北京 曹文竹

(作者單位：北京市懷柔區(qū)第一中學(xué))

學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的“大單元教學(xué)”設(shè)計(jì)，要充分建立學(xué)科核心素養(yǎng)與學(xué)科核心內(nèi)容之間的關(guān)系，使學(xué)科核心素養(yǎng)具體化。依據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)和教材，整合教學(xué)目標(biāo)；選擇恰當(dāng)?shù)那榫乘夭?，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)與遞進(jìn)性任務(wù)活動(dòng)；以大概念為核心，開展課堂教學(xué)。大單元教學(xué)目標(biāo)的整合、制訂與達(dá)成可以使教學(xué)思路整體化、結(jié)構(gòu)化，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提升學(xué)生在真實(shí)情境下解決問題的能力?！按蟾拍睢笔菍⑺仞B(yǎng)落實(shí)到具體教學(xué)中的錨點(diǎn)，充分理解大概念可達(dá)成高通路知識(shí)遷移，形成具體與抽象交錯(cuò)的復(fù)雜認(rèn)知結(jié)構(gòu)，有助于學(xué)生解決新情境下的問題。筆者將以大單元教學(xué)“基因工程”復(fù)習(xí)課為例，談如何運(yùn)用大單元教學(xué)形成大概念解決“2021年河北省普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試第24題”情境下的問題。

一、教學(xué)目標(biāo)及評(píng)價(jià)目標(biāo)設(shè)計(jì)

1.單元教學(xué)內(nèi)容分析

本單元位于新人教版教材選擇性必修3 《生物技術(shù)與工程》的第3章。對(duì)應(yīng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的4個(gè)較為具體的概念，本單元對(duì)應(yīng)概念5“基因工程賦予生物新的遺傳特性”。本書的前3章分別對(duì)應(yīng)概念3、概念4、概念5，從個(gè)體水平、細(xì)胞水平、最終到分子水平，層層深入。

本章內(nèi)容涉及兩大核心技術(shù)：重組DNA技術(shù)和蛋白質(zhì)工程。其中，重組DNA技術(shù)涉及4個(gè)次位概念，分別從基因工程的誕生和發(fā)展、DNA重組所需的工具、基因工程的基本操作、基因工程的應(yīng)用與延伸等方面闡述基因工程賦予生物新的遺傳特性。本章內(nèi)容是對(duì)育種相關(guān)內(nèi)容的補(bǔ)充，相對(duì)于雜交育種、誘變育種，基因工程育種更微觀、更抽象。

2.學(xué)情分析

通過對(duì)必修1、必修2的學(xué)習(xí)，學(xué)生能認(rèn)識(shí)到生物學(xué)概念是基于科學(xué)事實(shí)，經(jīng)過歸納與概括、演繹與推理等方法形成的；能理解分子與細(xì)胞、遺傳與進(jìn)化等相關(guān)概念的內(nèi)涵；并且通過對(duì)必修2第4章、第5章的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解到基因控制性狀的分子學(xué)機(jī)理、遺傳和變異的本質(zhì)，了解到基因通過指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成控制生物的性狀。然而，在必修2第6章的學(xué)習(xí)中，學(xué)生了解到不同物種在自然狀態(tài)下不能夠自由交配產(chǎn)生可育后代，因而不能發(fā)生基因交流，即抗蟲棉不能夠通過雜交獲得，與生物“新”的遺傳特性的獲得產(chǎn)生認(rèn)知沖突。必修2第4章的學(xué)習(xí)內(nèi)容微觀、抽象，學(xué)生不能動(dòng)手實(shí)踐，故難以理解。而在基因工程的學(xué)習(xí)中，教師可以盡量為學(xué)生提供動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，在復(fù)習(xí)過程中，聯(lián)系所學(xué)知識(shí)，整合必修2的相關(guān)內(nèi)容。綜上，基因工程的學(xué)習(xí)與復(fù)習(xí)有助于學(xué)生對(duì)必修2內(nèi)容的進(jìn)一步理解與整合。

3.教學(xué)目標(biāo)及評(píng)價(jià)目標(biāo)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合《課程標(biāo)準(zhǔn)》、教材，以《中國高考評(píng)價(jià)體系》為導(dǎo)向，筆者制定的教學(xué)目標(biāo)及對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)目標(biāo)如圖所示。

二、大概念在大單元教學(xué)中的滲透

1.多次問答了解學(xué)生的前概念

大概念的構(gòu)建可通過以核心概念(次位概念)為單位，采用多次問答、羅列小概念等方式對(duì)學(xué)生的前概念進(jìn)行調(diào)查與復(fù)習(xí)。例如，核心概念“DNA重組技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要利用限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶和載體三種基本工具”，可以設(shè)置問題：(1)DNA重組技術(shù)需要對(duì)DNA進(jìn)行剪切、重組、運(yùn)輸，分別對(duì)應(yīng)什么工具？(2)剪切過程的工具作用于DNA的什么結(jié)構(gòu)？作用結(jié)果是什么？(3)重組DNA過程的工具作用于DNA的什么結(jié)構(gòu)？作用結(jié)果是什么？(4)如何在提高重組DNA連接效率的同時(shí)降低重組DNA連接的錯(cuò)誤率？(從剪切結(jié)果考慮)(5)作為重組DNA的運(yùn)輸工具需要具備(提供)哪些條件？

2.以核心概念為線索創(chuàng)設(shè)情境

本單元核心概念以基因工程的發(fā)展為線索，包括基因工程的誕生、DNA重組所需的工具、基因工程的基本操作、基因工程的應(yīng)用與延伸、蛋白質(zhì)工程五個(gè)方面。在闡明基因工程的原理及應(yīng)用的同時(shí)，更存在著基因工程與遺傳學(xué)、微生物學(xué)、蛋白質(zhì)工程學(xué)等其他學(xué)科之間的聯(lián)系。教師在考慮創(chuàng)設(shè)情境時(shí)，可以聯(lián)系多個(gè)學(xué)科背景，依據(jù)基因重組的原理進(jìn)行創(chuàng)設(shè)。在創(chuàng)設(shè)情境中，教師還可以考慮讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，初步體會(huì)“大概念”。

【例1】結(jié)合資料1、資料2運(yùn)用基因工程技術(shù)，嘗試提出初步的工程學(xué)構(gòu)想，并進(jìn)行簡單的設(shè)計(jì)。(提示：明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模覝?zhǔn)目的基因，運(yùn)用三個(gè)基本工具，按照操作流程，獲得目的細(xì)胞系并培養(yǎng))

【資料1】CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，是對(duì)靶向基因進(jìn)行特定DNA修飾的技術(shù)。CRISPR/Cas9系統(tǒng)是一種人工設(shè)計(jì)的sgRNA(小向?qū)NA)與Cas9核酸酶組成的復(fù)合物，該復(fù)合物可和DNA分子中與sgRNA相同序列的區(qū)段特異性結(jié)合并對(duì)其進(jìn)行切割。

【資料2】甲狀腺激素受體相關(guān)蛋白3(THRAP3)基因位于人類1號(hào)染色體短臂上，為進(jìn)一步了解THRAP3基因功能，科研人員欲對(duì)人類肝癌細(xì)胞HepG2的THRAP3基因進(jìn)行定向敲除。

3.建立核心概念體系

依托新情境，以核心概念為線索，逐一梳理，找到核心概念下“小概念”之間的聯(lián)系，形成核心概念體系，最終形成“大概念”。

分析例1情境，CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)是以分子生物學(xué)為基礎(chǔ)，針對(duì)人類肝癌細(xì)胞進(jìn)行定向基因改造(敲除THARP3基因)，涉及動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)和基因工程。用基因工程的三個(gè)基本工具，按照基因工程的四步操作程序獲得人類肝癌細(xì)胞HepG2的THRAP3基因敲除細(xì)胞系，即通過基因工程獲得人類意愿賦予的新遺傳特征的細(xì)胞系。

在設(shè)計(jì)上述獲得基因敲除細(xì)胞系的實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)全面考慮所涉及的學(xué)科技術(shù)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募白饔锰攸c(diǎn)細(xì)化基因工程的三個(gè)基本工具；注重特定情境中基因工程四步操作程序的選擇，例如本情境中目的基因的獲取，采用的是根據(jù)THRAP3基因進(jìn)行人工設(shè)計(jì)sgRNA，而并非從基因文庫中獲取。因此在構(gòu)建核心概念體系的過程中，應(yīng)注意在建立核心概念之間的聯(lián)系的同時(shí)，注意區(qū)分“小概念”間的異同。

三、多情境交互認(rèn)知理解“大概念”

提供多個(gè)情境，分析內(nèi)在聯(lián)系，理解“大概念”。例如轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的獲得(教材情境)、人類肝癌細(xì)胞HepG2的THRAP3基因敲除細(xì)胞系(例1情境)、合成人胰島素的大腸桿菌、轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)大豆是否有害身體健康(社會(huì)熱點(diǎn)話題)等多情境交互出現(xiàn)，學(xué)生區(qū)分動(dòng)物、植物、微生物在基因工程操作過程中的異同點(diǎn)，總結(jié)基因工程對(duì)生物的影響，生成“基因工程賦予生物新的遺傳特性”的“大概念”。

四、運(yùn)用“大概念”解決新情境中的問題

【例2】(2021年，河北省普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試，第24題節(jié)選)采礦污染和不當(dāng)使用化肥導(dǎo)致重金屬鎘(Cd)在土壤中過量積累。利用植物修復(fù)技術(shù)將土壤中的Cd富集到植物體內(nèi)，進(jìn)行后續(xù)處理(例如，收集植物組織器官異地妥善儲(chǔ)存)，可降低土壤中Cd的含量。為提高植物對(duì)Cd污染土壤的修復(fù)能力，研究者將酵母液泡Cd轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(YCF1)基因?qū)胧茉囍参?，并檢測了相關(guān)指標(biāo)。

回答下列問題：

(1)為獲取YCF1基因，將酵母細(xì)胞的全部DNA提取、切割后與載體連接，導(dǎo)入受體菌的群體中儲(chǔ)存，這個(gè)群體稱為________。

(2)將DNA序列插入Ti質(zhì)粒構(gòu)建重組載體時(shí)，所需要的兩種酶是________。構(gòu)建的重組基因表達(dá)載體中必須含有標(biāo)記基因，其作用是________。

(3)進(jìn)行前期研究時(shí)，將含有YCF1基因的重組載體導(dǎo)入受試雙子葉植物印度芥菜，采用最多的方法是________。研究者進(jìn)一步獲得了轉(zhuǎn)YCF1基因的不育楊樹株系，采用不育株系作為實(shí)驗(yàn)材料的目的是________。

【新情境分析】

閱讀題干信息可知，土壤重金屬污染問題為生態(tài)學(xué)問題，“研究者將酵母液泡Cd轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(YCF1)基因?qū)胧茉囍参铩庇挚疾榱嘶蚬こ痰南嚓P(guān)內(nèi)容。通讀題目信息，確定本情境具體目的是采用基因工程賦予雙子葉植物印度芥菜酵母液泡的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)功能，從而將土壤中的Cd富集到植物體內(nèi)，降低土壤中Cd的含量，即利用基因工程解決生態(tài)學(xué)問題。于是鎖定“大概念”為“基因工程賦予生物新的遺傳特性”，從而展開“大概念”下的核心概念體系聯(lián)想，不難發(fā)現(xiàn)，本題(2)和(3)的第二問考查了次位概念(核心概念)，(1)和(3)的第一問考查了“小概念”。

五、教學(xué)反思

“大概念”的形成需要通過前概念的掌握、核心概念的加工與整合、大單元內(nèi)容的整合等在教學(xué)過程中逐步滲透。多情境的交互認(rèn)知，有助于學(xué)生對(duì)“大概念”的理解，形成高通路知識(shí)遷移，有利于新情境下的問題分析。

基于“教、學(xué)、評(píng)一致性”理念的教學(xué)設(shè)計(jì)更加注重以學(xué)生為中心，在學(xué)習(xí)目標(biāo)的指引下，評(píng)價(jià)目標(biāo)更加具體、可操作，能夠有效幫助教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。因此，評(píng)價(jià)目標(biāo)的設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先于教學(xué)過程設(shè)計(jì)，復(fù)習(xí)課應(yīng)該注意與教材、《課程標(biāo)準(zhǔn)》、學(xué)情分析的結(jié)合，在形成“大概念”的過程中，制定精準(zhǔn)、有效的大單元學(xué)習(xí)目標(biāo)和評(píng)價(jià)目標(biāo)，從而有效地形成“大概念”。在解題過程中通過確定考查的“大概念”，確定新情境的考查范圍，最終精準(zhǔn)確定考查的核心概念體系。