技術(shù)支持下的高中生物學單元整體教學設(shè)計

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調(diào)，教師在教學中應(yīng)注重知識的系統(tǒng)性和整體性，同時關(guān)注學科間的聯(lián)系，并將科學知識與技術(shù)、社會緊密結(jié)合[1]。在此背景下，單元整體教學設(shè)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(jié)構(gòu)”等問題，教師可以基于單元，在技術(shù)支持下設(shè)計任務(wù)，加強任務(wù)間的邏輯聯(lián)系，設(shè)計合理的進階梯度，引導(dǎo)學生建模探究。筆者以“細胞的結(jié)構(gòu)”單元為例，以3D打印技術(shù)為抓手，設(shè)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(wù)群，深化學生對細胞結(jié)構(gòu)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(diào)整。筆者在技術(shù)助力下探討單元教學的整體設(shè)計思路，構(gòu)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(shù)支持下單元整體教學分析（一）教學內(nèi)容及學情“細胞的結(jié)構(gòu)”是高中生物學必修1的核心內(nèi)容，包括細胞膜、細胞質(zhì)、細胞核的結(jié)構(gòu)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(zhì)，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(chǔ)。學生在初中已對細胞膜、細胞質(zhì)等結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致理解困難。從認知心理學角度來看，“細胞的結(jié)構(gòu)”單元內(nèi)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(chǔ)上建立知識間的內(nèi)在聯(lián)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(xiàn)細胞結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系和整體功能，以至于學生難以形成完整的知識網(wǎng)絡(luò)。同時，這些活動缺乏明確的任務(wù)指引和進階性的引導(dǎo)，導(dǎo)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(jié)構(gòu)和功能、部分與整體之間的深層次關(guān)系，也無法深刻體驗?zāi)Ｐ团c建模等科學思維的應(yīng)用。為解決上述問題，筆者嘗試應(yīng)用多種技術(shù)手段，對單元進行統(tǒng)整設(shè)計。以單元整體情境為起點，串聯(lián)任務(wù)主線，促進任務(wù)間的關(guān)聯(lián)性與進階性；以3D打印技術(shù)為抓手，開展模型制作系列活動，將細胞的微觀結(jié)構(gòu)具象化，讓學生在制作和修正模型的過程中，深度體驗?zāi)Ｐ退季S，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(diào)整；以建構(gòu)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(shù)、數(shù)學技能和工程設(shè)計思維，進行跨學科綜合實踐，有利于提高學生的綜合素質(zhì)，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(shù)開展“細胞的結(jié)構(gòu)”單元整體教學，旨在達成如下目標。第一，解釋并評價結(jié)構(gòu)模型的科學性，領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)與功能觀、系統(tǒng)觀等生命觀念。第二，使用軟件設(shè)計多種結(jié)構(gòu)模型，使用3D打印設(shè)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(jīng)歷查閱資料、分析資料、設(shè)計與實施方案、對結(jié)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(shù)的實際應(yīng)用，感受科學技術(shù)的力量，增強社會責任意識。二、技術(shù)支持下單元整體教學過程（一）整體設(shè)計思路筆者以社會熱點議題“人造細胞”為統(tǒng)領(lǐng)整個單元教學的情境，引領(lǐng)單元概念體系的構(gòu)建，串聯(lián)單元任務(wù)群。基于知識概念邏輯，設(shè)計一系列邏輯連貫、思維進階的任務(wù)群，包括學習3D打印技術(shù)制作細胞膜結(jié)構(gòu)模型、復(fù)制性模仿制作多種細胞器結(jié)構(gòu)模型、創(chuàng)新性模仿制作細胞核結(jié)構(gòu)模型、自主原創(chuàng)制作特定功能的細胞結(jié)構(gòu)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(shè)單元情境，設(shè)計單元任務(wù)群筆者展示“人造細胞”報道，引出核心問題“細胞具有什么結(jié)構(gòu)”，并將其拆分：細胞的邊界是什么？細胞內(nèi)有哪些結(jié)構(gòu)？組成人體的細胞只有一種嗎？不同功能的細胞結(jié)構(gòu)有何區(qū)別，為什么？筆者將這些問題轉(zhuǎn)化為4項進階任務(wù)：學習3D打印技術(shù)制作細胞膜結(jié)構(gòu)模型、復(fù)制性模仿制作多種細胞器結(jié)構(gòu)模型、創(chuàng)新性模仿制作細胞核結(jié)構(gòu)模型、自主原創(chuàng)制作特定功能的細胞結(jié)構(gòu)模型。設(shè)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(shè)計一系列問題引出單元任務(wù)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(shù)，進階式完成任務(wù)任務(wù)一：學習3D打印技術(shù)制作細胞膜結(jié)構(gòu)模型。學生協(xié)作開展膜的透過性實驗，觀察透析袋內(nèi)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(guān)于細胞膜的經(jīng)典研究資料，引導(dǎo)學生深入探討細胞膜的成分、結(jié)構(gòu)及其功能之間的關(guān)系。為了讓學生更直觀地理解細胞膜的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)模型的視頻。在播放過程中，筆者引導(dǎo)學生評價模型的科學性，并關(guān)注3D軟件和打印機的使用方法及操作規(guī)范，同時指導(dǎo)學生設(shè)計操作規(guī)范的評價量規(guī)表（見表1），以確保技術(shù)應(yīng)用的準確性和科學性。設(shè)計意圖：讓學生利用資料進行探究性學習，積極探索和構(gòu)建，而非被動接受知識。此外，學生目睹3D打印技術(shù)如何精準地復(fù)刻出細胞膜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，激發(fā)其對生物學和科技融合應(yīng)用的濃厚興趣，也為后續(xù)學習奠定基礎(chǔ)。任務(wù)二：復(fù)制性模仿制作各種細胞器結(jié)構(gòu)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(zhì)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(guān)核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體、葉綠體等細胞器的發(fā)現(xiàn)史料，讓學生分組合作分析資料，歸納并總結(jié)它們的結(jié)構(gòu)、功能及特點。隨后，學生模仿教師使用3D打印技術(shù)制作多種細胞器的結(jié)構(gòu)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(guān)注操作的規(guī)范性。設(shè)計意圖：學生首先分組探索各種細胞器結(jié)構(gòu)與功能，隨后進行合作交流，使重復(fù)的資料分析和模型建構(gòu)活動更加緊湊，從而在有限的課堂時間內(nèi)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(wù)三：創(chuàng)新性模仿制作細胞核結(jié)構(gòu)模型。學生自主閱讀有關(guān)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(jié)構(gòu)的資料，包括電子顯微鏡下觀察到的核膜、核仁等結(jié)構(gòu)，提煉細胞核的本質(zhì)特征。筆者進一步引導(dǎo)學生認識不同功能或代謝水平的細胞核結(jié)構(gòu)的差異性。學生在教師制作的一般細胞核模型的基礎(chǔ)上，使用3D打印技術(shù)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(shù)量等方面探討其與代謝水平的適應(yīng)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(xiàn)等方面的評價。設(shè)計意圖：承接前一任務(wù)，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(shè)計細胞核的結(jié)構(gòu)模型；強調(diào)不同功能或代謝水平的細胞核結(jié)構(gòu)存在差異，加深學生對結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的理解，為后續(xù)教學任務(wù)的順利完成啟迪思想。任務(wù)四：自主原創(chuàng)制作特定功能的細胞結(jié)構(gòu)模型。筆者設(shè)計任務(wù)引導(dǎo)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(jié)構(gòu)特點；其次，設(shè)計詳細方案，明確各組成部分的尺寸、數(shù)量和特征及建模方法，并從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)、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(shè)計三維動畫模型，運用數(shù)學技能進行測量和計算，確保模型準確反映結(jié)構(gòu)；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(zhì)量，選擇適當?shù)拇蛴〔牧虾驼{(diào)整打印參數(shù)等；最后，展示交流，自評互評，反思改進。設(shè)計意圖：該環(huán)節(jié)旨在促進學生對細胞結(jié)構(gòu)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(xiàn)跨學科綜合實踐學習的特點。該任務(wù)具有高度開放性，教師通過設(shè)計任務(wù)單引導(dǎo)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(gòu)建單元概念體系筆者引導(dǎo)學生梳理先前任務(wù)中習得的知識，從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度理解細胞結(jié)構(gòu)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(shè)計本單元的概念體系并以簡潔的板書形式展示（如圖3）。設(shè)計意圖：串聯(lián)知識，構(gòu)建單元概念體系，避免知識碎片化，引導(dǎo)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(shù)支持下的單元整體教學經(jīng)驗（一）融合技術(shù)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(shù)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(shù)設(shè)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(shè)計理念和技術(shù)細節(jié)，增強了團隊合作和溝通能力；使用共享文檔記錄設(shè)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(shù)字協(xié)作能力。（二）構(gòu)建單元任務(wù)群，促使深度學習發(fā)生在教學中，如果任務(wù)設(shè)計缺乏整體性、關(guān)聯(lián)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(qū)動作用，導(dǎo)致學生的學習停留在淺層。為了避免這種情況，教師應(yīng)精心設(shè)計并整體構(gòu)建單元任務(wù)群。教師引導(dǎo)學生依次經(jīng)歷技術(shù)學習、復(fù)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