情境·路径·策略：高中生物学单元专题项目式学习的创新设计

专题复习（亦称“综合应用复习”）是围绕某个重要概念、科技项目或实践问题，对相关知识加以综合，用以解释问题或提出解决方案的一种学习策略^[1]。基于学科概念的项目式学习，正是链接社会生活议题，运用学科关键概念和能力解决复杂问题、完成综合任务，使学科概念在现实情境中再建构、综合、创新和发展的一种学习方式^[2]。在单元的复习阶段，教师常以项目式学习的理念来设计单元的专题复习课。同时，新课程关注学生个性化、多样化的学习，提倡基于网络的项目式学习，基于全媒体资源的探究学习、基于虚拟和增强现实技术的学习，促进人才培养模式的转变^[3]。高中生物学选择性必修“生物技术与工程”模块是对必修内容的扩展和应用，其育人价值在于让学生运用生命观念解释和解决实际问题，用技术手段建构方案或设计产品，发展学生的科学思维、技术思维、工程思维和伦理思维，引导其深刻理解科学本质，关注技术应用，增强社会责任感^[4]。

如何围绕单元重要概念，引导学生整合知识解决现实的具体问题，深化观念、发展思维，高效落实单元专题复习内容，充分达成育人目标的策略和方法？笔者以“基因工程”单元专题（复习）中的“胰岛素研发”项目式学习活动为例（以下称“本案例”）提出解决方案，从项目情境、实施路径、推进策略三个方面优化教学，借助信息技术手段开展分析、设计、评价、优化等一系列活动，提升学生探究素养和解决问题的能力。

一、围绕主题和概念挖掘资源，聚焦难点设置情境和任务

（一）挖掘资源深化主题，创设具有现实价值、意义深远的项目情境

高中生物学课程以发展学生核心素养为宗旨，倡导教师聚焦大概念，注重实践，以主题为引领开展情境教学^[5]。学生理解概念提升核心素养，需要在知识产生的情境中理解、应用知识。情境素材包括生活常见现象、科学史经典案例和最新科研成果。好的情境应该可信、可亲、情真、理蕴、意远^[6]。教材中，有关胰岛素研发和应用的素材多次出现在蛋白质的结构功能、基因工程和蛋白质工程内容中。相关概念的实际应用，诠释了科学研究的方法、过程和本质。同时，面对21世纪严重威胁人类健康的高发疾病——糖尿病，我国率先合成活性结晶牛胰岛素，对胰岛素研发作出了重要贡献。科学工作者在探索更高效更安全胰岛素中的一次次突破，彰显了人类运用科学技术解决现实问题，为创造美好生活而不懈探索的科学精神。教师围绕本单元“基因工程赋予生物新的遗传特性”这一重要概念，对网络上丰富的胰岛素百年研发史资料进行深挖和整合，创设了有利于学生运用基因工程基本概念和工程思维解决问题的项目情境，让学生参与改造仅含51个氨基酸的小分子蛋白而获得理想胰岛素的项目式学习活动，了解基因工程在医药领域的应用，高效达成本单元巩固知识、学以致用、深化观念、发展素养的专题复习目标。

（二）挖掘资源强化应用，设置促进知识系统建构、聚焦重难点的项目任务

项目式专题复习是围绕重要概念（单元概念），在现实情境中综合应用、系统建构和创新发展的过程。本案例中，教师遵循“以实例将科学本质具体化”^[7]的思想，挖掘网络上丰富而真实的胰岛素研发史料，为学生设置了一系列整合概念应用、聚焦难点问题、构建工程思维、促进多元发展的项目任务（如图1）。

首先，以对概念进行梳理和关联为目标挖掘资源，布置项目准备任务。本案例中，为了让学生在项目中像科学家和工程师一样运用已知概念、方法和思想解决实际问题，教师在组织单元复习时，仍遵循“从社会中来”“到社会中去”的设计理念，在项目实施前，带领学生重温单元开篇的“科技探索之路”。教师基于“基因工程的诞生和发展”情境，引导学生关联和梳理基因工程重组DNA技术、基本工具和操作流程知识，深化学生对“基因工程赋予生物新的遗传特性”的理解，提升工程思维能力，为学生综合应用解决问题奠定基础。

其次，以整合应用概念、发展工程思维能力为目标挖掘资源，布置项目关键任务。本案例在基因工程探索与发展主题下关注医药领域的“胰岛素研发”应用，聚焦解决其中的关键问题对相关的研发史料进行挖掘与组织。教师创设问题情境，引导学生整合知识，运用工程思维参与分析、设计、验证、优化，不断追求理想胰岛素的一系列活动。本案例将运用重组DNA技术“建构人胰岛素基因表达载体”作为项目的关键问题和实施重点，以实现综合运用本单元重点知识突破难点问题的专题复习目标。

最后，以深化生命观念、促进多元思维为目标挖掘资源，布置拓展性任务。教师在本案例为学生提供研发史料，关注并挖掘了能够体现“人体对外源胰岛素是否产生不良反应”“是否导致新的遗传病”“是否影响人类基因多样性”等探索复杂综合现实问题的内容资源，使学生深化对生物多样性、统一性、独特性和复杂性的认识，进一步发展工程思维、伦理思维和批判思维。教师创设问题情境，以“如何规避胰岛素研发和应用中存在的风险”“探索模拟人内源胰岛素持续稳定降糖的方案”“展望胰岛素的未来发展”作为项目延展任务，引导学生进一步研读相关资料，开阔视野，深刻体会人类对糖尿病认知的不断深入、胰岛素应用经验的不断丰富、对科学降糖理念的不断发展的探索过程，建立科学的自然观和世界观，增强自主创新的责任感。

二、以解决问题为导向组织资源，搭建支架指引学生探究

基于学科概念的项目式学习，指向的是学科的本质思想方法，关注概念的结构、层次和系统性，以及概念和具体事实的密切联系，以学科概念作为解决问题的基本思路^[8]。本案例以获得理想的胰岛素为目标，以解决研发历程中的两个关键问题为路径，为学生运用工程思维、整合应用知识，解决具体问题搭建了一系列项目式学习所需的活动支架（如图2），有利于高效复习专题内容，达成育人目标。

（一）基于重要概念的应用来组织史料，构建以解决关键问题为线索的项目实施路径

教师让学生研读胰岛素研发史料，自主构建以解决研发历程中的关键问题为线索的项目实施路径。回顾胰岛素研发历程，让学生了解科研人员应用生物技术不断解决提纯难、产量低、抵抗、延迟、不稳定等一系列问题而获得理想胰岛素的过程。教师引导学生利用已学知识归纳胰岛素研发需解决的两大关键问题：人体对第一代动物胰岛素的“抵抗”问题和第二代基因工程人胰岛素的效用“延迟”问题。在教师的启发下，学生自主构建以破解两大关键问题为线索的项目实施路径。

（二）围绕关键问题的解决来组织资料，搭建基于系统工程和多元思维的项目实施支架

为运用生命观念理解生物技术和工程原理，解决技术和工程问题，发展学生技术思维、工程思维与伦理思维，落实教学目标^[9]，教师以解决胰岛素研发中的“抵抗”和“延迟”两个关键问题为路径，引导学生一次次经历运用概念分析原理、提出方案、设计验证、评价反思、改进优化的一系列探究活动。从第一代动物提纯胰岛素到第二代重组人胰岛素，再到第三代人胰岛素类似物，学生经历持续追求更高效、更安全、更便利的解决方案的科研过程，进一步深化生命结构功能观，增进了对工程思维的系统性认识，提升了伦理思维意识，培养了批判和创新精神。

（三）聚焦运用重要概念解决项目关键问题的实践探究，落实专题复习内容目标

教师聚焦于解决“抵抗”和“延迟”两个关键问题，引导学生结合史料及数据，应用蛋白质结构功能、基因工程技术、工具、流程和蛋白质工程原理知识，突破难点，参与获得理想胰岛素的探究活动。为解决第一代产品“抵抗”问题开展的探究活动包括：①比较牛胰岛素和人胰岛素差异，在蛋白质结构与功能和免疫原性知识上建立关联，分析问题；②运用基因工程重组DNA技术、工具和操作程序等知识，提出改造动物胰岛素获得人源胰岛素的方案；③运用“基因表达载体的构建”概念和工具（限制性内切酶、连接酶、质粒），设计接入人源目的基因的表达载体，获得解决“抵抗问题”的第二代产品——重组人胰岛素；④以第二代产品的临床数据资料为验证依据，对“延迟问题”进行反思和进一步探究。

解决“延迟”问题的探究活动包括：①比较第二代“重组人胰岛素”与第三代“人胰岛素类似物”（如门冬胰岛素）的差异，关联蛋白质的结构与功能知识，分析问题；②基于蛋白质工程原理，提出改造第二代产品的空间结构的优化方案；③利用蛋白质工程应用思路改造第二代产品，获得胰岛素单体结构的第三代产品——胰岛素类似物；④以第三代产品（如门冬胰岛素）的临床应用数据资料为验证依据，对进一步实现速效、安全、稳定的胰岛素进行原理分析，对研发和应用中面临的现实复杂问题进行综合反思，深化生命观念，发展技术思维、工程思维和伦理思维。

三、有的放矢制定策略，利用数字资源和工具推进教学

教师需要在提出驱动性问题、组建项目小组、建立知识关联、形成分析结果、公开展示成果方面下功夫持续推进探究活动^[10]。教师开展项目式学习活动，需要创造各种条件引导学生像专家一样运用学科知识、思想方法和学习工具投入解决问题的实践中去^[11]。本案例中，教师不但挖掘、组织网络素材，为学生创设具体的项目任务情境，设计路径支架，还为学生提供了多样化的网络学习资源和探究工具及网络交流与评价平台，支持他们实践探究，深度交流，解决问题，达成专题复习目标（如图3）。

（一）提供在线数据库资源和思维与交互工具，支持学生高效探究

首先，为辅助学生分析原理，教师提供了RCSB和PDB在线数据库资源（如Brookhaven实验室），让学生查询、对比牛胰岛素、人胰岛素的A链（B链），比较基因重组胰岛素和门冬胰岛素的氨基酸序列和空间结构，运用概念分析人对第一代胰岛素产生“抵抗”和第二代胰岛素作用“延迟”的原因，并提出改造思路。其次，为辅助学生体验改造动物胰岛素中的“建构人胰岛素基因表达载体”这个重点环节的探究，教师为学生提供了“构建基因表达载体”的思维导图和交互模拟探究工具（可移动氨基酸序列的动物胰岛素A链、启动子、插入位点、目的基因、质粒连接酶、限制酶等数字化模拟结构）。学生模拟操作，设计了解决“抵抗问题”的第二代产品——基因重组人胰岛素。同样，为辅助学生体验基于蛋白质工程原理改造第二代“基因工程人胰岛素”的探究，教师为学生提供了一个人胰岛素B链第28位脯氨酸（Pro）与另一个胰岛素B链第23位甘氨酸（Gly）因二硫键而聚合的二聚体胰岛素结构示意图，让学生模拟操作探究：以天冬氨酸替换脯氨酸，消除两链间范德华力而形成人胰岛素单体，获得结构简单、快速起效的人胰岛素类似物“第三代产品——门冬胰岛素”。

（二）线上线下充分交流并精准评价，促进学生个性化发展

首先，为辅助学生自主探究，本案例采用线上线下融合的方式教学，利用在线教学系统进行任务发布、资源推送、方法指导、进度监控，以高效达成专题复习目标。其次，为辅助学生在项目活动中合作共建，本案例利用网络主题论坛等交互平台为学生提供高效的分工交流、成果展示、互评互助的探究环境。最后，为促进学生的多元思维和个性化发展，本案例指导学生利用个人网络学习空间自主管理项目资料、过程和成果，总结在项目活动中取得的知识、方法和观念方面的收获，反思不足。

四、单元专题复习课项目教学建议

以项目式学习的理念开展单元专题复习课教学，是一次实战演练。学生在基本掌握本单元概念和方法基础上，在真实的项目情境和具体问题驱动下，综合应用知识，解决问题，获得成果。教师采用上述策略开展探究实践活动，应注意以下两点。

第一，设计项目、组织活动，重在围绕重要概念进行知识整合和观念深化。因此，教学既要有系统性又要有针对性，重点开展好以核心知识解决关键问题的探究活动。本案例聚焦胰岛素研发中的“抵抗”和“延迟”两大关键问题，侧重“建构人胰岛素基因表达载体”和“蛋白质工程应用思路”两个重点知识的应用。对于利用PCR技术获取和扩增引入目的基因来解决产量问题，采用多种胰岛素混合，以及采用口服和皮下注射等不同方式来解决其降糖的持续性和稳定性等问题的探究，本案例没有将其列为重点。对这些问题的探究，教师可在项目的准备阶段或项目任务拓展阶段，以讨论交流等方式，引导学生关联和巩固本单元知识，促进学生系统建构概念、深化生命观念。

第二，项目的实施和推进，旨在让学生参与以解决实际问题为目标的探究活动。教师要引导学生在一次次发现问题、分析原理的过程中自觉地整合并运用已学知识，在一环环的设计和验证中深化概念，发展思维，在对每一个阶段成果的评价和反思中，提高综合运用知识解决复杂实际问题的能力，发展核心素养。

注：本文系国家新闻出版署出版融合发展（人教社）重点实验室2022年重点课题“基于数字资源与技术的生物学科教学创新实践研究”（编号：RJA0222002）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 郑春和，刘恩山.论生物学科教材分析及知识重构[J].生物学通报，2020（9）：24-28.

[2][8][10]夏雪梅.PBL项目化学习设计：学习素养视角下的国际与本土实践[M].北京：教育科学出版社，2021.

[3][5][7][9]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订[S]. 北京：人民教育出版社，2020.

[4] 人民教育出版社课程教材研究所.普通高中教科书教师教学用书 生物学 选择性必修3 生物技术与工程[M].北京：人民教育出版社，2020.

[6] 谭永平.试论中学生物学教材和教学中的情境创设[J].中学生物教学，2019（11）：8-10.

[11]夏雪梅.项目化学习中“教师如何支持学生”的指标建构研究[J].华东师范大学学报（教育科学版），2023（8）：90-102.

（作者系人民教育出版社人教数字教育研究院高级研究员）

责任编辑：祝元志