理解为先单元教学设计——以“光合作用将光能转化为化学能”为例

（温州市教师教研院 浙江温州 325000）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出：“课程内容聚焦大概念”。大概念教学能有效地组织起学科零碎化的知识与技能，帮助学生有意义地建构知识，以及迁移运用在新情境中，使得学生思维超越事实和活动，达到更高的层次。大概念的理解与运用直接体现了学科核心素养的要求。

美国教改专家格兰特·威金斯提出的“理解为先的教学设计模式”（Understanding by Design，简称UBD）。他认为，好的教学在开始时就有明确的预期学习结果，还要有学习真实发生的证据。UBD提出“逆向设计”的三个步骤：明确的预期结果、确定恰当评估办法、规划相关教学过程。即所倡导的单元整体设计与高中生物新课标倡导的“内容聚焦大概念”的理念不谋而和。

1 明确预期学习结果

预期的学习结果是依据课标和需要持久理解的内容，预测学生在学完本单元之后应该知道什么，能够做什么，什么内容需要深入持久的理解。故本环节教师需要明确课标的要求，以及学习迁移、理解意义、掌握知能三方面内容。

1.1 了解课标要求

①通过分析叶绿体的结构及其中的物质转变与能量转化过程，建立结构与功能观、物质与能量观。②通过实验，学会绿叶中色素的提取与分离的方法、知道色素的种类及吸收的光谱。③通过分析、探究不同环境因素对光合作用的影响，让学生学会根据问题设计实验，养成基于实验事实和证据做出合理判断的思维习惯和能力。

1.2 学习迁移

①学生能自主地将所学知识用于解决现实中的问题：能运用光合作用的相关原理、科学方法提出在农业生产上提高作物产量的具体举措。

②学生将获得持久的、自主的学习成果：能根据真实问题情境，提出有价值的、可探究的问题，建立合理的假设，设计并实施恰当可行的方案，如实记录实验结果，并进行科学的分析与评价；能运用科学术语精确阐明实验结果，善于沟通，开展有效合作；能认同“光合作用与细胞呼吸”的辩证关系，建立物质与能量观、结构与功能观，理解“生物代谢与普通化学反应”辩证关系，了解生命的特殊性与物质性；能基于实验结果通过逻辑推理阐明个人立场，做出科学决策。

1.3 理解意义

①学生将深入持久地理解的概念：叶绿体含叶绿素、类胡萝卜素两大类光合色素，主要吸收的光谱是红光区与蓝紫光区；光合作用的光反应、碳反应阶段分别在叶绿体的类囊体与基质中发生；光照强度、温度、CO2浓度是影响光合速率的主要环境因素，这些因素与光合速率有数量关系；光合作用与细胞呼吸的场所、阶段、途径均不同，两者是辩证统一的。

②学生将不断思考的核心问题：生物如何实现结构与功能相适应？如何根据目标设计、实施实验方案，并根据实验结果进行科学的分析？为了便于研究如何将复杂的生理过程分解为若干个阶段？如何建构自变量与因变量的数学模型？如何对概念进行比较？

1.4 掌握知能

①学生该掌握的知识是：光合作用的功能、反应式、阶段、场所和产物；比较光合作用与细胞呼吸的异同；叶绿体的结构与光合色素的种类及吸收光谱；光反应、碳反应的过程；影响光合速率的环境因素及其数量关系。

②学生应发展的能力是：学会发现问题、提出假设、科学设计实施实验、用不同的形式记录实验结果，对实验结果做出合理化解释；学会利用工具、试剂进行物质的提取与分离的方法；学会对生物学的相关问题，从多个角度综合分析进行判断的方法。

2 确定恰当评估办法

本阶段让教师能有效地监控学生学习过程中已达到的理解程度。在规划教学活动之前，教师首先要确定能够证明学生已经获得理解的有效证据，每个学习单元设置一定的评估标准，利用标准评估反馈，了解学生的学习情况，并进一步指导自身的教学活动。

2.1 评估标准

评估的基本标准有：符合生物学原理，构思科学，方法独到，细节到位，解释清晰、逻辑合理。发展性评估标准为：论证有力，阐述清晰。

2.2 将用哪些表现说明学生实现了理解

①能解释：叶绿体的哪些结构与光合作用的功能相适应？光饱和点、CO2饱和点出现的原因是什么？植物午休的原因是什么？“正其行，通其风”为什么可以提高农作物的产量？

②能设计实验记录：在自然光下、钟罩内的天竺葵24 h光合速率变化，并用坐标图表示。

③能阐述：假如你拥有一片瓯柑地，你如何提高其产量？

此外还能：创造性地设计实验，并用不同的方法记录数据；在探究活动中对本组的贡献度；对光反应与碳反应阶段的相关知识进行随堂测试。

3 安排相关的教学过程（核心学习和教学活动总结）

本阶段中，教师需要安排相关的教学活动和学习体验，使其与前两个阶段的预期目标及评估方式保持一致。学生要实现学习迁移和理解目标的关键是学生能完成以下2个问题：①综合分析光合作用与细胞呼吸两个核心问题，提出提高农作物产量的可行性方案。②综合思考影响光合速率的多个环境因素如何提高光合速率。

3.1 前测

教师设计“K-W-L（已知的—想知的—本次学到的）”表，了解学情并制订学习目标。

请回顾初中已学光合作用的知识：

（1）写出光合作用的总反应式；说出原料、产物、条件、场所；根据反应式分析影响光合作用速率的内因与外因。

（2）选择其中一个环境因素尝试完成以下环节：①提出问题，建立假设；②设计，实施可行性方案；③选择恰当的方法记录实验结果；④客观地分析与评价实验结果；⑤运用科学术语精确分享自己的结论。

3.2 教学活动

任务1：基于情境，提出有价值、可探究的问题。

情境：瓯柑是温州重要特产，民间素有“端午瓯柑似羚羊”美谈，为历代朝廷贡。如果你有一片瓯柑果园，会如何提高产量？

活动1：将上述任务分解为可探究问题：如何提高光合速率、降低细胞呼吸？

活动2：设计表格比较光合作用与细胞呼吸。

①可以用哪些形式对两者进行比较，请选择最清晰的表达方式。

②说明两者为什么不是可逆反应。

③比较生命体的代谢与普通化学反应的异同，说明生命体与自然的独特性与统一性。

教学活动总结：“如何提高瓯柑产量？”这个真实任务与本节教学目标相关联，促使学生直面真实情境，根据情境提出可探究的问题，培养探究能力和社会责任。通过比较细胞呼吸与光合作用，学生领悟：光合作用与细胞呼吸辩证统一的关系；细胞代谢与一般的化学反应区别。

任务2：探究环境因素对光合作用的影响。

初中学生在个体水平学习光合作用，知道其原料、产物、条件、场所。唯物辩证法认为：影响事物的发展是内外因共同作用的结果，外因通过内因起作用。

活动1：定性分析影响光合速率的因素。

①影响因素可分为内、外因，讨论确定影响光合作用的内外因，再确定主要的环境因素。

②光合色素是影响光合速率重要的内因，通过实验提取、分离光合色素，了解光合色素的种类、颜色以及吸收的光谱。

活动2：建立环境因素与光合速率数学模型。

①猜测环境因素与光合速率的数量关系，设计并实施可行的方案（分组确定不同环境因素进行探究；组员能主动合作，推进探究方案和实施）。

②每组陈述实验探究过程及实验结果（用科学的术语精确阐明）。

③针对光照强度、温度、CO2浓度三大环境因素，逐一分析提高瓯柑产量的解题举措。

教学活动总结：教师引导学生了解科学探究的“定性→定量”路径，知道“外因是通过内因起作用的”辩证观点。“探究环境因素对光合作用强度的影响”是通过采集、整理与分析实验数据，建立环境因素与光合速率之间量化关系，引导学生开展数学建模。图1、图2、图3表示了由单一变量到多因子变量的过程，教师可以利用这三个图引导学生提升思维，实现预期的学习目标。

任务3：探究光反应、碳反应两个阶段。

情境：为什么会出现光照强度、CO2的饱和点？生物的功能是由一系列复杂的生化反应实现的。要了解光、温度、CO2等主要的环境因素对光合速率影响的生理机制，必须深入了解光合作用的一系列中间过程。为了便于研究细胞呼吸的中间过程，根据其在线粒体的不同部位的生化反应，人为分为三个阶段。据此类比推理，光合作用也可以在根据在叶绿体的不同部位的反应，人为分为光反应与碳反应两个阶段。

活动1：阅读教材了解光反应与碳反应的过程。

①比较光反应、碳反应。

②在图4的箭头处填写物质，说明Ⅰ、Ⅱ的生理过程。

③说明ATP在光反应、碳反应的能量传递中的作用。

活动2：设计表格比较光反应与碳反应的异同。

教学活动总结：教师引导学生从细胞呼吸类比，推理至光合作用的过程也存在中间途径、中间产物，从而使学生领悟：①生物的代谢之于一般的化学反应的特殊之处；②光合作用与细胞呼吸的辩证统一关系；③学会用表格比较概念。

任务4：回归起始问题：根据以上的学习，若要提高瓯柑的产量，有哪些具体的措施？

情境：采集记录该瓯柑园24 h内，各环境因素（温度、光照强度、CO2的浓度）的变化的数据，并绘制坐标图（图5），Ⅰ为温度变化、Ⅱ为光照强度变化、Ⅲ为植物吸收CO2量的变化。

活动1：应如何提高瓯柑的产量？

①如何读图？（找出曲线中的拐点，分析原因）；据图，先分析单一环境因素，再分析各环境因素对瓯柑产量的综合影响。

②说明Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲线的相关性。

③针对野外自然状态与温室大棚两种情况，如何提高瓯柑的产量？

活动2：在土地资源有限的情况下，瓯柑地还可种植其他的作物来提高亩产，如何提高亩产？

①光照：考虑光照强度、光照时长、单位面积光能利用率，提高光照长度、单位面积光能利用率，可利用轮种、套种、间作的手段，提高光能在时空两个维度上的利用率。

②温度：可采取适当降低夜间的温度，减弱细胞呼吸从而降低夜间有机物的消耗。

③CO2浓度：施有机肥可增加田间CO2浓度，“正其行、通气风”，可利用空气中弥补田间CO2浓度等。

教学活动总结：通过数据绘制的坐标图，学生学会：①分析问题时，需要通过实验获得数据，根据数据科学分析解决问题的方法；②综合分析光合速率与细胞呼吸；③综合考量影响光合速率与细胞呼吸的各环境因素对植物有机物量总体影响。这个过程可以让学生学会解决真实情境的问题的路径。

4 “逆向设计”的思考

UBD是根据学习目标的“逆向设计”，具有目标明确、教师容易掌握的特点。教师要根据学生的认知逻辑，立足于发展学生解决实际问题的能力，由表及里逐步展开教学。大概念是确定单元的重要依据，但确定单元更应该遵循的是学生的认知特点，以学生学习的真实发生为先，进行教学设计。一个单元一般都需要几节课才能完成，教师在进行“逆向设计”时，需酌情考虑单元教学设计与课时教学设计之间的衔接，可利用课前、课后的作业较好地将课时教学与单元教学进行连接。