技術支持下的高中生物學單元整體教學設計

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調，教師在教學中應注重知識的系統(tǒng)性和整體性，同時關注學科間的聯系，并將科學知識與技術、社會緊密結合[1]。在此背景下，單元整體教學設計作為一種有效的教學策略，將零散知識點整合到主題單元中，能促進學生系統(tǒng)學習和掌握知識，形成并發(fā)展系統(tǒng)思維[2]。為解決學生難以直觀認知“細胞的結構”等問題，教師可以基于單元，在技術支持下設計任務，加強任務間的邏輯聯系，設計合理的進階梯度，引導學生建模探究。筆者以“細胞的結構”單元為例，以3D打印技術為抓手，設計從觀看視頻學習制作細胞膜模型到自主原創(chuàng)制作功能細胞模型的遞進任務群，深化學生對細胞結構與功能、細胞作為統(tǒng)一整體的理解，培養(yǎng)學生模型與建模、批判性思維等科學思維。此外，借助釘釘群和共享文檔實施教學評價，確保即時反饋，促進學習調整。筆者在技術助力下探討單元教學的整體設計思路，構建核心概念，整合知識，旨在形成系統(tǒng)概念體系，防止知識碎片化，促進學生系統(tǒng)思維和生物學核心素養(yǎng)發(fā)展。一、技術支持下單元整體教學分析（一）教學內容及學情“細胞的結構”是高中生物學必修1的核心內容，包括細胞膜、細胞質、細胞核的結構和功能，以及細胞作為統(tǒng)一整體的概念。學生學習這些知識有助于深入理解科學研究過程和本質，促進科學自然觀的形成，并為后續(xù)學習細胞代謝、增殖和分化等知識奠定基礎。學生在初中已對細胞膜、細胞質等結構有所了解，但他們對這些知識的認識往往是孤立的，缺乏對細胞各部分結構功能的深入理解。此外，由于細胞是微觀世界的一部分，學生對其缺乏直觀認識，導致理解困難。從認知心理學角度來看，“細胞的結構”單元內容屬于“事實性知識”，學生學習這類知識不僅需要記憶，而且需要在理解的基礎上建立知識間的內在聯系[3]。目前，盡管不少教師在教學中組織學生參與了顯微鏡觀察、細胞圖形繪制和模型制作等活動，但未能系統(tǒng)化地展現細胞結構間的聯系和整體功能，以至于學生難以形成完整的知識網絡。同時，這些活動缺乏明確的任務指引和進階性的引導，導致學生的參與和學習停留在模仿和表層理解上，未能深入探究細胞結構和功能、部分與整體之間的深層次關系，也無法深刻體驗模型與建模等科學思維的應用。為解決上述問題，筆者嘗試應用多種技術手段，對單元進行統(tǒng)整設計。以單元整體情境為起點，串聯任務主線，促進任務間的關聯性與進階性；以3D打印技術為抓手，開展模型制作系列活動，將細胞的微觀結構具象化，讓學生在制作和修正模型的過程中，深度體驗模型思維，將隱性的思維過程可視化；以釘釘群和共享文檔為評價工具，及時評價，加強反饋和調整；以建構重要概念為主旨，梳理知識，形成單元概念體系。在3D打印模型制作過程中，學生還將綜合運用生物學知識、信息技術、數學技能和工程設計思維，進行跨學科綜合實踐，有利于提高學生的綜合素質，也有利于指引學生未來的學習和發(fā)展。（二）單元教學目標借助信息技術開展“細胞的結構”單元整體教學，旨在達成如下目標。第一，解釋并評價結構模型的科學性，領悟結構與功能觀、系統(tǒng)觀等生命觀念。第二，使用軟件設計多種結構模型，使用3D打印設備將其物化，并通過不斷地修正和完善，發(fā)展模型與建模、批判性思維等科學思維。第三，經歷查閱資料、分析資料、設計與實施方案、對結果交流與討論等過程，提升科學探究素養(yǎng)和跨學科綜合實踐能力。第四，體驗3D打印技術的實際應用，感受科學技術的力量，增強社會責任意識。二、技術支持下單元整體教學過程（一）整體設計思路筆者以社會熱點議題“人造細胞”為統(tǒng)領整個單元教學的情境，引領單元概念體系的構建，串聯單元任務群。基于知識概念邏輯，設計一系列邏輯連貫、思維進階的任務群，包括學習3D打印技術制作細胞膜結構模型、復制性模仿制作多種細胞器結構模型、創(chuàng)新性模仿制作細胞核結構模型、自主原創(chuàng)制作特定功能的細胞結構模型。遵循學生思維和能力螺旋式發(fā)展規(guī)律，開展難度和深度逐步進階的系列學生活動與評價，使學生思維由低階到高階發(fā)展（如圖1）。（二）具體教學環(huán)節(jié)1.創(chuàng)設單元情境，設計單元任務群筆者展示“人造細胞”報道，引出核心問題“細胞具有什么結構”，并將其拆分：細胞的邊界是什么？細胞內有哪些結構？組成人體的細胞只有一種嗎？不同功能的細胞結構有何區(qū)別，為什么？筆者將這些問題轉化為4項進階任務：學習3D打印技術制作細胞膜結構模型、復制性模仿制作多種細胞器結構模型、創(chuàng)新性模仿制作細胞核結構模型、自主原創(chuàng)制作特定功能的細胞結構模型。設計意圖：提出社會熱點問題引入新課，激發(fā)學生探究熱情。設計一系列問題引出單元任務群，為學生后續(xù)的探究活動指明方向和思路。2.融合科學技術，進階式完成任務任務一：學習3D打印技術制作細胞膜結構模型。學生協(xié)作開展膜的透過性實驗，觀察透析袋內外溶液顏色變化，初步推測細胞膜具有選擇透過性。隨后，筆者展示關于細胞膜的經典研究資料，引導學生深入探討細胞膜的成分、結構及其功能之間的關系。為了讓學生更直觀地理解細胞膜的結構，筆者播放了利用123DDesign三維建模軟件和3D打印機制作細胞膜結構模型的視頻。在播放過程中，筆者引導學生評價模型的科學性，并關注3D軟件和打印機的使用方法及操作規(guī)范，同時指導學生設計操作規(guī)范的評價量規(guī)表（見表1），以確保技術應用的準確性和科學性。設計意圖：讓學生利用資料進行探究性學習，積極探索和構建，而非被動接受知識。此外，學生目睹3D打印技術如何精準地復刻出細胞膜的復雜結構，激發(fā)其對生物學和科技融合應用的濃厚興趣，也為后續(xù)學習奠定基礎。任務二：復制性模仿制作各種細胞器結構模型。學生開展用顯微鏡觀察黑藻葉片臨時裝片的實驗，描述葉綠體的形態(tài)、分布及移動情況，認同細胞質中含有多種具有特定形態(tài)和功能的細胞器。筆者提供整理后的有關核糖體、內質網、高爾基體、線粒體、葉綠體等細胞器的發(fā)現史料，讓學生分組合作分析資料，歸納并總結它們的結構、功能及特點。隨后，學生模仿教師使用3D打印技術制作多種細胞器的結構模型，并進行展示和交流。在評價過程中，使用釘釘群共享上述評價量規(guī)表，重點關注操作的規(guī)范性。設計意圖：學生首先分組探索各種細胞器結構與功能，隨后進行合作交流，使重復的資料分析和模型建構活動更加緊湊，從而在有限的課堂時間內達成目標。學生使用釘釘群共享評價量規(guī)表進行評估，可以迅速獲得反饋，從而提高學習效果。任務三：創(chuàng)新性模仿制作細胞核結構模型。學生自主閱讀有關細胞核功能的資料，例如傘藻嫁接實驗與變形蟲切割實驗，以及細胞核結構的資料，包括電子顯微鏡下觀察到的核膜、核仁等結構，提煉細胞核的本質特征。筆者進一步引導學生認識不同功能或代謝水平的細胞核結構的差異性。學生在教師制作的一般細胞核模型的基礎上，使用3D打印技術進行個性化改造。在交流展示環(huán)節(jié)，學生比較不同組細胞核模型，從核仁大小、核孔數量等方面探討其與代謝水平的適應性。評價時，除要求操作規(guī)范外，增加了對模型成品科學性、美觀程度及合作交流表現等方面的評價。設計意圖：承接前一任務，減少教師的參與度，讓學生自主閱讀材料，創(chuàng)新性地個性化設計細胞核的結構模型；強調不同功能或代謝水平的細胞核結構存在差異，加深學生對結構與功能關系的理解，為后續(xù)教學任務的順利完成啟迪思想。任務四：自主原創(chuàng)制作特定功能的細胞結構模型。筆者設計任務引導單開展教學（如圖2）。首先，學生查閱資料，確認目標細胞，并分析其功能和結構特點；其次，設計詳細方案，明確各組成部分的尺寸、數量和特征及建模方法，并從結構與功能相適應、部分與整體相統(tǒng)一的角度進行評估和優(yōu)化；再次，實施方案，學生首先利用建模軟件設計三維動畫模型，運用數學技能進行測量和計算，確保模型準確反映結構；之后，使用3D打印機和打印筆將模型實體化，學生需要評估和優(yōu)化打印質量，選擇適當的打印材料和調整打印參數等；最后，展示交流，自評互評，反思改進。設計意圖：該環(huán)節(jié)旨在促進學生對細胞結構和功能的深層次理解，讓學生深化細胞是一個統(tǒng)一整體的觀念，同時體現跨學科綜合實踐學習的特點。該任務具有高度開放性，教師通過設計任務單引導學生學習，提高了可行性且不影響探究性。3.回歸單元情境，構建單元概念體系筆者引導學生梳理先前任務中習得的知識，從結構與功能相適應的角度理解細胞結構差異，從部分與整體相統(tǒng)一的角度理解細胞各部分是通過分工合作完成特定功能的。隨后，筆者播放放射性同位素追蹤鼠胰腺細胞分泌胰蛋白酶過程的視頻，讓學生分組合作，繪制鼠胰腺細胞分泌蛋白酶的流程圖。最后，師生合作，設計本單元的概念體系并以簡潔的板書形式展示（如圖3）。設計意圖：串聯知識，構建單元概念體系，避免知識碎片化，引導學生思維從發(fā)散逐漸聚焦，使概念更加清晰。繪制流程圖，具象化“細胞是一個統(tǒng)一整體”概念，借此對學生的學習進行評價。三、技術支持下的單元整體教學經驗（一）融合技術實施教學，促進學生學科核心素養(yǎng)發(fā)展教師融合信息技術及釘釘群與共享文檔等工具開展教學，可以多方面促進學生學科核心素養(yǎng)發(fā)展。在該單元教學中，學生利用3D打印技術設計和制作模型，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和動手能力。學生借助釘釘群進行實時討論和協(xié)作，分享設計理念和技術細節(jié)，增強了團隊合作和溝通能力；使用共享文檔記錄設計過程，評價操作規(guī)范和成品科學性，提高了信息處理和數字協(xié)作能力。（二）構建單元任務群，促使深度學習發(fā)生在教學中，如果任務設計缺乏整體性、關聯性和進階性，將無法有效支持學生的思維進階，也無法發(fā)揮強有力的驅動作用，導致學生的學習停留在淺層。為了避免這種情況，教師應精心設計并整體構建單元任務群。教師引導學生依次經歷技術學習、復制性模仿、創(chuàng)新性模仿和自主原創(chuàng)等一系列進階性學習過程，使其學習活動由表及里