理解為先單元教學(xué)設(shè)計
——以“光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能”為例

（溫州市教師教研院 浙江溫州 325000）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出：“課程內(nèi)容聚焦大概念”。大概念教學(xué)能有效地組織起學(xué)科零碎化的知識與技能，幫助學(xué)生有意義地建構(gòu)知識，以及遷移運用在新情境中，使得學(xué)生思維超越事實和活動，達(dá)到更高的層次。大概念的理解與運用直接體現(xiàn)了學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。

美國教改專家格蘭特·威金斯提出的“理解為先的教學(xué)設(shè)計模式”（Understanding by Design，簡稱UBD）。他認(rèn)為，好的教學(xué)在開始時就有明確的預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果，還要有學(xué)習(xí)真實發(fā)生的證據(jù)。UBD提出“逆向設(shè)計”的三個步驟：明確的預(yù)期結(jié)果、確定恰當(dāng)評估辦法、規(guī)劃相關(guān)教學(xué)過程。即所倡導(dǎo)的單元整體設(shè)計與高中生物新課標(biāo)倡導(dǎo)的“內(nèi)容聚焦大概念”的理念不謀而和。

1 明確預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果

預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果是依據(jù)課標(biāo)和需要持久理解的內(nèi)容，預(yù)測學(xué)生在學(xué)完本單元之后應(yīng)該知道什么，能夠做什么，什么內(nèi)容需要深入持久的理解。故本環(huán)節(jié)教師需要明確課標(biāo)的要求，以及學(xué)習(xí)遷移、理解意義、掌握知能三方面內(nèi)容。

1.1 了解課標(biāo)要求

①通過分析葉綠體的結(jié)構(gòu)及其中的物質(zhì)轉(zhuǎn)變與能量轉(zhuǎn)化過程，建立結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。②通過實驗，學(xué)會綠葉中色素的提取與分離的方法、知道色素的種類及吸收的光譜。③通過分析、探究不同環(huán)境因素對光合作用的影響，讓學(xué)生學(xué)會根據(jù)問題設(shè)計實驗，養(yǎng)成基于實驗事實和證據(jù)做出合理判斷的思維習(xí)慣和能力。

1.2 學(xué)習(xí)遷移

①學(xué)生能自主地將所學(xué)知識用于解決現(xiàn)實中的問題：能運用光合作用的相關(guān)原理、科學(xué)方法提出在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上提高作物產(chǎn)量的具體舉措。

②學(xué)生將獲得持久的、自主的學(xué)習(xí)成果：能根據(jù)真實問題情境，提出有價值的、可探究的問題，建立合理的假設(shè)，設(shè)計并實施恰當(dāng)可行的方案，如實記錄實驗結(jié)果，并進(jìn)行科學(xué)的分析與評價；能運用科學(xué)術(shù)語精確闡明實驗結(jié)果，善于溝通，開展有效合作；能認(rèn)同“光合作用與細(xì)胞呼吸”的辯證關(guān)系，建立物質(zhì)與能量觀、結(jié)構(gòu)與功能觀，理解“生物代謝與普通化學(xué)反應(yīng)”辯證關(guān)系，了解生命的特殊性與物質(zhì)性；能基于實驗結(jié)果通過邏輯推理闡明個人立場，做出科學(xué)決策。

1.3 理解意義

①學(xué)生將深入持久地理解的概念：葉綠體含葉綠素、類胡蘿卜素兩大類光合色素，主要吸收的光譜是紅光區(qū)與藍(lán)紫光區(qū)；光合作用的光反應(yīng)、碳反應(yīng)階段分別在葉綠體的類囊體與基質(zhì)中發(fā)生；光照強度、溫度、CO2濃度是影響光合速率的主要環(huán)境因素，這些因素與光合速率有數(shù)量關(guān)系；光合作用與細(xì)胞呼吸的場所、階段、途徑均不同，兩者是辯證統(tǒng)一的。

②學(xué)生將不斷思考的核心問題：生物如何實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)？如何根據(jù)目標(biāo)設(shè)計、實施實驗方案，并根據(jù)實驗結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析？為了便于研究如何將復(fù)雜的生理過程分解為若干個階段？如何建構(gòu)自變量與因變量的數(shù)學(xué)模型？如何對概念進(jìn)行比較？

1.4 掌握知能

①學(xué)生該掌握的知識是：光合作用的功能、反應(yīng)式、階段、場所和產(chǎn)物；比較光合作用與細(xì)胞呼吸的異同；葉綠體的結(jié)構(gòu)與光合色素的種類及吸收光譜；光反應(yīng)、碳反應(yīng)的過程；影響光合速率的環(huán)境因素及其數(shù)量關(guān)系。

②學(xué)生應(yīng)發(fā)展的能力是：學(xué)會發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、科學(xué)設(shè)計實施實驗、用不同的形式記錄實驗結(jié)果，對實驗結(jié)果做出合理化解釋；學(xué)會利用工具、試劑進(jìn)行物質(zhì)的提取與分離的方法；學(xué)會對生物學(xué)的相關(guān)問題，從多個角度綜合分析進(jìn)行判斷的方法。

2 確定恰當(dāng)評估辦法

本階段讓教師能有效地監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)過程中已達(dá)到的理解程度。在規(guī)劃教學(xué)活動之前，教師首先要確定能夠證明學(xué)生已經(jīng)獲得理解的有效證據(jù)，每個學(xué)習(xí)單元設(shè)置一定的評估標(biāo)準(zhǔn)，利用標(biāo)準(zhǔn)評估反饋，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并進(jìn)一步指導(dǎo)自身的教學(xué)活動。

2.1 評估標(biāo)準(zhǔn)

評估的基本標(biāo)準(zhǔn)有：符合生物學(xué)原理，構(gòu)思科學(xué)，方法獨到，細(xì)節(jié)到位，解釋清晰、邏輯合理。發(fā)展性評估標(biāo)準(zhǔn)為：論證有力，闡述清晰。

2.2 將用哪些表現(xiàn)說明學(xué)生實現(xiàn)了理解

①能解釋：葉綠體的哪些結(jié)構(gòu)與光合作用的功能相適應(yīng)？光飽和點、CO2飽和點出現(xiàn)的原因是什么？植物午休的原因是什么？“正其行，通其風(fēng)”為什么可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量？

②能設(shè)計實驗記錄：在自然光下、鐘罩內(nèi)的天竺葵24 h光合速率變化，并用坐標(biāo)圖表示。

③能闡述：假如你擁有一片甌柑地，你如何提高其產(chǎn)量？

此外還能：創(chuàng)造性地設(shè)計實驗，并用不同的方法記錄數(shù)據(jù)；在探究活動中對本組的貢獻(xiàn)度；對光反應(yīng)與碳反應(yīng)階段的相關(guān)知識進(jìn)行隨堂測試。

3 安排相關(guān)的教學(xué)過程（核心學(xué)習(xí)和教學(xué)活動總結(jié)）

本階段中，教師需要安排相關(guān)的教學(xué)活動和學(xué)習(xí)體驗，使其與前兩個階段的預(yù)期目標(biāo)及評估方式保持一致。學(xué)生要實現(xiàn)學(xué)習(xí)遷移和理解目標(biāo)的關(guān)鍵是學(xué)生能完成以下2個問題：①綜合分析光合作用與細(xì)胞呼吸兩個核心問題，提出提高農(nóng)作物產(chǎn)量的可行性方案。②綜合思考影響光合速率的多個環(huán)境因素如何提高光合速率。

3.1 前測

教師設(shè)計“K-W-L（已知的—想知的—本次學(xué)到的）”表，了解學(xué)情并制訂學(xué)習(xí)目標(biāo)。

請回顧初中已學(xué)光合作用的知識：

（1）寫出光合作用的總反應(yīng)式；說出原料、產(chǎn)物、條件、場所；根據(jù)反應(yīng)式分析影響光合作用速率的內(nèi)因與外因。

（2）選擇其中一個環(huán)境因素嘗試完成以下環(huán)節(jié)：①提出問題，建立假設(shè)；②設(shè)計，實施可行性方案；③選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ㄓ涗泴嶒灲Y(jié)果；④客觀地分析與評價實驗結(jié)果；⑤運用科學(xué)術(shù)語精確分享自己的結(jié)論。

3.2 教學(xué)活動

任務(wù)1：基于情境，提出有價值、可探究的問題。

情境：甌柑是溫州重要特產(chǎn)，民間素有“端午甌柑似羚羊”美談，為歷代朝廷貢。如果你有一片甌柑果園，會如何提高產(chǎn)量？

活動1：將上述任務(wù)分解為可探究問題：如何提高光合速率、降低細(xì)胞呼吸？

活動2：設(shè)計表格比較光合作用與細(xì)胞呼吸。

①可以用哪些形式對兩者進(jìn)行比較，請選擇最清晰的表達(dá)方式。

②說明兩者為什么不是可逆反應(yīng)。

③比較生命體的代謝與普通化學(xué)反應(yīng)的異同，說明生命體與自然的獨特性與統(tǒng)一性。

教學(xué)活動總結(jié)：“如何提高甌柑產(chǎn)量？”這個真實任務(wù)與本節(jié)教學(xué)目標(biāo)相關(guān)聯(lián)，促使學(xué)生直面真實情境，根據(jù)情境提出可探究的問題，培養(yǎng)探究能力和社會責(zé)任。通過比較細(xì)胞呼吸與光合作用，學(xué)生領(lǐng)悟：光合作用與細(xì)胞呼吸辯證統(tǒng)一的關(guān)系；細(xì)胞代謝與一般的化學(xué)反應(yīng)區(qū)別。

任務(wù)2：探究環(huán)境因素對光合作用的影響。

初中學(xué)生在個體水平學(xué)習(xí)光合作用，知道其原料、產(chǎn)物、條件、場所。唯物辯證法認(rèn)為：影響事物的發(fā)展是內(nèi)外因共同作用的結(jié)果，外因通過內(nèi)因起作用。

活動1：定性分析影響光合速率的因素。

①影響因素可分為內(nèi)、外因，討論確定影響光合作用的內(nèi)外因，再確定主要的環(huán)境因素。

②光合色素是影響光合速率重要的內(nèi)因，通過實驗提取、分離光合色素，了解光合色素的種類、顏色以及吸收的光譜。

活動2：建立環(huán)境因素與光合速率數(shù)學(xué)模型。

①猜測環(huán)境因素與光合速率的數(shù)量關(guān)系，設(shè)計并實施可行的方案（分組確定不同環(huán)境因素進(jìn)行探究；組員能主動合作，推進(jìn)探究方案和實施）。

②每組陳述實驗探究過程及實驗結(jié)果（用科學(xué)的術(shù)語精確闡明）。

③針對光照強度、溫度、CO2濃度三大環(huán)境因素，逐一分析提高甌柑產(chǎn)量的解題舉措。

教學(xué)活動總結(jié)：教師引導(dǎo)學(xué)生了解科學(xué)探究的“定性→定量”路徑，知道“外因是通過內(nèi)因起作用的”辯證觀點。“探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響”是通過采集、整理與分析實驗數(shù)據(jù)，建立環(huán)境因素與光合速率之間量化關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生開展數(shù)學(xué)建模。圖1、圖2、圖3表示了由單一變量到多因子變量的過程，教師可以利用這三個圖引導(dǎo)學(xué)生提升思維，實現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

任務(wù)3：探究光反應(yīng)、碳反應(yīng)兩個階段。

情境：為什么會出現(xiàn)光照強度、CO2的飽和點？生物的功能是由一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)實現(xiàn)的。要了解光、溫度、CO2等主要的環(huán)境因素對光合速率影響的生理機制，必須深入了解光合作用的一系列中間過程。為了便于研究細(xì)胞呼吸的中間過程，根據(jù)其在線粒體的不同部位的生化反應(yīng)，人為分為三個階段。據(jù)此類比推理，光合作用也可以在根據(jù)在葉綠體的不同部位的反應(yīng)，人為分為光反應(yīng)與碳反應(yīng)兩個階段。

活動1：閱讀教材了解光反應(yīng)與碳反應(yīng)的過程。

①比較光反應(yīng)、碳反應(yīng)。

②在圖4的箭頭處填寫物質(zhì)，說明Ⅰ、Ⅱ的生理過程。

③說明ATP在光反應(yīng)、碳反應(yīng)的能量傳遞中的作用。

活動2：設(shè)計表格比較光反應(yīng)與碳反應(yīng)的異同。

教學(xué)活動總結(jié)：教師引導(dǎo)學(xué)生從細(xì)胞呼吸類比，推理至光合作用的過程也存在中間途徑、中間產(chǎn)物，從而使學(xué)生領(lǐng)悟：①生物的代謝之于一般的化學(xué)反應(yīng)的特殊之處；②光合作用與細(xì)胞呼吸的辯證統(tǒng)一關(guān)系；③學(xué)會用表格比較概念。

任務(wù)4：回歸起始問題：根據(jù)以上的學(xué)習(xí)，若要提高甌柑的產(chǎn)量，有哪些具體的措施？

情境：采集記錄該甌柑園24 h內(nèi)，各環(huán)境因素（溫度、光照強度、CO2的濃度）的變化的數(shù)據(jù)，并繪制坐標(biāo)圖（圖5），Ⅰ為溫度變化、Ⅱ為光照強度變化、Ⅲ為植物吸收CO2量的變化。

活動1：應(yīng)如何提高甌柑的產(chǎn)量？

①如何讀圖？（找出曲線中的拐點，分析原因）；據(jù)圖，先分析單一環(huán)境因素，再分析各環(huán)境因素對甌柑產(chǎn)量的綜合影響。

②說明Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲線的相關(guān)性。

③針對野外自然狀態(tài)與溫室大棚兩種情況，如何提高甌柑的產(chǎn)量？

活動2：在土地資源有限的情況下，甌柑地還可種植其他的作物來提高畝產(chǎn)，如何提高畝產(chǎn)？

①光照：考慮光照強度、光照時長、單位面積光能利用率，提高光照長度、單位面積光能利用率，可利用輪種、套種、間作的手段，提高光能在時空兩個維度上的利用率。

②溫度：可采取適當(dāng)降低夜間的溫度，減弱細(xì)胞呼吸從而降低夜間有機物的消耗。

③CO2濃度：施有機肥可增加田間CO2濃度，“正其行、通氣風(fēng)”，可利用空氣中彌補田間CO2濃度等。

教學(xué)活動總結(jié)：通過數(shù)據(jù)繪制的坐標(biāo)圖，學(xué)生學(xué)會：①分析問題時，需要通過實驗獲得數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)科學(xué)分析解決問題的方法；②綜合分析光合速率與細(xì)胞呼吸；③綜合考量影響光合速率與細(xì)胞呼吸的各環(huán)境因素對植物有機物量總體影響。這個過程可以讓學(xué)生學(xué)會解決真實情境的問題的路徑。

4 “逆向設(shè)計”的思考

UBD是根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)的“逆向設(shè)計”，具有目標(biāo)明確、教師容易掌握的特點。教師要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知邏輯，立足于發(fā)展學(xué)生解決實際問題的能力，由表及里逐步展開教學(xué)。大概念是確定單元的重要依據(jù)，但確定單元更應(yīng)該遵循的是學(xué)生的認(rèn)知特點，以學(xué)生學(xué)習(xí)的真實發(fā)生為先，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。一個單元一般都需要幾節(jié)課才能完成，教師在進(jìn)行“逆向設(shè)計”時，需酌情考慮單元教學(xué)設(shè)計與課時教學(xué)設(shè)計之間的銜接，可利用課前、課后的作業(yè)較好地將課時教學(xué)與單元教學(xué)進(jìn)行連接。