大概念視角下高中生物PBL教學法的策略研究

一、研究背景與問題提出

（一）現實困境

當前高中生物大概念教學面臨以下挑戰：

1.大概念教學的認知與實踐脫節

美國科學促進會（AAAS）及劉恩山（2018）均強調，大概念教學要求教師從“教知識”轉向“教觀念”，并圍繞大概念重組內容、設計教學。但實際教學過程中教師多將大概念簡化為核心概念的疊加，未將其轉化為可探究的教學活動。

2.PBL教學策略與情境設計不足

建構主義學習理論強調課堂教學需以學生為中心，通過“主動思維活動”在原有認知基礎上建構大概念。但在實踐中，一方面教師缺乏將大概念與PBL任務結合的策略，無法引導學生圍繞大概念展開深度探究；另一方面“形式化”情境設計難以提供運用生物學知識解決實際問題的機會，導致PBL教學法難以促進大概念的建構。從根源上分析，是因為教師缺乏以“大概念”為“錨點”來逆向設計PBL任務的策略，未能將PBL任務作為學生建構和理解大概念的載體

3.大概念導向的評價體系缺位

科學的評價體系是大概念教學與PBL教學法有效落地的保障，但現有的評價方式很難有效評估學生對大概念的深度理解以及在新情境中遷移應用的能力。其次，評價理念、方式與目標的三重脫節，成為大概念教學推進的關鍵瓶頸。

（二）理論訴求

本研究提出“大概念—PBL”融合教學機制，包含兩個核心要素：

1.知識結構化：構建“重要概念一次位概念 一知識節點”三級知識圖譜，系統整合離散知識點。

2.問題驅動設計：設計階梯式PBL項目群，每個項目設置“概念錨點”與“梯度問題鏈”，通過真實問題情境促進知識遷移，解決知識碎片化和概念進階困難兩大教學難題。

二、大概念統整的PBL單元教學模式

本文探討的“遺傳信息的表達”是大單元“遺傳的物質基礎”的核心課時，涉及RNA功能、中心法則、基因與性狀關系等關鍵概念，是連接DNA結構與生命現象的重要紐帶。在傳統高中生物學教學中，遺傳信息的表達過程通常被分解為三個孤立知識點：轉錄、翻譯以及表觀遺傳調控，導致學生對遺傳信息流動的整體性、動態性缺乏深度理解。《普通高中生物學課程標準》（2017年版2020年修訂，以下簡稱《課程標準》）強調，教學中應以核心概念為指導進行知識體系的構建。如何通過真實情境整合知識網絡、實現概念進階在推動教育體系創新的過程中發揮著不可或缺的重要作用。

基因工程憑借其革命性突破，正在深刻改變生命科學領域的發展軌跡，其底層邏輯與“遺傳信息的表達”高度契合。以“改良矮牽牛花瓣顏色”為情境，不僅貼近農業育種實際需求，還能串聯基因表達調控的分子機制、表型與基因型的關聯性等核心內容。此情境下，學生需從“為何需要通過調控基因表達實現性狀改良（紫色變深）”“如何通過外源基因干預實現目標”等問題出發，逐步構建對“遺傳信息傳遞的復雜性”與“生命系統調控的層級性”的系統認知。

據此，本研究構建了“大概念引領一大單元統籌一PBL實施”的三維協同框架，該模式包含三個關鍵維度：

（一）概念整合維度。以“遺傳信息控制生物性狀”為核心大概念，系統整合基因本質、DNA結構、表觀遺傳等知識模塊，構建“分子一細胞—個體”多層級概念體系。

（二）課程組織維度。采用大單元架構，縱向貫穿DNA復制、表達與調控知識鏈，橫向融合結構與功能關系，形成“結構一機制一應用”三維知識網絡。

（三）教學實施維度。基于矮牽牛花色改良的真實情境設計四層階梯式PBL任務鏈。基礎層：通過“探究查耳酮合酶基因和花色之間的秘密”回顧基因表達的基礎知識。分析層：通過“探究轉基因矮牽牛的秘密”分析基因表達的差異性。遷移層：通過“探究轉基因矮牽牛顏色變淺的秘密”推理表觀遺傳的機理。創造層：設計實驗推測RNA干擾的主要效應分子。

通過“現象觀察一模型建構一問題解決”的科學實踐路徑，促進知識向素養的轉化，有效解決傳統教學中概念碎片化問題。

三、基于PBL的大概念教學實施策略

從認知神經科學視角來看，前額葉皮層、邏輯推理等高級認知功能具有有限容量特性。基于認知負荷理論，本研究構建的PBL教學模式通過設計階梯式問題鏈（基礎層一分析層一遷移層一創造層）和多模態認知任務，能夠分布式激活前額葉神經網絡、優化認知資源分配、維持學習動機。該模式采用“情境一問題一探究一反饋”的閉環設計，使學習過程符合大腦認知規律，有效解決了傳統教學中的認知超載與知識碎片化問題。

（一）創設情境 激活認知的“啟動器”

情境創設作為認知啟動機制，其有效性具有多重理論支撐。首先，從神經科學角度，新穎情境刺激可促進多巴胺分泌，激發探索行為；其次，生物學學科特性要求通過真實情境呈現生命現象的復雜性；最后，高考評價體系強調在真實情境中考查

核心素養。

創設情境時要盡量滿足以下兩個原則。首先是貫穿性原則，構建單元整體情境脈絡，形成知識組織的“敘事邏輯”，避免認知碎片化。其次需滿足真實性原則，基于科學實踐或社會議題設計情境，確保學科內容與現實世界的關聯性。

“遺傳的物質基礎”這一大單元，體現了人類不斷追求科學真理的過程：DNA作為遺傳物質的本質特征是什么？為何DNA具備這種特性？遺傳信息的載體如何體現？如何傳遞 $$ 遺傳信息如何表達。本單元的復習課以“科研人員通過基因工程希望得到紫色更深的矮牽牛花瓣植株”為情境逐步展開，整合教材相關內容，結合學生已有知識結構，實施PBL教學法，學生根據問題展開主動探究。

構建基于真實科研案例的大單元教學設計，包含兩個遞進課時：第一課時通過基因克隆與轉化技術案例，建立DNA結構與功能認知；第二課時以花青素合成調控為主線，整合基因表達、表型變異及表觀遺傳等內容，完整呈現從分子機制到性狀表現的遺傳信息傳遞過程。

（二）精準對標，概念教學 校準思維的“導航系統”

《課程標準》指出，生物學教學要以學科大概念為核心，培養學生的核心素養[1]。基于大概念的PBL教學法的實施路徑就是以概念為導航進行逆向設計，以“遺傳的物質基礎”這一大單元的復習課為例。

1.課標對標。錨定生物學大概念：遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳。

2.概念解構。建立“大概念一重要概念一次位概念”三級體系，將大概念分解為可操作性學習目標（如圖1所示）。

3.1.5為第二課時“遺傳信息的表達”的概念學習任務。以第二課時“遺傳信息的表達”為例，次位概念5可以再次拆解為三個小概念：概述DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導蛋白質的合成；細胞分化的本質是基因選擇性表達的結果；生物的性狀主要通過蛋白質表現。因此本節復習課通過實現四個小概念，逐步支撐重要概念以及大概念。

3.任務設計。基于“矮牽牛的花色”這一情境，根據層級概念設計情境化學習任務鏈。本節課共設計了四個項目，十個問題。設計問題時，要以概念的形成為目標，其中，4個問題指向“概述DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導蛋白質的合成”，1個問題指向“細胞分化的本質是基因選擇性表達的結果”，1個問題指向“生物的性狀主要通過蛋白質表現”，1個問題指向“概述某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現象”，以上問題都基于轉基因矮牽牛的構建，直接引導學生理解重要概念“親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上”。在以上問題引導的學習基礎上，加上3個問題直接指向大概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”，逐步引導學生通過復習形成了生物學大概念。

4.動態評估：嵌入形成性評價機制。教學中及時進行評價，小組合作學習后的及時反饋，都為學生校準了學習的方向。

（三）構建認知階梯，學生深度參與——高效課堂的“動力引擎”

PBL教學法的核心是通過創設情境問題，激發學生自主探究的興趣，并引導他們深入思考與實踐。問題串的設置本質是構建一條“認知階梯”。首先確定教學的起點，學生當前的認知水平，再確定教學的終點，本節課的教學目標。從起點到終點逐步設計“基礎層一分析層一遷移層一創造層”的認知階梯。設計從“記憶理解”到“分析創造”的思維進階活動。

1.確定起點。以“遺傳信息的表達”復習課為例。首先需要評估學生當前的認知能力狀況，再結合其知識基礎進行系統性探討。從基礎概念理解方面著，通過前一節課的復習，學生已經掌握了DNA的結構及其復制機制，明確了其作為遺傳物質的核心地位，并對本節課所涉及的遺傳信息轉錄與翻譯過程、中心法則以及基因調控性狀等具體知識點有了深入理解。從核心素養的視角分析，學生在以下多個維度上仍存在待提升的空間：深入探究基因與性狀關聯的復雜性，接受生物學領域因果關系的多層次特性，進而嘗試從多維度、多因素的角度對復雜現象進行系統分析。

2.錨定終點。確定本節課的教學目標：明確基因指導蛋白質合成的過程，形成生命作為物質、能量與信息的統一存在，構成了對生命本質的全新認知體系；明確中心法則的核心要義，同時強調科學知識體系始終處于動態演進之中；闡明基因對性狀的控制過程，明確基因與性狀的關系，認同生命的復雜性。

3．構建階梯

基于大概念教學理論及建構主義學習觀，本節課精心設計四階問題鏈搭建認知腳手架，系統實現學生思維層級的躍遷。在基礎認知階段，通過分子水平的概念辨析與細胞層面的機制驗證，幫助學生建立關鍵事實性知識的錨定點；在分析應用階段，借助比較分析與過程推演，培養學生基于證據的邏輯推理能力；在遷移整合階段，通過現象解釋與關系論證，發展學生的批判性思維與概念聯結能力；最終在創新創造階段，通過開放性實驗設計，達成知識遷移與創新應用的目標。這種階梯式設計融合多模態學習刺激，有效促進陳述性知識與程序性知識的整合，最終實現從知識掌握到綜合素養的全面提升（如圖2所示）。

（四）構建認知沖突的產生 促使學生突破思維定式

認知沖突作為一種教學策略，其理論基礎在于認知失衡引發的神經機制變化。當新信息與學習者原有認知圖式產生矛盾時，會刺激中腦邊緣多巴胺系統的激活，這種神經遞質的變化能夠顯著提升探究動機。從建構主義視角看，該過程遵循“認知失衡一動機激發一圖式重構”的心理機制，是實現概念轉變的有效路徑。在PBL教學中，精心設計的認知沖突能夠促進深度學習，使知識建構從表層記憶轉向概念性理解。

在“遺傳信息的表達”中，我們在資料三中構建了認知初級沖突一一為了得到紫色加深的矮牽牛，將可以加深花色的基因轉入矮牽牛中，花色能加深嗎？科研人員發現紫色不但沒有加深，反而變淺，甚至出現白花。這個信息挑戰了固有認知“基因過量表達增強表型”。在思維失衡后，學生主動探究花色變淺的機制，并重構認知，轉入外源查耳酮合酶基因，使得內源和外源的查耳酮合酶基因的表達都受到了抑制，從而認可基因表達的調控是復雜的，基因能否表達，表達量的多少，都是受到嚴格調控的，生命是復雜的。

在資料四中構建了認知的深度沖突一轉基因矮牽牛中轉入的花色相關基因，卻導致部分植株雄性不育，打破了“基因與性狀一一對應”的固有認知，激發探究動機，進而驅動了認知重構。學生發現轉基因矮牽牛中內源chsA絨氈層細胞內基因活性被阻斷，導致類黃酮合成過程受阻，進而導致了植株育性的改變。學生也深刻理解了基因與性狀之間究竟存在怎樣的聯系，基因表達受多種因素調控，其與表型的關聯遠非一一對應，這種調控機制的存在讓生命系統的復雜性更顯清晰。

（五）教學與評價一體化——強化核心素養，發展高階思維與實踐能力

基于PBL教學法的高效課堂設計，結合大單元教學理念，“遺傳的物質基礎”復習課的教學評價需以核心素養為導向，圍繞教學目標、教學過程、評價任務三者協同設計。在規劃評價任務時，教師需以學科核心概念為錨點，通過真實情境的深度融入，設計能夠體現針對知識遷移能力與問題解決能力的綜合評估任務。教學與評價一體化設計流程包括三個階段。階段1：大單元整體診斷（課前），快速定位學生知識盲區。階段2：PBL任務驅動學習（課中），教師根據學生課堂表現實施過程性評價。階段3：成果整合（課后），教師通過項目報告、單元測試等工具實施總結性評估，并結合學生的課堂參與度、學習日志記錄等內容進行綜合分析。教師反饋表開展反思性評價。評價內容涵蓋學生的基礎知識掌握、學科概念歸納總結以及概念遷移與應用等，并采用分層評價策略（見表1）[2]。此舉旨在確保評價嵌入教學活動全過程，真正通過評估驅動學習與教學的優化，促進學生全面發展。

表1“遺傳的物質基礎”一體化教學評價

結束語

大單元PBL教學的本質是通過真實性實踐促進大概念的意義建構。在“遺傳信息的表達”教學中，以基因工程情境為載體，通過層級化問題鏈驅動學生像科學家一樣思考，將“中心法則”“基因調控”等概念轉化為解決實際問題的認知工具。這種教學模式不僅強化了學生對知識的深度理解，更培育了學生的系統思維、證據意識等科學核心素養，為生物學大概念教學提供了可借鑒的范式。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]鄭語絲，華少亮，王龍.聚焦生物學大概念的大單元教學策略：以“基因突變及其他變異”為例[J].中學生物學，2025，41（4）：73-76.

本文系省市教育教學“十四五”規劃2023年度青年課題“大概念視角下高中生物PBL教學法的策略研究” （課題編號：2023QN012）研究成果之一。