要概念進行梳理、歸類，并從次位概念、重要概念、大概念等層級進行整體架構，建立有意義的聯系。通過少數重要概念的學習幫助學生形成終身受益的思維方式和解決問題的能力。

例如，重要概念2（KC2）“細胞各部分結構既分工又合作，共同執行細胞的各項生命活動”，是在以下幾個次位概念（SC）的基礎上構建的：

SC2.1：細胞都由質膜包裹，質膜將細胞與外界環境分開，能控制物質進出，并參與細胞間的信息交流。

SC2.2：細胞內具有多個相對獨立的結構，擔負著物質運輸、合成與分解、能量轉換和信息傳遞等生命活動。

SC2.3：遺傳信息主要貯存在細胞核中。

大量的生物學事實，如科學史研究、顯微資料、細胞結構的物理模型等，為這些次位概念的形成提供依據。通過圖2的分析，重要概念KC2的構建不僅基于若干次位概念、受重要概念KC1支撐，還可支撐重要概念KC3，共同概括出大概念，進而幫助學生建立生命的系統觀、結構與功能觀及進化與適應觀等。

2 圍繞重要概念，創設單元學習情境，提出單元核心問題

建構主義教學觀認為：用真實情境呈現問題，營造問題解決的環境，有利于幫助學生在解決問題的過程中活化知識，變事實性知識為解決問題的工具，從而完成對新知識的意義建構。教師通過創設真實而復雜的情境，讓學生將知識與生活、科技發展聯系起來，使知識具備遷移性，具有遷移性的知識才會促進學生核心素養的形成。

圍繞上述重要概念的解構與分析，教師創設以下單元學習情境：生物學家們一直有著“可以像組裝機器一樣組配生物”的設想，這一設想也推動著他們多年的研究進程。有生物學家預測：“第一個全人工合成的細胞可能會在十年內出現。如果這個細胞還能生長、分裂，那將是人類巨大的進步。”在學生對細胞“零部件”的材料（分子組成）有了了解后，教師提出上述單元學習情境，能引發學生對其的進一步思考。

上述是與科技前沿或者科學研究有關的情境，而無論是哪種情境，都必須以問題為導向，通過發現問題和解決問題來發揮情境的價值。教師利用“人工合成細胞”也引出本單元的核心問題：細胞各部分結構是怎樣的？具有什么特點？要使合成的細胞行使相應的功能，各結構間如何相互形成聯系、協調一致？這也使學生對其研究進展產生繼續學習研究的興趣，為后續課時的學習做好良好的鋪墊。

3 分解課時情境，提出具體問題，通過活動解決問題

在核心問題的引導下，單元情境需貫穿落實到每一課時，成為每一課時學生學習的動力，有效促進學生建立次位概念之間的聯結，為核心問題的解決、重要概念的構建提供支撐。

教師以“科學家致力于人工合成細胞的研究”分解形成課時情境，將由不同科學家進行的科學研究進展作為課時情境。情境引發的問題指向概念的構建，激發了學生的興趣，引發了學生的思考?；诖?，本單元對分解到課時的情境與具體問題、活動，進行了整體規劃設計。

3.1 “細胞膜控制細胞與周圍環境的聯系”的設計框架

指向的概念：SC2.1細胞都由質膜包裹，質膜將細胞與外界環境分開，能控制物質進出，并參與細胞間的信息交流。

課時情境1：據英國《自然》雜志刊載，2005年美國洛克菲勒大學的科學家將能夠生產蛋白質的生物分子混合物懸浮在油中，形成微小的顆粒。然后，他們在這些顆粒外包裹兩層磷脂分子，像細胞膜一樣將生物分子混合物顆粒包裹在其中。

具體問題與活動：像細胞膜一樣的兩層磷脂分子如何進行排布？一個細胞的細胞膜是由什么組成的？有什么作用？請根據科學史研究，嘗試構建細胞膜的結構模型。

課時情境2：美國洛克菲勒大學的科學家后續在上述細胞中加入一種“細菌”基因。這種基因能控制生成一種名為溶血素的蛋白質，該蛋白形狀似桶，能插入細胞膜形成小孔，環境中的營養物質便通過這些小孔進入“細胞”，細胞能連續數日生成蛋白質。此外，英國帝國理工學院發布一項新研究稱，其開發的新型人工合成細胞能夠模仿天然細胞，感知環境中的化學變化并產生反應。

具體問題與活動：細胞膜的功能有哪些？在上述構建過程中，蛋白質發揮了什么樣的作用？根據資料，結合對細胞膜結構的分析，嘗試歸納細胞膜的作用。

3.2 “細胞核是生命活動的控制中心”的設計框架

指向的概念：SC2.3闡明遺傳信息主要貯存在細胞核中。

課時情境1：第一例“人造細胞”將人工合成的一種名為蕈狀支原體的細菌的DNA植入另一個內部被掏空的、名為山羊支原體的細菌體內，該細胞成功繁殖。

具體問題：第一例“人造細胞”最關鍵的人造結構是什么？其作用是什么？

課時情境2：諾貝爾化學獎獲得者托馬斯·R·切赫研究發現，RNA能將DNA上控制蛋白質合成的遺傳信息傳遞給核糖體。但由于分子較大，無論DNA還是RNA（推理還有蛋白質）均無法穿過人工合成的磷脂雙分子層。

具體問題與活動：結合細胞分類特點及細胞核化學組成資料，推測真核細胞核的可能結構。并分析核膜上可能具備什么結構能完成核質間遺傳信息的傳遞。根據科學史實驗，分析細胞核的功能。

3.3 “細胞質是多種生命活動的場所”的設計框架

指向的概念：SC2.2闡明細胞內具有多個相對獨立的結構，擔負著物質運輸、合成與分解、能量轉換和信息傳遞等生命活動。

課時情境1：美國洛克菲勒大學的科學家用兩層磷脂分子包裹著能夠生產蛋白質的生物分子形成微小的顆粒，這樣“人造細胞”就誕生了。這種“人造細胞”具備將氨基酸合成蛋白質所需的一切機制，可生成具有工業和醫學價值的蛋白質。

具體問題與活動：能生產蛋白質的生物分子混合物是什么？其分布于哪些場所？生產的蛋白質分布于細胞的哪些結構？請借助透射電鏡照片、熒光顯微鏡照片，學習細胞質各結構的特點及功能。

課時情境2：日本科學家在實驗室中培育出了一種能夠像植物一樣進行光合作用、制造能量的人工合成細胞。

具體問題與活動：日本科學家制造的該人工合成細胞在結構上應有哪些？根據所學細胞質的內容，畫出能像植物一樣進行光合作用的人工合成細胞圖紙。

3.4 “細胞在結構和功能上是統一的整體”的設計框架

指向的概念：KC2細胞各部分結構既分工又合作，共同執行細胞的各項生命活動。

課時情境1：哈爾濱工業大學研究項目“基于磷脂組裝體的人造細胞的構建”，在人工細胞膜、非球形細胞器的人工模擬、復雜人工合成細胞、以及人工合成細胞的群體行為等方面均有研究進展。

具體問題與活動：細胞內需要磷脂進行構建的細胞結構有哪些？這些結構之間有什么聯系？以分泌蛋白的合成和分泌過程為例，結合透射電鏡圖，通過小組討論分析生物膜系統是如何進行協調配合的？通過生物膜形成的各區室有何意義？

以上是基于“人工合成細胞”的單元情境和核心問題，設計指向重要概念的結構化、分層次的課時具體問題和活動。課時情境都根據“人工合成細胞”的研究案例與進程，圍繞單元情境設計與展開，逐步地擴展、充實與明晰。而學生在通過活動分析問題、解決問題的過程中，便能更好形成對重要概念的理解，在情境中理解問題，問題中內化情境，促進思維的發展。

4 回歸單元情境，拓展問題廣度，發展批判性思維

在情境教學中，教師需要考慮單元整體教學結束時如何利用情境進行適當的遷移與拓展。生物科學包含了豐富的自然哲學思想，教師如果在教學中自然地滲透學科綜合思想，這對于學生形成科學世界觀、正確人生觀具有重要意義。

在“科學家致力于人工合成細胞的研究”的單元主線情境中，教師還可以引導學生展開一場思辨：①基于單元情境素材，你覺得人工合成細胞研究的主要意義有哪些？除了構建細胞的結構外，其研究最大的難點會是什么？②“人工合成細胞”這一突破不僅在科學界，在宗教、倫理等諸多領域都引起了強烈的反響，有人提出人類可以扮演“上帝”的角色，成為“造物主”，你認同這一觀點嗎？

這些問題顯然在課堂上是一時難以解決的，教師可以引導學生通過運用多媒體網絡查閱資料后，進行深入思考與分析，并展開對這些問題的辯論。教師創設思辨性的情境促進學生思辨問題；利用思辨性對話來構建學生立體思維方式；借助辯論過程培養了學生的批判性思維，訓練了學生的語言表達能力，也為大概念“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”的學習做鋪墊。

總之，一個有效的單元整體教學設計是圍繞一個真實情境展開，讓學生在這個貫穿全過程的情境中進行思維的過程。貫穿整個單元的核心問題主線將情境與具體問題緊密結合，從而實現學生對重要概念的意義建構，提升學生的生物學學科核心素養。