基于生物模型建构的项目式大单元教学实践研究

摘要：探究病毒如何快速增殖是当前人们关注的社会热点。文章倡导“五育并举”，以学生为中心，围绕新冠病毒增殖与变异的现象设计学习活动，融合跨学科知识，并通过确定项目主题、自主组建学习小组、建立模型主题、制订解决实施方案、建立评价标准、撰写研究报告、展示与分享成果、推广应用等环节，设计了建构基因指导蛋白质合成基本过程和新冠病毒侵染肺部细胞的物理模型项目式大单元教学实践探究。该探究选择了经济、环保易得的材料，注重学生学习的整体性和自主性，让学生在动手实践的过程中学会运用生物学的科学思维思考、审视现实世界，解决实际问题，实现真实学习和深度学习;同时促进构建师生多元的学习共同体，教学相长，面向未来建构教与学的新样态。关键词：项目式学习;大单元教学;建模方案《2021年政府工作报告》指出，构建德智体美劳“五育并举”的教育体系是发展更公平更高质量教育的重要内容。为应对“五育并举”背景下高中生物学课程改革带来的新挑战。本研究努力探索了适应跨学科综合育人模式下的大单元教学新路径，开展基于项目式活动建构生物模型的教学实践，以问题为载体，将知识学习穿插于问题的解决中，通过把抽象的生物学知识转化为易理解的模型，使学生直观了解病毒增殖的机制，体验基因指导蛋白质合成的基本过程和新冠病毒侵染肺部细胞的过程，感受基因表达的精妙，从而掌握科学探究的方法;既注重学生对生物学知识的内化和学科思维品质的培养，又尊重个体差异，设计不同层次的建模内容，活动趣味性强，学生能在实践中研究、在研究中进行合作，为生物项目式课程改革提供了参考。一、项目式学习模式概述项目式学习是学习者关注某个真实问题，确定项目主题，通过团队协作收集资料、获取信息、开展探究活动的过程。教育者通过设计方案、建立评价标准，反馈、修订和完善方案，引导学习者分享他们研究过程的问题、方法和结果，这样学习者能够高效、便利、迅速整合生物学学科与跨学科的内容，运用信息技术的力量进行探究，从而获得知识和技能，发展核心素养。二、基于生物模型建构的项目式大单元教学的实践路径（一）选择项目主题，确定建模目标探究病毒如何快速变异、增殖是当前人们关注的社会热点。建构生物模型直观体现病毒的侵染和增殖过程，能够帮助学生正确认识和辨析病毒防治的相关问题，值得高中生探寻。学生通过互联网、图书馆和学校的各科教师，获取和搜集基因表达的相关信息资料，并整理、分析，选择以“建构病毒侵染细胞过程模型”为主题。教师基于学生的发展需求和课标要求确定目标：目标1是比较病毒和细胞的异同，认识生命现象的多样性和统一性，提升学生的批判性思维;目标2是理解基因表达中渗透的生命信息观，融合跨学科知识，厘清病毒及细胞的建模关系，体验模型与建模的科学方法;目标3是关注生活，解决问题，提高学生观察分析、动手实践和团队合作的能力，认同生物的科学美，感悟劳育和生态教育的重要性，增强社会责任感。（二）凸显“五育并举”，设计项目内容1.项目设计流程观察现象—发现问题—提出问题—分析问题—确定主题—制订解决方案—实施方案—建立评价标准—修正方案—撰写研究报告—分享成果—推广应用。2.项目方案的制订与实施分析项目问题：以何种方法体现病毒、宿主细胞的特征和病毒增殖？如何进行材料的选择和任务分工？在此过程中，指导教师提供专业与学术的支持。制订解决方案：根据相似、简易、实用的原则，树立生态文明、绿色发展的理念，选择环保、易得、颜色鲜明的材料（纸盒、废弃鱼缸、塑料泡沫、纸黏土、棉线、吸管、电线、废弃口罩的钢丝，纸片等）;结合问卷调查数据分析结果，设计建模方案，根据成员的特长安排任务（建立微信群，用于成员间的交流，收集和整理资料，编写建模日志，撰写并分享作品的收获）。实施方案：确定建构病毒、细胞、病毒增殖以及基因表达模型—分配任务—绘制模型框架—选材—连接和组装模型—完成建模。在方案实施前，小组成员分工，收集各方的意见，规划活动，将大问题按照不同的角度拆分成容易解决的小问题，并设置相应的任务，同步推进，提升每个学生的参与感。以下是设计和制作模型的任务分解：首先，选择主题，设置整体任务：以教材中抽象的实验过程、难以理解的内容、问题或当前热门的社会议题为首选主题，确保整体任务明确且具有较强的逻辑性、现实性。其次，分析原理：根据基因的表达过程，厘清模型各要素之间的逻辑关系，通过模型结构体现相应的功能特点，揭示建模内容所蕴含的科学本质。再次，构建框架：借助“万彩动画大师”等信息技术，科技赋能，搭建基因指导蛋白质合成基本过程和新冠病毒侵染肺部细胞的物理模型框架。最后，建构模型：为不同水平的学生分配相应的任务，确保每位学生参与其中。学生在经历针对性的问题解决过程中，获得不同的体验，促进了学生的个性化发展;并按照设计的建模框架进行小组分工、合作，完成模型的建构。3.建立评价标准，修正方案针对项目式活动的内容、过程和结果，从科学性、规范性、艺术性、环保性和实用性等方面，分别设置三个指向不同的教学目标评价等级，进行生生互评，师生评价;利用计算机软件处理数据，统计评选结果，分析、修正模型，对优秀作品给予奖励，激发学生学习生物学的主动性。4.展示与分享成果留给学生充分的时间，自主表达、思考和探索的空间，评判模型是否科学、规范、简洁、直观并兼具美感。对模型部分结构添加必要的文字说明、示例和图注等，使模型更清晰易懂。其一，新冠病毒模型：以直径为20cm的废弃鱼缸为主体，黄色间隔墨绿色的纸黏土捏成的直径为0.5cm小球串模拟病毒蛋白质外壳，环绕在鱼缸周围。两股深灰色的棉线模拟病毒的DNA双螺旋结构，长度为3cm的红色和绿色纸条模拟病毒的棘突蛋白。作品设计巧妙，创意性强，以不同的材料和颜色区分病毒各部分间的关系，有助于学生理解病毒的结构特点，为后续探究其增殖过程提供了直观认识。其二，新冠病毒增殖过程模型：以40cm×40cm的白色纸片为底板，在直径2cm的枣红色纸黏土小球上嵌入16根顶端附着有黑色锥形球的牙签，制成新冠病毒;以红色纸黏土为肺部细胞的细胞膜，新冠病毒与宿主细胞膜上的糖蛋白相识别，在其入侵处，细胞膜向内凹陷;以黄色纸黏土为细胞质，病毒在其中以自身的玫红色DNA双链为模板，为细胞提供原料、酶和能量等，合成枣红色衣壳蛋白和黑色的棘突蛋白，再重新组装，释放子代病毒;在建模过程中形成概念，树立生命是物质、能量和信息的统一体的生命观念;作品体现了科学知识和科学过程相统一的原则，将抽象复杂的新冠病毒侵染肺部细胞的过程转变为启发性、艺术性强的模型，有利于学生正确认识病毒增殖机制，为辨析其防治的相关问题提供了依据。其三，动物细胞模型：以橙色纸黏土制成直径为20cm的半圆，其为细胞膜，浅黄色纸黏土填充细胞质，各细胞器分布在上方，蓝色的内质网上附着红色、呈椭圆球形的核糖体，有些核糖体游离分散在细胞质中;两粒绿色的中心粒垂直排列;直径为2.5cm的细胞核由黑色的核膜、紫色的染色质和黄色的核仁构成，巩固学生对细胞核结构特点的知识;由五层体积递增的红色囊腔堆叠成高尔基体，注重高尔基体结构的严谨性;直径为0.5cm的灰色溶酶体分布在高尔基体的周围，体现溶酶体是高尔基体产生的小泡。小组成员通过合作交流完成动物细胞模型建构，从而了解了动物细胞的基本结构和功能，认同各细胞结构的协调配合共同完成细胞的生命活动，培养了小组合作意识以及劳动情怀。其四，基因表达模型：将两条蓝色、间距10cm、长度40cm的电线作为DNA双链，便于长期保存和展示;将长度2cm、宽度0.5cm的红蓝紫黄不同颜色的纸片作为碱基，两个配对的碱基形状吻合，遵循碱基互补配对的原则。长度30cm的绿色电线粘贴四种碱基形成mRNA，由纸黏土制作成长度3cm、宽度为2cm、高度1.5cm的核糖体与mRNA相结合，并能自由移动。4cm的废弃口罩钢丝做成的tRNA上携带了用纸黏土做成的直径为0.3cm的氨基酸小球，多个氨基酸脱水缩合形成多肽链，促使学生加深对翻译过程的理解。以长度50cm、宽度15cm、高度3cm的泡沫块和三根10cm吸管制成底座，便于稳固和展出。作品以废物再利用为原则，设计新颖，性能稳定，易于演示，色彩搭配巧妙，能够提高学生的审美能力，使学生树立了生命的物质观与信息观，养成科学思维的习惯。5.模型推广的应用前景和优化措施一是举行生物模型建构评选大赛，由教师和学生代表评选不同奖项的作品，并加以奖励;作品所展示出的理念和创意，令评委感到惊喜，既有新意，也有亮点;回收查验作品，作为学校的教学资源，提供给后来者借鉴和使用，传承了建模精神;也可以收集优秀的模型作品，按照预先设计的细胞计算机模型，通过3D打印技术，将所需物质放置在特定的空间位置，通过层层粘接形成所要求的三维结构体。材料充分利用，无废弃副产品，成本低，制作成品快。二是生物模型建构比赛反馈：利用问卷星App进行问卷调查，数据自动统计分析，以便学生通过制作模型掌握与理解遗传信息控制生物性状，并代代相传的大概念，尝试解决现实生活中的生物学问题。三是以活动为载体，借助海报、抖音、快手、美篇和校广播等多种媒体资源，开展生物建模活动的宣传报道，引导更多的学生感知生命。四是作为特色校本教程的素材充实校本资源库，学生交流、探讨建模过程中出现的各种现象，形成自己的观点并以论文形式展现，体验生物活动探究的意义。五是引导学生归纳总结在建构模型过程中出现的问题以及解决方案，丰富本校的命题库;以生物模型的建构为主题，结合跨学科的理念开发校本课程，为学校的校本课程研究与实践提供思路与方法。三、模型活动效果评价教育者以过程性评价为重要依据，按照项目式学习模式形成学习记录卡，详细记录项目内容、实施日期、小组分工、完成情况等;重新建构原核与真核细胞、流动镶嵌模型、细胞分裂和分化模型，评价模型教学是否遵循学生的学习和成长规律，及时了解学生对课程的体验。建构，改良，精进，一次次失败，一次次重来，一个个五彩缤纷、交织错落、结构清晰的模型才建构起来，这不仅是一个模型，更是一份知识的沉淀以及对科学的爱与激情。本次模型建构应用了项目式学习方式，为培养学生的学科思想、创新精神等核心素养提供了融跨学科知识性、实用性为一体的探究情境和创新空间。学生不但收获了生物知识，而且提升了学习兴趣，寓教于乐，融学于趣，科技求真;促进师生为了共同目标的实现，构建合作的多元学习共