系統觀視角下的高中生物學單元教學設計與實踐
——以“細胞的結構與功能”單元教學為例

重慶市彭水縣民族中學校 何佳潞 何志東

清華大學附屬中學 吳丹丹

在課程改革進程中，教育部發布了新的課程標準，明確提出了學科核心素養，并將培養學生核心素養作為核心任務。單元教學是實現核心素養的重要途徑，它以大概念為引領，圍繞單元學習主題設計系列學習活動，以學科核心素養及其進階發展為目標。因此，對教師來講，單元教學設計可以幫助教師擴充知識容量，豐富教學方法和策略，突破狹隘的課時思維，使內容組織結構化，內容呈現情境化。對學生來講，單元教學能保證學生對學習主題的完整理解，克服學習內容的碎片化，在整體優化的基礎上產生聚集效應。

作為一門自然學科，系統觀是理解生命本質的基礎，能解答生命是什么且怎么運轉的問題，它從生物多樣性、復雜性中尋找一致性——生命系統。理解生命系統最佳的出發點即細胞，細胞作為最基本的生命系統，有著精密的結構和豐富的生命活動。同時，本單元的內容從結構上分析，也是建立在系統觀的基礎之上，即從細胞出發，將細胞作為一個系統進行學習，有助于學生從整體把握系統觀，建立系統觀。

那么如何進行單元教學設計？筆者在教學實踐中，嘗試從系統觀視角出發，以北師大版高中生物學必修一第二章“細胞的結構與功能”為例，進行單元教學設計，從系統的視角來呈現細胞作為一個最基本的生命系統，其生命活動的運作和配合是如何進行的，同時幫助學生構建系統觀的生命觀念。本文主要從單元教學內容分析、單元教學目標制定、單元教學過程以及單元教學評價等幾個方面進行“細胞的結構與功能”的單元教學設計。

一、系統觀視角下的單元教學內容分析

本單元的教學內容主要包括質膜、細胞質、細胞核以及細胞骨架與內膜系統，整個教學內容是圍繞細胞作為最基本的生命系統展開的，從系統觀的視角來分析細胞各部分的結構和功能，相應的教學內容就可劃分為“系統的邊界、系統內的分工與合作以及系統的控制中心”，幫助學生初步建立生命系統的概念。本單元涉及的教學內容是大概念“細胞是生物體結構與生命活動的基本單位”和“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”下的部分重要概念，這些重要概念是對第一單元知識的深入學習，具體就是要了解細胞相應的結構和功能，同時也是為后一單元——細胞的物質基礎做鋪墊。本單元的重要概念即“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”（以下簡稱重要概念a）、“各種細胞具有相似的基本結構，但在形態與功能上有所差異”（以下簡稱重要概念b）和“物質通過被動運輸、主動運輸等方式進出細胞，以維持細胞的正常代謝活動”（以下簡稱重要概念c），在四個次位概念的基礎上形成重要概念a，重要概念a支撐學習重要概念b和c，將細胞的各結構聯系起來，從系統角度理解生命活動的整體性和有序性，而重要概念a則從系統的視角闡釋了這一生命系統的整體性、有序性、動態性和組織性。本單元概念之間的相互關系如圖1所示。

圖1 本單元概念間關系示意圖

二、系統觀視角下的單元教學目標的制定

本單元是幫助學生建立生命系統這一概念的關鍵內容。在此之前，學生已初步學了關于細胞及其基本結構和功能的基礎知識，但未對其微觀結構以及與之相適應的功能建立聯系，因此筆者根據課程標準有關“細胞的結構與功能”的學業要求和學業質量標準，圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下單元教學目標。

（1）通過對細胞基本結構的觀察和學習，能認同生命的自主性，從而更深刻地理解細胞內部也是一個有系統的整體；在分析相應的科學史料的基礎上，深化細胞結構與功能的理解，形成結構與功能相適應和系統觀的生命觀念。

（2）通過對細胞部分結構的模型建構，能對細胞的結構和功能做出總結和分類，形成歸納概括、模型與建模的能力。

（3）通過驗證酵母細胞質膜的功能、實施水進出植物細胞以及觀察細胞中的葉綠體和細胞質的流動等實驗，能針對特定情境提出可探究的問題并設計實驗，并對相應結果進行分析，增強對身邊生物學現象的探知欲，以及對實驗結果的交流與討論能力。

（4）通過列舉、分析生活中和細胞結構與功能相關的科學實驗、科學研究等活動，運用“系統觀”及細胞結構、功能的相關原理，嘗試分析討論人工生物膜的應用、合理灌溉和施肥等社會問題，增強社會責任感。

三、系統觀視角下的學習活動設計

本單元的教學設計是圍繞單元核心問題“細胞如何形成一個有序的系統”，以“主題—活動—觀念”為主線展開的，學生從宏觀感知入手，去體會細胞作為一個最基本的生命系統，它的各項生命活動是如何運作的，如圖2所示。

圖2 生命觀念建構示意圖

（一）系統的邊界——質膜有怎樣的結構和功能

為了讓學生從宏觀上去感知細胞作為最基本的生命系統有其自己的邊界，課程開始時即選擇一個酵母菌染色實驗，通過這個實驗讓學生能感受到真實的質膜存在。此外，染色實驗能體現系統觀，即質膜作為系統的邊界是可以將活細胞內與外分隔開來，來保證細胞這個最小的生命系統的內部環境的相對穩定。具體活動安排如下。

活動一：驗證酵母細胞質膜的功能。教師通過引導學生完成酵母細胞的染色實驗，通過觀察實驗現象——有的細胞被染色，而有的細胞沒有被染色，讓學生先從宏觀上去感知質膜的存在，理解它作為細胞邊界的原因。

在感知質膜的存在、掌握質膜成分的相關知識后，學生要更深層次地去了解質膜成分間的關系，因此進行活動二：重溫科學實驗，建構質膜模型。教師提供簡單易得的剪紙模型（磷脂分子和蛋白質），學生在完成質膜成分的學習以后，結合冰凍蝕刻技術的實驗結果，去探究這兩種物質可能的組合方式，構建出質膜的流動鑲嵌模型。

建立流動鑲嵌模型后，學生要將其結構與功能聯系起來，用實驗去探索質膜在物質運輸上的功能，進行活動三：進行質壁分離實驗，分析實驗現象。在這個活動中，教師將引導學生操作水分子進出植物細胞的實驗，通過觀察實驗現象——質壁分離與復原，學習水分子進出細胞的方式，從而為其他的物質運輸方式做鋪墊。

設計意圖：以科學實驗為背景，問題為導向，引導學生進行實驗探究、模型建構，激發學生理性思維，突破難點。

在這一主題下的活動中，教師要注意引導學生利用“結構與功能觀”去分析系統邊界存在的原因及意義，從宏觀和微觀層面感知質膜及其結構功能。同時，這一節內容幫助學生初步建立“系統觀”，細胞作為一個最基本的生命系統，有自己穩定的內部環境，這是依賴其系統的邊界。物質進出細胞的方式其實與細胞生命活動的需求、所處環境息息相關，引導學生學會從系統觀、結構與功能、生物與環境相適應的角度去思考和解決問題。

（二）分工與合作——各細胞器有怎樣的結構和功能

學生在初步建立了系統觀以后，要深入學習系統內部的運行，對細胞內各個微觀結構進行學習，掌握它們的結構特點及功能，建立系統運行的結構基礎。為了將微觀結構宏觀化，安排以下活動。

活動一：觀看視頻和圖片，對線粒體、葉綠體的結構與功能進行歸納總結。教師在此活動中，以“系統的運行需要能量和物質”為主線，引導學生在視頻中從物質和能量轉換的角度先認識這兩大細胞器，體會結構與功能觀，初步建立物質與能量觀。為了更加直觀地理解細胞器在系統中的分工合作，進行活動二：閱讀教材33頁中提供的資料1和資料2，分析在分泌蛋白產生、運輸和分泌過程中相關細胞器所發揮的作用。在此活動中，以“蛋白質的合成、加工、運輸和水解歷程”為主線，引導學生對科學史料進行分析，對其余細胞器的形態結構和功能進行歸納概括，初步體會細胞內部各種結構的動態合作。

設計意圖：通過這兩個活動，讓學生學會用“細胞是一個統一的整體”的觀念去整合學習內容，領會在系統中細胞器之間既分工又合作，通過歸納各細胞器之間的相同點和不同點，感受它們之間的相關性和連續性。

（三）系統的控制中心——細胞核的結構與功能

在前兩個主題下的學習活動中，學生已經了解了細胞這一系統內各結構能有條不紊地進行各項生命活動，而這一切指令的發出者都是因為其“控制中心”——細胞核的存在。學習細胞核的結構和功能，安排以下活動：閱讀傘藻材料，總結細胞核功能。學生在這個活動中，主要通過分析傘藻的系列實驗，獲得對細胞核功能的感性認識，理解劃分細胞類型的依據。

設計意圖：在初中階段學生已經知道細胞核是遺傳信息庫，但對細胞核的具體結構以及細胞核如何控制生命活動的認知是很淺顯的。在高中階段，學生要理解為什么它能稱為“庫”，實際上與其能攜帶大量的遺傳信息相關，而遺傳信息又與染色體、DNA分子等物質有聯系，這些都是比初中更微觀的知識。通過這個活動，學生能更好地理解在這一系統中，“控制中心”的必要性，不斷從系統觀的角度理解系統內部的統一和分工。

（四）相互聯系——細胞骨架與內膜系統

在學習此節內容之前，學生獲得的是對細胞各個結構單獨的認識，為了幫助學生對細胞這個生命系統有更加完整的認識，設計以下活動：制作真核細胞的亞顯微結構模型。教師可以給學生提供各種顏色的超輕黏土或橡皮泥，學生依據此前所學內容將細胞各結構還原出來，體現其中的相互聯系，這是學生從靜態——結構上尋找聯系。而動態——功能上的聯系，可結合教材中“具膜小泡沿著微管移動”，以動圖的形式給學生展示出來。

設計意圖：模型的建構和動圖的展示可以引導學生從細胞骨架和內膜系統的結構和功能的角度，對細胞各結構之間的關系進行思考，從系統觀的角度理解系統內部的相互聯系，從而幫助學生建立細胞這一生命系統的整體性、有序性，同時也能建立細胞是最基本的生命系統的觀念。

四、系統觀視角下的學習評價設計

新課程標準中提到一個基本理念——學業評價促發展，因此，在整個單元教學中，評價環節不容忽視。評價的目的主要有三個：第一，確定學生是否為下一個進度的學習做好準備；第二，能診斷出學生學習的困難所在；第三，將評價與學習活動相結合，解決學生學習中存在的一些問題。

在本單元中，部分評價目標設定如表1所示。

表1 學習評價表

以系統觀視角統領整個單元教學，使知識之間有了相互關聯，因此教師在教學中切忌將知識點切割開來，注意引導學生對知識連貫性、整體性的把握，同時要注重知識的遷移應用。在活動設計中，要注意教學來源于生活，生活中有教學，使學生潛移默化地形成對實際的科學研究的關注，提升科學思維，培養社會責任意識。

五、教學反思

本單元的教學設計圍繞核心問題“細胞如何形成一個有序的系統”展開，以培養學生的學科核心素養為目標，設計系列學習活動，讓學生體驗細胞作為最基本的生命系統是如何進行自己的生命活動的。在學習細胞的各個微觀結構上，通過宏觀的感性認識為理性認識奠定基礎，這是學生在初中階段所不能達到的水平。在關注社會前沿科學研究的時候，學生會利用已學的知識去分析并提出更多的問題，學生在這個過程中就會逐漸樹立社會責任感，逐步向課程的核心素養靠近，同時，可促進學生關鍵能力的形成。