基于高中生物学重要概念的情境、问题与活动的单元整体性设计

王红梅 周初霞

（1.浙江省嘉善高级中学 浙江嘉善 314100）

（2.浙江省教育厅教研室 浙江杭州 310012）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）明确将“内容聚焦大概念”列入生物学课程的基本理念。大概念是在若干重要概念的基础上形成的，重要概念又是在次位概念的基础上形成，次位概念则是基于若干生物学事实性知识而形成的。《课程标准》强调教学应突出重点和知识的整体性，而进行单元整体教学设计是一个行之有效的方法，它突显了学科核心素养养成的长期性、渗透性和整体性等特点。教师在以重要概念为主题进行整体教学设计中，需要对情境与问题进行整体性设计，对重要概念进行解构和分析，创设单元学习情境，提出单元整体教学的核心问题，将单元学习情境分解到每一课时，围绕分解的课时学习情境设置问题与活动，最终构建形成重要概念（图1）。基于此，下面尝试对“细胞各部分结构既分工又合作，共同执行细胞的各项生命活动”这一重要概念内容进行统整设计，探讨情境与问题的单元整体性设计，让学生在情境中引发思考，在问题中展开探讨与活动，促进生物学学科核心素养的发展。

1 解构重要概念，分析概念间的逻辑关系，建构概念网络

教学围绕重要概念进行展开，旨在将最有价值的知识浓缩在重要概念上。教师需对重要概念进行梳理、归类，并从次位概念、重要概念、大概念等层级进行整体架构，建立有意义的联系。通过少数重要概念的学习帮助学生形成终身受益的思维方式和解决问题的能力。

例如，重要概念2（KC2）“细胞各部分结构既分工又合作，共同执行细胞的各项生命活动”，是在以下几个次位概念（SC）的基础上构建的：

SC2.1：细胞都由质膜包裹，质膜将细胞与外界环境分开，能控制物质进出，并参与细胞间的信息交流。

SC2.2：细胞内具有多个相对独立的结构，担负着物质运输、合成与分解、能量转换和信息传递等生命活动。

SC2.3：遗传信息主要贮存在细胞核中。

大量的生物学事实，如科学史研究、显微资料、细胞结构的物理模型等，为这些次位概念的形成提供依据。通过图2的分析，重要概念KC2的构建不仅基于若干次位概念、受重要概念KC1支撑，还可支撑重要概念KC3，共同概括出大概念，进而帮助学生建立生命的系统观、结构与功能观及进化与适应观等。

2 围绕重要概念，创设单元学习情境，提出单元核心问题

建构主义教学观认为：用真实情境呈现问题，营造问题解决的环境，有利于帮助学生在解决问题的过程中活化知识，变事实性知识为解决问题的工具，从而完成对新知识的意义建构。教师通过创设真实而复杂的情境，让学生将知识与生活、科技发展联系起来，使知识具备迁移性，具有迁移性的知识才会促进学生核心素养的形成。

围绕上述重要概念的解构与分析，教师创设以下单元学习情境：生物学家们一直有着“可以像组装机器一样组配生物”的设想，这一设想也推动着他们多年的研究进程。有生物学家预测：“第一个全人工合成的细胞可能会在十年内出现。如果这个细胞还能生长、分裂，那将是人类巨大的进步。”在学生对细胞“零部件”的材料（分子组成）有了了解后，教师提出上述单元学习情境，能引发学生对其的进一步思考。

上述是与科技前沿或者科学研究有关的情境，而无论是哪种情境，都必须以问题为导向，通过发现问题和解决问题来发挥情境的价值。教师利用“人工合成细胞”也引出本单元的核心问题：细胞各部分结构是怎样的？具有什么特点？要使合成的细胞行使相应的功能，各结构间如何相互形成联系、协调一致？这也使学生对其研究进展产生继续学习研究的兴趣，为后续课时的学习做好良好的铺垫。

3 分解课时情境，提出具体问题，通过活动解决问题

在核心问题的引导下，单元情境需贯穿落实到每一课时，成为每一课时学生学习的动力，有效促进学生建立次位概念之间的联结，为核心问题的解决、重要概念的构建提供支撑。

教师以“科学家致力于人工合成细胞的研究”分解形成课时情境，将由不同科学家进行的科学研究进展作为课时情境。情境引发的问题指向概念的构建，激发了学生的兴趣，引发了学生的思考。基于此，本单元对分解到课时的情境与具体问题、活动，进行了整体规划设计。

3.1 “细胞膜控制细胞与周围环境的联系”的设计框架

指向的概念：SC2.1细胞都由质膜包裹，质膜将细胞与外界环境分开，能控制物质进出，并参与细胞间的信息交流。

课时情境1：据英国《自然》杂志刊载，2005年美国洛克菲勒大学的科学家将能够生产蛋白质的生物分子混合物悬浮在油中，形成微小的颗粒。然后，他们在这些颗粒外包裹两层磷脂分子，像细胞膜一样将生物分子混合物颗粒包裹在其中。

具体问题与活动：像细胞膜一样的两层磷脂分子如何进行排布？一个细胞的细胞膜是由什么组成的？有什么作用？请根据科学史研究，尝试构建细胞膜的结构模型。

课时情境2：美国洛克菲勒大学的科学家后续在上述细胞中加入一种“细菌”基因。这种基因能控制生成一种名为溶血素的蛋白质，该蛋白形状似桶，能插入细胞膜形成小孔，环境中的营养物质便通过这些小孔进入“细胞”，细胞能连续数日生成蛋白质。此外，英国帝国理工学院发布一项新研究称，其开发的新型人工合成细胞能够模仿天然细胞，感知环境中的化学变化并产生反应。

具体问题与活动：细胞膜的功能有哪些？在上述构建过程中，蛋白质发挥了什么样的作用？根据资料，结合对细胞膜结构的分析，尝试归纳细胞膜的作用。

3.2 “细胞核是生命活动的控制中心”的设计框架

指向的概念：SC2.3阐明遗传信息主要贮存在细胞核中。

课时情境1：第一例“人造细胞”将人工合成的一种名为蕈状支原体的细菌的DNA植入另一个内部被掏空的、名为山羊支原体的细菌体内，该细胞成功繁殖。

具体问题：第一例“人造细胞”最关键的人造结构是什么？其作用是什么？

课时情境2：诺贝尔化学奖获得者托马斯·R·切赫研究发现，RNA能将DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体。但由于分子较大，无论DNA还是RNA（推理还有蛋白质）均无法穿过人工合成的磷脂双分子层。

具体问题与活动：结合细胞分类特点及细胞核化学组成资料，推测真核细胞核的可能结构。并分析核膜上可能具备什么结构能完成核质间遗传信息的传递。根据科学史实验，分析细胞核的功能。

3.3 “细胞质是多种生命活动的场所”的设计框架

指向的概念：SC2.2阐明细胞内具有多个相对独立的结构，担负着物质运输、合成与分解、能量转换和信息传递等生命活动。

课时情境1：美国洛克菲勒大学的科学家用两层磷脂分子包裹着能够生产蛋白质的生物分子形成微小的颗粒，这样“人造细胞”就诞生了。这种“人造细胞”具备将氨基酸合成蛋白质所需的一切机制，可生成具有工业和医学价值的蛋白质。

具体问题与活动：能生产蛋白质的生物分子混合物是什么？其分布于哪些场所？生产的蛋白质分布于细胞的哪些结构？请借助透射电镜照片、荧光显微镜照片，学习细胞质各结构的特点及功能。

课时情境2：日本科学家在实验室中培育出了一种能够像植物一样进行光合作用、制造能量的人工合成细胞。

具体问题与活动：日本科学家制造的该人工合成细胞在结构上应有哪些？根据所学细胞质的内容，画出能像植物一样进行光合作用的人工合成细胞图纸。

3.4 “细胞在结构和功能上是统一的整体”的设计框架

指向的概念：KC2细胞各部分结构既分工又合作，共同执行细胞的各项生命活动。

课时情境1：哈尔滨工业大学研究项目“基于磷脂组装体的人造细胞的构建”，在人工细胞膜、非球形细胞器的人工模拟、复杂人工合成细胞、以及人工合成细胞的群体行为等方面均有研究进展。

具体问题与活动：细胞内需要磷脂进行构建的细胞结构有哪些？这些结构之间有什么联系？以分泌蛋白的合成和分泌过程为例，结合透射电镜图，通过小组讨论分析生物膜系统是如何进行协调配合的？通过生物膜形成的各区室有何意义？

以上是基于“人工合成细胞”的单元情境和核心问题，设计指向重要概念的结构化、分层次的课时具体问题和活动。课时情境都根据“人工合成细胞”的研究案例与进程，围绕单元情境设计与展开，逐步地扩展、充实与明晰。而学生在通过活动分析问题、解决问题的过程中，便能更好形成对重要概念的理解，在情境中理解问题，问题中内化情境，促进思维的发展。

4 回归单元情境，拓展问题广度，发展批判性思维

在情境教学中，教师需要考虑单元整体教学结束时如何利用情境进行适当的迁移与拓展。生物科学包含了丰富的自然哲学思想，教师如果在教学中自然地渗透学科综合思想，这对于学生形成科学世界观、正确人生观具有重要意义。

在“科学家致力于人工合成细胞的研究”的单元主线情境中，教师还可以引导学生展开一场思辨：①基于单元情境素材，你觉得人工合成细胞研究的主要意义有哪些？除了构建细胞的结构外，其研究最大的难点会是什么？②“人工合成细胞”这一突破不仅在科学界，在宗教、伦理等诸多领域都引起了强烈的反响，有人提出人类可以扮演“上帝”的角色，成为“造物主”，你认同这一观点吗？

这些问题显然在课堂上是一时难以解决的，教师可以引导学生通过运用多媒体网络查阅资料后，进行深入思考与分析，并展开对这些问题的辩论。教师创设思辨性的情境促进学生思辨问题；利用思辨性对话来构建学生立体思维方式；借助辩论过程培养了学生的批判性思维，训练了学生的语言表达能力，也为大概念“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”的学习做铺垫。

总之，一个有效的单元整体教学设计是围绕一个真实情境展开，让学生在这个贯穿全过程的情境中进行思维的过程。贯穿整个单元的核心问题主线将情境与具体问题紧密结合，从而实现学生对重要概念的意义建构，提升学生的生物学学科核心素养。