运用大单元教学形成大概念解决新情境下的问题——以“基因工程”为例

北京 曹文竹

(作者单位：北京市怀柔区第一中学)

学科核心素养导向下的“大单元教学”设计，要充分建立学科核心素养与学科核心内容之间的关系，使学科核心素养具体化。依据《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)和教材，整合教学目标；选择恰当的情境素材，设计学习评价与递进性任务活动；以大概念为核心，开展课堂教学。大单元教学目标的整合、制订与达成可以使教学思路整体化、结构化，培养学生的科学思维，提升学生在真实情境下解决问题的能力。“大概念”是将素养落实到具体教学中的锚点，充分理解大概念可达成高通路知识迁移，形成具体与抽象交错的复杂认知结构，有助于学生解决新情境下的问题。笔者将以大单元教学“基因工程”复习课为例，谈如何运用大单元教学形成大概念解决“2021年河北省普通高中学业水平选择性考试第24题”情境下的问题。

一、教学目标及评价目标设计

1.单元教学内容分析

本单元位于新人教版教材选择性必修3 《生物技术与工程》的第3章。对应《课程标准》中的4个较为具体的概念，本单元对应概念5“基因工程赋予生物新的遗传特性”。本书的前3章分别对应概念3、概念4、概念5，从个体水平、细胞水平、最终到分子水平，层层深入。

本章内容涉及两大核心技术：重组DNA技术和蛋白质工程。其中，重组DNA技术涉及4个次位概念，分别从基因工程的诞生和发展、DNA重组所需的工具、基因工程的基本操作、基因工程的应用与延伸等方面阐述基因工程赋予生物新的遗传特性。本章内容是对育种相关内容的补充，相对于杂交育种、诱变育种，基因工程育种更微观、更抽象。

2.学情分析

通过对必修1、必修2的学习，学生能认识到生物学概念是基于科学事实，经过归纳与概括、演绎与推理等方法形成的；能理解分子与细胞、遗传与进化等相关概念的内涵；并且通过对必修2第4章、第5章的学习，学生了解到基因控制性状的分子学机理、遗传和变异的本质，了解到基因通过指导蛋白质的合成控制生物的性状。然而，在必修2第6章的学习中，学生了解到不同物种在自然状态下不能够自由交配产生可育后代，因而不能发生基因交流，即抗虫棉不能够通过杂交获得，与生物“新”的遗传特性的获得产生认知冲突。必修2第4章的学习内容微观、抽象，学生不能动手实践，故难以理解。而在基因工程的学习中，教师可以尽量为学生提供动手实践的机会，在复习过程中，联系所学知识，整合必修2的相关内容。综上，基因工程的学习与复习有助于学生对必修2内容的进一步理解与整合。

3.教学目标及评价目标设计

根据上述相关内容，结合《课程标准》、教材，以《中国高考评价体系》为导向，笔者制定的教学目标及对应评价目标如图所示。

二、大概念在大单元教学中的渗透

1.多次问答了解学生的前概念

大概念的构建可通过以核心概念(次位概念)为单位，采用多次问答、罗列小概念等方式对学生的前概念进行调查与复习。例如，核心概念“DNA重组技术的实现需要利用限制性核酸内切酶、DNA连接酶和载体三种基本工具”，可以设置问题：(1)DNA重组技术需要对DNA进行剪切、重组、运输，分别对应什么工具？(2)剪切过程的工具作用于DNA的什么结构？作用结果是什么？(3)重组DNA过程的工具作用于DNA的什么结构？作用结果是什么？(4)如何在提高重组DNA连接效率的同时降低重组DNA连接的错误率？(从剪切结果考虑)(5)作为重组DNA的运输工具需要具备(提供)哪些条件？

2.以核心概念为线索创设情境

本单元核心概念以基因工程的发展为线索，包括基因工程的诞生、DNA重组所需的工具、基因工程的基本操作、基因工程的应用与延伸、蛋白质工程五个方面。在阐明基因工程的原理及应用的同时，更存在着基因工程与遗传学、微生物学、蛋白质工程学等其他学科之间的联系。教师在考虑创设情境时，可以联系多个学科背景，依据基因重组的原理进行创设。在创设情境中，教师还可以考虑让学生自己设计实验目的，初步体会“大概念”。

【例1】结合资料1、资料2运用基因工程技术，尝试提出初步的工程学构想，并进行简单的设计。(提示：明确实验目的，找准目的基因，运用三个基本工具，按照操作流程，获得目的细胞系并培养)

【资料1】CRISPR/Cas9基因编辑技术，是对靶向基因进行特定DNA修饰的技术。CRISPR/Cas9系统是一种人工设计的sgRNA(小向导RNA)与Cas9核酸酶组成的复合物，该复合物可和DNA分子中与sgRNA相同序列的区段特异性结合并对其进行切割。

【资料2】甲状腺激素受体相关蛋白3(THRAP3)基因位于人类1号染色体短臂上，为进一步了解THRAP3基因功能，科研人员欲对人类肝癌细胞HepG2的THRAP3基因进行定向敲除。

3.建立核心概念体系

依托新情境，以核心概念为线索，逐一梳理，找到核心概念下“小概念”之间的联系，形成核心概念体系，最终形成“大概念”。

分析例1情境，CRISPR/Cas9基因编辑技术是以分子生物学为基础，针对人类肝癌细胞进行定向基因改造(敲除THARP3基因)，涉及动物细胞培养和基因工程。用基因工程的三个基本工具，按照基因工程的四步操作程序获得人类肝癌细胞HepG2的THRAP3基因敲除细胞系，即通过基因工程获得人类意愿赋予的新遗传特征的细胞系。

在设计上述获得基因敲除细胞系的实验过程中，应全面考虑所涉及的学科技术；根据实验目的及作用特点细化基因工程的三个基本工具；注重特定情境中基因工程四步操作程序的选择，例如本情境中目的基因的获取，采用的是根据THRAP3基因进行人工设计sgRNA，而并非从基因文库中获取。因此在构建核心概念体系的过程中，应注意在建立核心概念之间的联系的同时，注意区分“小概念”间的异同。

三、多情境交互认知理解“大概念”

提供多个情境，分析内在联系，理解“大概念”。例如转基因抗虫棉的获得(教材情境)、人类肝癌细胞HepG2的THRAP3基因敲除细胞系(例1情境)、合成人胰岛素的大肠杆菌、转基因高产大豆是否有害身体健康(社会热点话题)等多情境交互出现，学生区分动物、植物、微生物在基因工程操作过程中的异同点，总结基因工程对生物的影响，生成“基因工程赋予生物新的遗传特性”的“大概念”。

四、运用“大概念”解决新情境中的问题

【例2】(2021年，河北省普通高中学业水平选择性考试，第24题节选)采矿污染和不当使用化肥导致重金属镉(Cd)在土壤中过量积累。利用植物修复技术将土壤中的Cd富集到植物体内，进行后续处理(例如，收集植物组织器官异地妥善储存)，可降低土壤中Cd的含量。为提高植物对Cd污染土壤的修复能力，研究者将酵母液泡Cd转运蛋白(YCF1)基因导入受试植物，并检测了相关指标。

回答下列问题：

(1)为获取YCF1基因，将酵母细胞的全部DNA提取、切割后与载体连接，导入受体菌的群体中储存，这个群体称为________。

(2)将DNA序列插入Ti质粒构建重组载体时，所需要的两种酶是________。构建的重组基因表达载体中必须含有标记基因，其作用是________。

(3)进行前期研究时，将含有YCF1基因的重组载体导入受试双子叶植物印度芥菜，采用最多的方法是________。研究者进一步获得了转YCF1基因的不育杨树株系，采用不育株系作为实验材料的目的是________。

【新情境分析】

阅读题干信息可知，土壤重金属污染问题为生态学问题，“研究者将酵母液泡Cd转运蛋白(YCF1)基因导入受试植物”又考查了基因工程的相关内容。通读题目信息，确定本情境具体目的是采用基因工程赋予双子叶植物印度芥菜酵母液泡的Cd转运功能，从而将土壤中的Cd富集到植物体内，降低土壤中Cd的含量，即利用基因工程解决生态学问题。于是锁定“大概念”为“基因工程赋予生物新的遗传特性”，从而展开“大概念”下的核心概念体系联想，不难发现，本题(2)和(3)的第二问考查了次位概念(核心概念)，(1)和(3)的第一问考查了“小概念”。

五、教学反思

“大概念”的形成需要通过前概念的掌握、核心概念的加工与整合、大单元内容的整合等在教学过程中逐步渗透。多情境的交互认知，有助于学生对“大概念”的理解，形成高通路知识迁移，有利于新情境下的问题分析。

基于“教、学、评一致性”理念的教学设计更加注重以学生为中心，在学习目标的指引下，评价目标更加具体、可操作，能够有效帮助教师掌握学生的学习情况。因此，评价目标的设计应优先于教学过程设计，复习课应该注意与教材、《课程标准》、学情分析的结合，在形成“大概念”的过程中，制定精准、有效的大单元学习目标和评价目标，从而有效地形成“大概念”。在解题过程中通过确定考查的“大概念”，确定新情境的考查范围，最终精准确定考查的核心概念体系。