基于生物学大概念的学习进阶单元教学设计

袁毅君 李雯敏 陈金科 严浩睿

摘要：聚焦大概念“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”，基于学生对科学概念理解的发展层级模型，依托真实情境，设计核心问题；构建模型，进行单元教学设计。从结构与功能观视角，阐明物质是结构的基础，指向学生生命观念的培养。依据课标评价建议，将评价任务嵌入教学中，体现课堂教学“教—学—评”一致性。

关键词：高中生物学；单元设计；学科大概念；学习进阶

高中生物学核心素养由生命观念、科学思维、科学探究、社会责任四个维度组成，逐步引导学生树立正确的价值观，培养必备品格，掌握关键能力。传统教学以课时为单位划分教学内容，割裂了知识间的内在联系，导致知识碎片化，使学生陷于识记庞杂且零散的学科知识的困局当中，单元教学设计则被认为是撬动课堂转型的一个支点[1]。一方面，单元教学设计使教师教学理念发生转变，筹划学科教学时重视知识之间的逻辑联系，“见树木又见森林”，更加强调知识的整体性和结构化；另一方面，单元教学设计以大情境为基调，教学内容要与学生的实际生活相联系，抽象知识具体化。少而精的“大概念”单元教学设计减轻了学生的学习负担，重在深化学生对大概念、重要概念、次位概念的理解和把握。教师必须透视学科知识背后的大概念，围绕大概念组织教学，落实学生核心素养的培养。

一、单元教学设计思路

高中生物学课程理念之一是“内容聚焦大概念”，以学科大概念统摄教材内容。单元教学设计，重在建构结构化、系统性的知识，强调知识之间的内在逻辑联系，教师应结合学生对科学概念理解的发展层级模型（见图1），以及学生已有知识水平以及学习能力，确立指向发展学生核心素养的单元目标，在教学过程中通过模型构建、归纳概括、探究实践等环节推动学生逐渐理解生物学大概念的内涵，掌握科学思想，落实核心素养。

（一）提升PCK能力形成单元教学设计

20世纪80年代，舒尔曼（Shulman，L.S.）对教师知识进行了分类，并提出了学科教学知识（Pedagogical+Content+Knowledge，简称PCK）的概念，揭示了教师知识中最有意义的知识，促进了PCK理论的完善与发展[2]。PCK有两个关键层面：其一是学科专业知识展示，其二是把握学生具体学习障碍、课前先期概念以及概念。教师将自己所掌握的学科内容体系的事实、概念、规律、原理等具体知识，转化为促进学生学习并易理解的知识展现于课堂，融合了教学法、学科知识、认知规律和教学情境等因素，体现教师对课堂教学的综合理解。教师PCK能力的提升能够有效促进单元教学效果落地。

（二）单元教学设计路线

具体设计路线如下（见图2）。

二、“細胞结构的整体性”单元教学设计策略

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称为课程标准）指出，必修和选择性必修课程的模块内容聚焦大概念，精简容量、突出重点、切合年龄特点、明确学习要求，确保学生有相对充裕的时间主动学习[3]。“细胞结构的整体性”是大概念“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”的下位概念之一，即重要概念。

（一）从单元层面规划教学内容，确立核心概念进阶点

基于课程标准，分析人教版高中生物学教材，整合“细胞结构的整体性”次位概念：组成细胞的结构在分工的基础上合作完成各项细胞的生命活动。能够陈述质膜包被在细胞表面作为边界，调控物质进出细胞，实现细胞之间的信号传递，学习细胞膜的结构；构成细胞的各部分相对独立，合作完成物质合成、分解与运输，承担传递信息和转换能量等生命活动；掌握遗传物质存在于细胞核内；以具体事例展现细胞各结构之间的关联与协调，最终协同完成各项生命活动。

基于学习进阶，结合PCK理论分析四个方面，建构进阶学习轨迹（见图3）：一是教学促进哪些生命观念建构，借此生命观念进阶图谱，确定学生的原有知识基础和期望达成的理解水平；二是需要培养的关键能力是什么，基于学习进阶确定学生原有的科学思维、实验探究基础和期望达到的能力目标水平；三是期待帮助学生建构哪些整合联系（如思维能力和探究能力的整合，生命观念与实践能力的整合，生命观念、能力与科学态度、社会责任的整合），建构联系切入点和关联水平；四是确定学生在学习过程中可能存在某些中间认知状态和进阶节点（见图3）。

（二）从微观层面组织具体教学内容，厘清概念理解发展要求

在理想状态下，学生已有经验包括能够阐明细胞的多样性与统一性、细胞和生物体的各种生命活动的物质基础，初步建立系统观和物质观；能够说明组成细胞的物质具有特殊性；通过分析细胞学说建立过程，认同科学发现的基本特点。在学习新单元之前，学生由已有经验映射意识到细胞作为基本生命系统，具有系统的一般特征：有边界，有系统内各组分的分工合作，有控制中心调控其活动。但综合知识本身的复杂程度与学生原有知识匮乏以及教师教学的不成熟，导致学生对教学内容不能彻底理解。基于此，分析“阶”的产生，处理好学习进阶节点，形成单元化的概念学习。

以具体概念“细胞膜”为例，结合文献分析，发现学生在细胞膜结构学习中通常存在3个问题：对细胞膜功能的探究方法不清晰；对细胞膜组成成分与其功能的关系含糊不清；对于生物膜流动性的理解不够。因此进行以下教学活动突破进阶节点。

1.展示细胞膜功能的探究方法

活动1：

a.控制物质进出细胞功能的验证

情境：播放“活细胞染色”视频，台盼蓝染液染细胞，活细胞不着色，死细胞染成蓝色。推测细胞膜作为细胞的边界，应该具有什么功能。

b.识别功能的验证

情境：播放“受精”动画，只有同种生物的精子和卵子才能结合，验证细胞膜具有识别功能（糖蛋白的作用）。

2.加强细胞膜结构与功能观

活动2：

课前提问细胞膜的成分，指导学生完成模拟实验：课前准备两张油浸透并晾干的纸，分别滴加油和水，观察并记录油和水透过的时间，引发思考，激发兴趣。

活动3：

情境：教师对细胞膜相关研究的科学史内容加工整理，重新创设情境，引导学生思考和小组讨论。

讨论：根据磷脂分子的结构特点，能推测出空气-水界面铺展成的磷脂单分子层的排布规律吗？推测磷脂分子在细胞中是怎样排布的。蛋白质———脂质———蛋白质静态结构合理吗？

任务：给出多种生物膜的错误模型，提问学生其模型的不合理性，鼓励学生尝试建构流动镶嵌模型。

小组展示、汇报成果，教师提供参考资料，引导修正模型：不同生物膜的厚度不同，通常在5-10nm，在细胞的不同部位，厚度也有差异。既然膜内部分呈现疏水性，那么水分子为什么能跨膜运输？提供变形虫、质壁分离、胞吞胞吐视频资料，说明细胞膜具有一定的流动性。

提问：磷脂双分子层具有哪些作用？细胞膜中的蛋白质分子主要起什么作用？细胞膜流动性的重要性体现在细胞功能的哪些方面？哪些因素能导致生物膜结构破坏而失去其控制作用？

活动4：

设疑：细胞膜具有流动性是膜脂流动还是膜蛋白流动？

情境：利用气球和两根丝带演示膜脂分子的运动方式，结合动画，解释膜流动性的控制机制。膜的流动性包括膜脂流动性和膜蛋白流动性。膜脂分子具有多种运动方式，如绕化学键旋转、左右摆动、围绕与膜平面相垂直的轴做旋转运动、沿膜平面做侧向扩散或侧向移动、由一侧单分子层倒翻至对侧一层等。膜蛋白的运动方式有侧向扩散和旋转运动等。膜蛋白的运动既受其周围膜脂制约，还受细胞内部结构的控制。

活动5：

a.科学应用，实践延伸：碳纳米管创造人工细胞膜通道。

一般经口给药的片剂、胶囊等在消化道内溶解并被缓慢吸收后随血液运输至全身各处，不能精准治疗。美国某科研小组创造了一个包含碳纳米管的离子通道，嵌入细胞膜构成小管道状孔洞，便于DNA、水、小离子和质子进出细胞（见图4）。这种细胞膜上的短碳纳米通道管可将药物精准传输至需要治疗的体内某区域，避免对相邻器官造成伤害，对人类未来健康维护和生物制药具有广阔的应用前景，依据此技术有望实現精确治疗。

b.兴趣提升：细胞膜研究进展。

情境：传统概念中细胞膜为流动镶嵌模型，后有科学家提出脂筏模型，认为脂双分子层流动但不均一，然而存在的疑问是在真核细胞里，有一半的跨膜蛋白因为和细胞骨架绑定在一起，所以在几分钟甚至几个小时的时间尺度里不动，这些蛋白占了整个细胞10%-20%的细胞膜表面积。如果某种水溶液里有10%不动蛋白，比如胶原蛋白凝胶，则该溶液就更像块状固体，而不是液体。与此同时，蛋白和小分子依然能在里面自由地穿行。而细胞膜会不会也更像一个二维凝胶半固体，而不是液体呢？作者实验后在“Cell”发表文章提出2D-凝胶模型：在细胞层面细胞膜呈胶状半固态，更为准确的表述是细胞膜更接近果冻状。

任务：查询资料，你认为“细胞膜更接近半固体”的新研究是否推翻了“流动镶嵌模型”？

c.观看视频“Cell/membranes/are/way/more/complicated/ than/you/think”，本视频部分截图（见图5）。

3.教学活动目的———学习进阶节点突破

活动1：科学家关于细胞膜的研究首先是从其生理功能的角度进行，教学中教师通过简单探究体现细胞膜的功能，既避免了直接灌输教学内容，又巧妙地衔接了之后的学习内容。

活动2：课堂上组织简单实验，学生参与并共同观察实验结果，激发学生的学习兴趣。

活动3、活动4：细胞膜结构模型的探索过程，反映了“提出假说———实验验证———形成结论”这一科学方法的应用；帮助学生建立结构与功能相适应的观点以及实验技术进步在提出生物膜的流动镶嵌模型中所起的作用，同时反映出该模型的局限性；利用气球和动画演示，加深对膜流动性控制机制的理解，形成严谨、科学的思维；学习科研方法，培养科学精神，形成科学探究的素养。

活动5：了解碳纳米管建造人工细胞膜通道，整合科学观念与实践能力的关系。分享细胞膜模型的研究进展，同时，让学生意识到学习的内容具有现实意义，科学家对细胞膜功能的研究仍在不断地深入展开。

三、教学评价与反思

课堂教学强调“教—学—评”一致，围绕生物学大概念的学习进阶单元教学评价体现在教学的跨学科性、真实情境性以及学生问题意识与小组间的协作。课堂转型之后，围绕生物学概念的学习进阶单元教学将成为生物学核心素养得以真正贯彻、生物学大概念能够有效落实的载体。

（一）教学评价

教学中交叉应用多学科知识，跨学科学习促进学生综合素质的提升，如磷脂、糖蛋白、脂蛋白化学性质的掌握是学生探究细胞膜结构与功能的基础，能够凸出并强化知识的关联与交互。在展示真实生活场景中体现知识来自于生活，并用以解决真实情境中的问题。借此举例拓展课程资源，提出探索性问题，展现课程的探索性，旨在培养学生的科学探究以及科学思维能力；学生的问题意识与小组间的协作体现在对细胞膜流动镶嵌模型的建构中，问题探究与协作促进学生之间的交互、沟通与合作，培养了学生的团队协作精神，学习小组成果汇报进一步提升了学生的核心素养水平。

（二）教学反思

单元教学设计需要教师突破“只见树木不见森林”的课时思维定势，考验教师从“长时段”整体筹划学科教学的能力，因此需要教师努力提升PCK能力，更加灵活地掌握课堂，了解生命科学发展前沿，为发展学生的核心素养奠定基础。

教学中教师通过组织活动设置情境，利用“统一性”观点处理学习进阶节点，促进学生理解细胞结构与功能间的关系。后续的教学中带领学生使用光学显微镜观察各类细胞、细胞质流动，认识细胞骨架，结合电镜照片分析细胞的亚显微结构，尝试制作真核细胞的结构模型，在实践过程中提高实践能力，掌握科学探究的方法。教学内容进阶包括从细胞中的内质网、高尔基体数量多进阶到其合成和分泌功能强大；核膜上的核孔数目多而进阶到RNA、蛋白质等物质运输快，蛋白质合成旺盛从而得出细胞新陈代谢快；线粒体数量多，使得肾小管细胞、肝细胞、心肌细胞等代谢旺盛；消化系统中分泌消化酶的胰腺或者部分合成多肽类和蛋白质类激素的细胞，其细胞中核糖体与高尔基体数量居多。在“统一性”观点引领下贯穿结构与功能观，促使学生在多种教学活动中，如构建细胞结构与功能思维导图、模型构建、显微观察等，领会生物学大概念内涵，落实学生生命观念的培养。

参考文献：

[1] 钟启泉.单元设计：撬动课堂转型的一个支点[J].教育发展研究，2015（12）.

[2] 潘小明.学科教学知识（PCK）的理论及其发展[J].教育探索，2015（1）.

[3] 中华人民共和国教育部.普通高中生物學课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2022：2.

课题项目：甘肃省教育科学“十三五”规划2020年度课题“基于学科素养的单元设计高中生物学教学研究”（GS[2020]GHB4855）

编辑/赵卓然