系统观视角下的高中生物学单元教学设计与实践——以“细胞的结构与功能”单元教学为例

重庆市彭水县民族中学校 何佳潞 何志东

清华大学附属中学 吴丹丹

在课程改革进程中，教育部发布了新的课程标准，明确提出了学科核心素养，并将培养学生核心素养作为核心任务。单元教学是实现核心素养的重要途径，它以大概念为引领，围绕单元学习主题设计系列学习活动，以学科核心素养及其进阶发展为目标。因此，对教师来讲，单元教学设计可以帮助教师扩充知识容量，丰富教学方法和策略，突破狭隘的课时思维，使内容组织结构化，内容呈现情境化。对学生来讲，单元教学能保证学生对学习主题的完整理解，克服学习内容的碎片化，在整体优化的基础上产生聚集效应。

作为一门自然学科，系统观是理解生命本质的基础，能解答生命是什么且怎么运转的问题，它从生物多样性、复杂性中寻找一致性——生命系统。理解生命系统最佳的出发点即细胞，细胞作为最基本的生命系统，有着精密的结构和丰富的生命活动。同时，本单元的内容从结构上分析，也是建立在系统观的基础之上，即从细胞出发，将细胞作为一个系统进行学习，有助于学生从整体把握系统观，建立系统观。

那么如何进行单元教学设计？笔者在教学实践中，尝试从系统观视角出发，以北师大版高中生物学必修一第二章“细胞的结构与功能”为例，进行单元教学设计，从系统的视角来呈现细胞作为一个最基本的生命系统，其生命活动的运作和配合是如何进行的，同时帮助学生构建系统观的生命观念。本文主要从单元教学内容分析、单元教学目标制定、单元教学过程以及单元教学评价等几个方面进行“细胞的结构与功能”的单元教学设计。

一、系统观视角下的单元教学内容分析

本单元的教学内容主要包括质膜、细胞质、细胞核以及细胞骨架与内膜系统，整个教学内容是围绕细胞作为最基本的生命系统展开的，从系统观的视角来分析细胞各部分的结构和功能，相应的教学内容就可划分为“系统的边界、系统内的分工与合作以及系统的控制中心”，帮助学生初步建立生命系统的概念。本单元涉及的教学内容是大概念“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”和“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”下的部分重要概念，这些重要概念是对第一单元知识的深入学习，具体就是要了解细胞相应的结构和功能，同时也是为后一单元——细胞的物质基础做铺垫。本单元的重要概念即“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”（以下简称重要概念a）、“各种细胞具有相似的基本结构，但在形态与功能上有所差异”（以下简称重要概念b）和“物质通过被动运输、主动运输等方式进出细胞，以维持细胞的正常代谢活动”（以下简称重要概念c），在四个次位概念的基础上形成重要概念a，重要概念a支撑学习重要概念b和c，将细胞的各结构联系起来，从系统角度理解生命活动的整体性和有序性，而重要概念a则从系统的视角阐释了这一生命系统的整体性、有序性、动态性和组织性。本单元概念之间的相互关系如图1所示。

图1 本单元概念间关系示意图

二、系统观视角下的单元教学目标的制定

本单元是帮助学生建立生命系统这一概念的关键内容。在此之前，学生已初步学了关于细胞及其基本结构和功能的基础知识，但未对其微观结构以及与之相适应的功能建立联系，因此笔者根据课程标准有关“细胞的结构与功能”的学业要求和学业质量标准，围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下单元教学目标。

（1）通过对细胞基本结构的观察和学习，能认同生命的自主性，从而更深刻地理解细胞内部也是一个有系统的整体；在分析相应的科学史料的基础上，深化细胞结构与功能的理解，形成结构与功能相适应和系统观的生命观念。

（2）通过对细胞部分结构的模型建构，能对细胞的结构和功能做出总结和分类，形成归纳概括、模型与建模的能力。

（3）通过验证酵母细胞质膜的功能、实施水进出植物细胞以及观察细胞中的叶绿体和细胞质的流动等实验，能针对特定情境提出可探究的问题并设计实验，并对相应结果进行分析，增强对身边生物学现象的探知欲，以及对实验结果的交流与讨论能力。

（4）通过列举、分析生活中和细胞结构与功能相关的科学实验、科学研究等活动，运用“系统观”及细胞结构、功能的相关原理，尝试分析讨论人工生物膜的应用、合理灌溉和施肥等社会问题，增强社会责任感。

三、系统观视角下的学习活动设计

本单元的教学设计是围绕单元核心问题“细胞如何形成一个有序的系统”，以“主题—活动—观念”为主线展开的，学生从宏观感知入手，去体会细胞作为一个最基本的生命系统，它的各项生命活动是如何运作的，如图2所示。

图2 生命观念建构示意图

（一）系统的边界——质膜有怎样的结构和功能

为了让学生从宏观上去感知细胞作为最基本的生命系统有其自己的边界，课程开始时即选择一个酵母菌染色实验，通过这个实验让学生能感受到真实的质膜存在。此外，染色实验能体现系统观，即质膜作为系统的边界是可以将活细胞内与外分隔开来，来保证细胞这个最小的生命系统的内部环境的相对稳定。具体活动安排如下。

活动一：验证酵母细胞质膜的功能。教师通过引导学生完成酵母细胞的染色实验，通过观察实验现象——有的细胞被染色，而有的细胞没有被染色，让学生先从宏观上去感知质膜的存在，理解它作为细胞边界的原因。

在感知质膜的存在、掌握质膜成分的相关知识后，学生要更深层次地去了解质膜成分间的关系，因此进行活动二：重温科学实验，建构质膜模型。教师提供简单易得的剪纸模型（磷脂分子和蛋白质），学生在完成质膜成分的学习以后，结合冰冻蚀刻技术的实验结果，去探究这两种物质可能的组合方式，构建出质膜的流动镶嵌模型。

建立流动镶嵌模型后，学生要将其结构与功能联系起来，用实验去探索质膜在物质运输上的功能，进行活动三：进行质壁分离实验，分析实验现象。在这个活动中，教师将引导学生操作水分子进出植物细胞的实验，通过观察实验现象——质壁分离与复原，学习水分子进出细胞的方式，从而为其他的物质运输方式做铺垫。

设计意图：以科学实验为背景，问题为导向，引导学生进行实验探究、模型建构，激发学生理性思维，突破难点。

在这一主题下的活动中，教师要注意引导学生利用“结构与功能观”去分析系统边界存在的原因及意义，从宏观和微观层面感知质膜及其结构功能。同时，这一节内容帮助学生初步建立“系统观”，细胞作为一个最基本的生命系统，有自己稳定的内部环境，这是依赖其系统的边界。物质进出细胞的方式其实与细胞生命活动的需求、所处环境息息相关，引导学生学会从系统观、结构与功能、生物与环境相适应的角度去思考和解决问题。

（二）分工与合作——各细胞器有怎样的结构和功能

学生在初步建立了系统观以后，要深入学习系统内部的运行，对细胞内各个微观结构进行学习，掌握它们的结构特点及功能，建立系统运行的结构基础。为了将微观结构宏观化，安排以下活动。

活动一：观看视频和图片，对线粒体、叶绿体的结构与功能进行归纳总结。教师在此活动中，以“系统的运行需要能量和物质”为主线，引导学生在视频中从物质和能量转换的角度先认识这两大细胞器，体会结构与功能观，初步建立物质与能量观。为了更加直观地理解细胞器在系统中的分工合作，进行活动二：阅读教材33页中提供的资料1和资料2，分析在分泌蛋白产生、运输和分泌过程中相关细胞器所发挥的作用。在此活动中，以“蛋白质的合成、加工、运输和水解历程”为主线，引导学生对科学史料进行分析，对其余细胞器的形态结构和功能进行归纳概括，初步体会细胞内部各种结构的动态合作。

设计意图：通过这两个活动，让学生学会用“细胞是一个统一的整体”的观念去整合学习内容，领会在系统中细胞器之间既分工又合作，通过归纳各细胞器之间的相同点和不同点，感受它们之间的相关性和连续性。

（三）系统的控制中心——细胞核的结构与功能

在前两个主题下的学习活动中，学生已经了解了细胞这一系统内各结构能有条不紊地进行各项生命活动，而这一切指令的发出者都是因为其“控制中心”——细胞核的存在。学习细胞核的结构和功能，安排以下活动：阅读伞藻材料，总结细胞核功能。学生在这个活动中，主要通过分析伞藻的系列实验，获得对细胞核功能的感性认识，理解划分细胞类型的依据。

设计意图：在初中阶段学生已经知道细胞核是遗传信息库，但对细胞核的具体结构以及细胞核如何控制生命活动的认知是很浅显的。在高中阶段，学生要理解为什么它能称为“库”，实际上与其能携带大量的遗传信息相关，而遗传信息又与染色体、DNA分子等物质有联系，这些都是比初中更微观的知识。通过这个活动，学生能更好地理解在这一系统中，“控制中心”的必要性，不断从系统观的角度理解系统内部的统一和分工。

（四）相互联系——细胞骨架与内膜系统

在学习此节内容之前，学生获得的是对细胞各个结构单独的认识，为了帮助学生对细胞这个生命系统有更加完整的认识，设计以下活动：制作真核细胞的亚显微结构模型。教师可以给学生提供各种颜色的超轻黏土或橡皮泥，学生依据此前所学内容将细胞各结构还原出来，体现其中的相互联系，这是学生从静态——结构上寻找联系。而动态——功能上的联系，可结合教材中“具膜小泡沿着微管移动”，以动图的形式给学生展示出来。

设计意图：模型的建构和动图的展示可以引导学生从细胞骨架和内膜系统的结构和功能的角度，对细胞各结构之间的关系进行思考，从系统观的角度理解系统内部的相互联系，从而帮助学生建立细胞这一生命系统的整体性、有序性，同时也能建立细胞是最基本的生命系统的观念。

四、系统观视角下的学习评价设计

新课程标准中提到一个基本理念——学业评价促发展，因此，在整个单元教学中，评价环节不容忽视。评价的目的主要有三个：第一，确定学生是否为下一个进度的学习做好准备；第二，能诊断出学生学习的困难所在；第三，将评价与学习活动相结合，解决学生学习中存在的一些问题。

在本单元中，部分评价目标设定如表1所示。

表1 学习评价表

以系统观视角统领整个单元教学，使知识之间有了相互关联，因此教师在教学中切忌将知识点切割开来，注意引导学生对知识连贯性、整体性的把握，同时要注重知识的迁移应用。在活动设计中，要注意教学来源于生活，生活中有教学，使学生潜移默化地形成对实际的科学研究的关注，提升科学思维，培养社会责任意识。

五、教学反思

本单元的教学设计围绕核心问题“细胞如何形成一个有序的系统”展开，以培养学生的学科核心素养为目标，设计系列学习活动，让学生体验细胞作为最基本的生命系统是如何进行自己的生命活动的。在学习细胞的各个微观结构上，通过宏观的感性认识为理性认识奠定基础，这是学生在初中阶段所不能达到的水平。在关注社会前沿科学研究的时候，学生会利用已学的知识去分析并提出更多的问题，学生在这个过程中就会逐渐树立社会责任感，逐步向课程的核心素养靠近，同时，可促进学生关键能力的形成。