促進科學家精神培育的高中生物學大單元教學研究

科學家精神是科學工作者在長期探索實踐中形成的價值追求和行為規(guī)范，其核心包括求真務實的探究精神、開拓進取的創(chuàng)新精神、嚴謹縝密的實證精神和造福人類的奉獻精神。在當前科技強國建設的背景下，培育青少年的科學家精神具有雙重意義：既是落實立德樹人根本任務的關鍵舉措，又是培養(yǎng)未來科技創(chuàng)新人才的基礎工程。

在核心素養(yǎng)導向的課程改革背景下，科學家精神培育面臨三重困境：一是教學實施呈現“點狀分布”，多依托零散的科學家故事進行道德層面的灌輸；二是培養(yǎng)方式存在“知行脫節(jié)”，實驗探究與精神培養(yǎng)呈現“兩張皮”狀態(tài)；三是評價維度單一，側重知識的掌握而忽視精神品格的發(fā)展。這些困境折射出傳統課時教學在價值觀培養(yǎng)方面的結構性缺陷。因此，本文基于大單元教學的系統性優(yōu)勢，嘗試探索科學家精神培育的新路徑。

一、大單元教學培育科學家精神的四維向度

（一）時間延展性 -培育持續(xù)探究精神

科學發(fā)現本質上是時間維度的認知積累過程。根據“科學過程完整性理論”，真正的科學探究必須經歷“問題涌現 $$ 假說構建 $$ 實證檢驗 $$ 理論修正”的完整時序鏈條。這種時序特征與當前課時教學碎片化的時間分配存在根本性矛盾：40分鐘的教學時間往往只能呈現科學結論的橫截面，卻難以完整再現科學家數年乃至數十年的探索歷程。而大單元教學通過重構學習時間尺度，在以下三個層面實現了與科學發(fā)現過程的時序同構。

一是在認知發(fā)展的節(jié)奏上，大單元教學遵循“慢科學”原則。傳統的教學大多將孟德爾遺傳定律壓縮為2個課時講授，要想完整再現其“八年豌豆實驗 $$ 數據統計分析 $$ 理論建構失敗 $$ 死后學術認可”的全過程，至少需要6個課時的單元化設計。這種延展的時間安排，能讓學生體驗科學發(fā)現的非線性特征。大單元教學通過設計階段性探究任務，讓學生在假設、驗證與推翻的循環(huán)中理解科學發(fā)展的曲折性。二是在思維品質培養(yǎng)上，大單元的時間跨度促進深度思考：當一般單元擴展為包含預習、實驗、建模、辯論的大單元時，學生才有足夠時間經歷概念重構過程。三是在精神品質的塑造上，大單元教學注重設計并實施跨周的項目任務，使學生親歷失敗、調整、再嘗試的完整周期，這種時序體驗能有效培養(yǎng)學生對非常規(guī)現象的敏感度等核心品質。

（二）概念統整性 培育系統思維品質

根據認知負荷理論，當知識以孤立元素的形式呈現時，工作記憶的認知負荷會呈指數級增長。大單元教學通過建立概念網絡，系統培養(yǎng)像科學家一樣的問題解決思維。一方面，大單元教學通過縱向統整實現概念結構化：傳統課時教學將學科內容拆分為離散的知識點，而大單元設計則構建起“膜系統 $$ 跨膜運輸 $$ ATP供能”等的概念鏈條。當學生以膜功能為核心統整相關概念時，其認知圖式會自然形成層級化的系統框架。另一方面，大單元教學通過橫向聯結培養(yǎng)多維關聯能力：復雜生物系統往往需要跨維度思考，如理解生態(tài)系統穩(wěn)定性需要同時考慮物種多樣性（生物學）、能量流動（物理學）、物質循環(huán)（化學）等維度。大單元教學通過設計“穩(wěn)態(tài)”等主題，強制激活多學科概念的橫向聯結，這種訓練直接對應科學家解決實際問題時的思維特征。

此外，大單元教學通過動態(tài)調整發(fā)展元系統認知。真正的系統思維要求根據問題情境重構概念網絡，正如達爾文在環(huán)球航行中不斷修正其進化理論框架。大單元教學設計通過預留“概念重組區(qū)”，引導學生根據新證據調整原有認知結構，這種彈性思維正是創(chuàng)新型科學家的標志性特征。概念統整的本質是重建知識的發(fā)生學路徑：當大單元教學在還原“從孟德爾豌豆實驗到表觀遺傳”的概念演進歷程時，學生獲得的不僅僅是知識本身，更是科學家構建理論體系的思維工具，而這正是培養(yǎng)系統思維的終極目標。

（三）情境關聯性 培育實證研究素養(yǎng)

真實問題情境與科學方法的內化之間存在認識論層面的必然聯系。根據實踐認識論的基本原理，方法的內化程度取決于其應用情境的真實性與復雜性。

情境的復雜性決定了方法的選擇性。真實世界的問題往往呈現多因素交織的特征，這種復雜性迫使學習者像專業(yè)研究者那樣進行方法論的自覺選擇。當面對非結構化問題時，學生需要經歷“問題識別 $$ 方法匹配 $$ 工具改造”的完整決策過程，這種思維訓練使科學方法從簡單的操作程序升級為解決問題的策略系統。

情境的動態(tài)性強化了證據的建構性。靜態(tài)的實驗設計往往預設了確定的因果關系，而真實研究需要在信息不完全的條件下建立證據鏈。大單元教學通過保留情境的開放性特征，培養(yǎng)學生處理異常數據、解釋陰性結果的能力，這種訓練直接對應科學發(fā)現中“觀察負載理論”的本質。

情境的約束性激發(fā)了方法的創(chuàng)新性。科學研究中的創(chuàng)新通常產生于資源約束條件下的方法論突破。當學習者必須在有限條件下設計解決方案時，他們實際上就是在重演科學史上的經典創(chuàng)新路徑，這種體驗使方法論意識從被動接受轉變?yōu)橹鲃觿?chuàng)造。

情境關聯性的深層價值在于重建科學研究的本體論基礎。通過將方法訓練嵌入真實問題解決過程，大單元教學實現了科學方法的雙重內化：在操作層面形成穩(wěn)定的認知圖式，在思維層面建立反思性的方法論自覺。這種內化機制正是實證研究素養(yǎng)從技能維度向精神維度轉化的關鍵路徑。

（四）評價多元性 -培育科學倫理意識

大單元教學通過構建三維評價體系，實現科學倫理的深度內化。

在認知維度，評價應聚焦對倫理原則的理解，包括對科學規(guī)范的認知掌握，以及對科研倫理兩難情境的分析能力。評價設計應采用開放式問題，考查學生在假設情境中的倫理推理過程，而非簡單的對錯判斷。

在行為維度，評價應關注研究實踐的合規(guī)性。真實的科研活動要求研究者將倫理認知轉化為具體行為，如實驗動物的福利保障、數據處理的誠信記錄等。大單元評價應通過過程性觀察，記錄學生在探究活動中的倫理行為表現，引導學生建立行為與認知的關聯性分析模型。

在價值維度，評價應側重對科學責任的認同。最高層級的倫理意識表現為對科學家社會責任的自覺擔當。通過設計“科技倫理辯論”等評價任務，評價學生在價值沖突情境中的立場選擇和價值排序。這種評價直接指向科學家的精神境界。

三維評價的內在統一性體現在其遞進關系上：認知是基礎，行為是外顯，價值是內核。當大單元教學同時關注學生對“克隆技術安全性”的認知水平（能否識別風險）、行為表現（是否規(guī)范操作）和價值判斷（如何權衡利弊）時，就實現了從倫理知識到倫理意識的完整轉化。評價多元性的本質是重建科學教育的價值維度：通過三維模型的應用，學生獲得的不僅僅是科研能力，更是像袁隆平那樣的科學家所具備的“禾下乘涼夢”—將科學理想與社會責任融為一體的精神品格。

二、基于教材大單元的科學家精神培育策略

（一）滲透式感悟：大單元的史料浸潤策略滲透式感悟策略強調通過科學史料的有機融人，讓學生在理解知識發(fā)展脈絡的過程中感悟科學家的思維方式和精神品質。該策略以大單元為載體，通過還原科學發(fā)現的歷史場景，讓學生在知識建構過程中自然接受求真精神的熏陶。在具體的教學中，教師可以選擇典型史料建立認知沖突，創(chuàng)設歷史情境以激發(fā)學生的探究欲望，進而通過科學家的原始實驗數據培養(yǎng)學生的實證意識。

在人教版高中生物學必修一“生命系統的結構與功能”大單元教學中，教師可圍繞DNA分子結構的探索歷程設計三層次遞進式教學活動。第一層次“結構探秘”階段，引導學生分析沃森和克里克早期構建的三鏈模型最終失敗的原因，通過對比富蘭克林的X射線衍射數據，理解“結構決定功能”的基本原理，培養(yǎng)學生尊重實驗證據的科學態(tài)度。第二層次“功能驗證”階段，重現1953年刊于《自然》雜志論文的推理過程，要求學生根據堿基互補配對原則，設計證明DNA半保留復制的實驗方案，體驗科學家從結構推導功能的邏輯思維。第三層次“當代啟示”階段，組織學生討論CRISPR基因編輯技術的結構基礎與應用倫理，理解科學發(fā)現的雙重性，培養(yǎng)責任意識和創(chuàng)新意識。整個單元通過“問題提出一證據收集一模型構建一功能預測與倫理反思”這一完整的教學鏈條，將求真精神貫穿始終。學生在重走科學探索之路的過程中，既掌握了“結構與功能相適應”的生物學觀念，又領悟到“大膽假設、小心求證”的科研真諦。

（二）聚焦式促進：大單元實證訓練策略

聚焦式促進策略是指通過精心設計的實證訓練活動，讓學生在真實科研情境中經歷“提出問題一設計實驗一分析數據與得出結論”這一完整的探究過程，從而深刻理解科學研究的嚴謹性。該策略強調以經典實驗為載體，通過數據驅動的問題鏈設計，引導學生像科學家一樣思考。

在必修一“生命的遺傳與變異”大單元教學中，教師可圍繞肺炎雙球菌轉化實驗，設計包含四個環(huán)節(jié)的實證訓練體系。第一環(huán)節(jié)數據溯源，組織學生分組研讀格里菲斯1928年的原始實驗記錄，重點分析四組實驗的對照組設置和結果差異，理解“死菌轉化”現象的數據支撐。第二環(huán)節(jié)實驗重構，引導學生設計驗證實驗：提供艾弗里1944年實驗的部分數據，要求學生補充關鍵實驗步驟，特別是DNA酶處理組的設置原理，培養(yǎng)學生重視變量控制的實證思維。第三環(huán)節(jié)定量分析，指導學生計算不同處理組的轉化效率，繪制R型菌轉化為

S型菌的概率曲線，讓學生體會數據量化在科學發(fā)現中的重要性。第四環(huán)節(jié)當代遷移，結合基因編輯技術，討論現代生物學如何證實和拓展“遺傳物質可轉化”的生命觀。整個單元呈現出“原始數據一實驗設計一定量分析一理論遷移”的訓練鏈條。如此，學生在處理真實科研數據的過程中，得以強化生命物質可轉化的生物學觀念，培養(yǎng)“用數據說話”的實證精神。

（三）網狀式集成：大單元項目統整策略

網狀式集成策略強調通過跨學期、跨模塊的項自式學習，將零散的知識點整合為有機聯系的認知網絡，讓學生在解決真實問題的過程中形成系統思維。該策略以“穩(wěn)態(tài)與平衡”這一核心概念為統領，通過設計長期觀察項目，培養(yǎng)學生整體把握生態(tài)系統各要素相互關系的能力。“校園池塘生態(tài)監(jiān)測”項目因其時空延續(xù)性和變量可控性，特別適合用于培養(yǎng)學生的系統思維。實施該策略需要建立多學科知識聯結，并注重長期數據的積累與對比，從而培養(yǎng)動態(tài)平衡的生態(tài)觀念。

在具體教學中，可通過構建“校園池塘生態(tài)監(jiān)測”跨學期項目，搭建包含四個維度的教學體系。在空間維度上，組織學生劃分池塘不同生態(tài)位（水面、水中、水底、岸邊），記錄各區(qū)域物種組成及數量變化，理解生態(tài)位的分化與協作。在時間維度上，設置四季觀測節(jié)點，對比水溫、溶液的 pH. 、溶解氧等理化指標的年周期變化，分析氣候因子對生態(tài)系統的影響。在結構維度上，通過食物鏈構建實驗，觀察引入或移除某一物種后系統的響應機制，如投放草魚后水生植物數量的變化。在功能維度上，設計人工干預實驗（如增氧、投餌），監(jiān)測系統自我調節(jié)的閾值范圍。在項目實施中，學生需要運用種群增長模型分析數據，繪制生態(tài)金字塔，撰寫年度生態(tài)報告。通過這種多維聯動的項目設計，學生不但掌握了生態(tài)調查的基本方法，而且培養(yǎng)了“局部變化影響整體功能”的系統思維，更深刻理解了“負反饋調節(jié)維持穩(wěn)態(tài)”的生態(tài)學原理。

（四）進階式培育：大單元科研仿真策略

進階式培育策略是指通過模擬真實科研流程的階段性訓練，讓學生在遞進式的實踐體驗中逐步形成科學家的思維方式和創(chuàng)新意識。該策略強調科研能力培養(yǎng)的階梯性，從基礎技能到綜合設計再到倫理思考，形成完整的科研素養(yǎng)發(fā)展鏈條。如在“基因工程”單元中實施該策略，能夠有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和科學事業(yè)觀。在實施過程中，需要保持科研仿真的真實性，注重創(chuàng)新思維的激發(fā)，并強化科研倫理意識的培養(yǎng)。

以“抗旱基因工程植物研發(fā)”為主題，可設計貫穿大單元、共8個課時的科研仿真項目。第一階段開展基礎技能實訓，學生分組完成質粒的提取與酶切驗證，通過設計“連接時間梯度實驗”，理解技術參數優(yōu)化的意義。第二階段進行創(chuàng)新方案設計，提供抗旱候選基因數據庫，要求學生設計包含基因克隆、載體構建、遺傳轉化的完整方案，特別鼓勵學生探索新路徑。第三階段開展倫理聽證會，學生分別扮演科學家、農民、環(huán)保人士等角色，從糧食安全、生態(tài)風險等角度論證技術應用的合理性。項目評價采用“技術規(guī)范性 + 方案創(chuàng)新性 + 倫理合理性”的多元指標體系，其中特別設置“突破性創(chuàng)新加分項”，以期激勵學生提出非常規(guī)的解決方案。

綜上所述，大單元教學在高中生物學中對培育科學家精神具有獨特優(yōu)勢。通過時間延展、概念統整、情境關聯與多元評價，能從多維度塑造學生的科學家精神。教師運用相應策略，可助力學生在知識學習中，將科學家精神內化為自身素養(yǎng)，實現學科教學與科學家精神培育的深度融合。

[參考文獻]

[1]仇蓮秀，覃稔.科學家精神融入教科書：價值意蘊、現實考察與推進路徑[J].科技傳播，2025，17（09）：73-77.

[2]吳成軍.培育科學精神弘揚科學家精神——人教版義務教育生物學新教材育人功能的設計與實踐[J].生物學教學，2024，49（08）：18-22.

[3]李建彬，張雨強.大單元教學基本關系與設計要點[J].教學與管理，2025（16）：1-6.

[4]呂偉英.大概念引領下的大單元教學設計及反思[J].生物學教學，2024，49（05）：24-28.

[5]李剛，寧妍．“1+N”全景教學模式：以大概念為主線的大單元教學設計框架[J].天津師范大學學報（基礎教育版），2023，24（05）：51-56.

[6]鄧純臻，李剛.例談指向生物學大概念的“五步路徑”大單元教學設計[J].天津師范大學學報（基礎教育版），2022，23（06）：56-61.

朱俊江蘇省奔牛高級中學，特級教師、正高級教師，江蘇師范大學碩士研究生導師。