本刊2024年第9期刊发的《基于素养发展的“走近细胞”单元设计》一文，以单元核心问题为引领，选取历史资料，引导学生形成概念，本期荐读。
基于素养发展的“走近细胞”单元设计
王岳琼（北京中学）
荆林海（北京市基础教育研究中心）
以“为什么生命活动离不开细胞？”为单元核心问题，选取人们认识细胞的历史过程资料，分析细胞学说形成过程中人们的思想发展历程和技术发展情况，引导学生认识细胞的统一性和多样性，形成细胞是生物体结构与生命活动基本单位的概念，感悟细胞研究对生命科学发展的重要性，促进学生素养的发展。
关键词
细胞 单元设计 高中生物学
单元设计以一个主题或一个核心问题统领整个单元的学习，设置前后具备有机联系的学习任务，增强教学质量与效率，利于达成教学目标和提升学生素养。“走近细胞”单元以“为什么生命活动离不开细胞？”为核心问题，带领学生重走细胞发现之路，认识细胞对生命存在和发展的重要作用,感悟思想的发展对生物学理论发展的影响，引导学生在完成学习任务过程中提升素养。
01 教学背景分析
“走近细胞”是人教版教材必修1《分子与细胞》第1章的内容，包含“细胞是生命活动的基本单位”和“细胞的多样性和统一性”2节内容，分别从细胞的结构与功能及人们对细胞的认识的发展角度阐释“生命活动离不开细胞”。教材以系统观为主线，具体内容体现结构与功能观，渗透进化与适应观，帮助学生认识细胞是“生命系统”。第2~6章分别从不同的角度阐明“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”“细胞是基本的生命系统”的观念。以第1章“走近细胞”引导学生联系初中所学的细胞、组织、器官、生态系统等知识，同时从细胞的发现和多样性的角度使学生初步认识细胞是基本的生命系统，从新的视角认识细胞。
本部分内容对应《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020年修订）》内容要求中的核心概念1“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”。学习细胞的发现、细胞学说的建立和发展，有助于学生加深对科学研究过程和本质的理解。
课前提供施一公院士的访谈，介绍我国在科技方面取得的成就，使学生认识到细胞、分子层面的研究对促进人类理解生命本质的重要意义，为本单元的学习作铺垫。
02 单元学习目标
1）根据细胞学说的建立过程、多种细胞观察，结合结构与功能观、进化与适应观，解释细胞的多样性，归纳、说明细胞具有统一性。
2）初步运用系统观，说出生命系统的结构层次，细胞是基本的生命系统；说出归纳法是科学研究的常用方法。
3）使用光学显微镜观察不同类型的细胞，记录、分析和讨论实验结果；提高动手操作能力和显微观察能力。
4）通过细胞学说建立过程的学习及真、原核细胞的观察，认同科学与技术之间的紧密联系，认同思想发展对科学发展所起的促进作用。
03 教学重、难点
形成“细胞是基本的生命系统”的观念；构建“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”的概念。
04 教学过程
4.1 课前了解学情
为了解学习本单元内容可能存在的困难，在本部分内容学习之前设置问卷，以了解学生的学情。问题包括：1）请描述细胞的结构。2）动物和植物在组成、结构上有无共性？如果有请举例，如果没有请简单说明理由。3）对生物体而言，细胞是否重要？请说明理由。
问题1用于了解学生对细胞结构基础知识的掌握情况。学生可以回答出细胞的结构包括细胞壁、细胞膜、细胞核、线粒体、叶绿体、液泡等。通过学生的回答，可以判断学生对普通光学显微镜下可以观察到的结构较为熟悉，但尚不能关注到这些细胞结构之间的关联。要建立“细胞的多样性和统一性”的概念，需要有更多的资料作为支撑，并对区别不同细胞和概括细胞共性进行引导。问题2指向本单元的基本问题：如何理解细胞的统一性？利用此问题，了解学生对细胞的多样性和统一性的认识情况。学生可以回答出二者都由细胞构成，都有组织、器官等，但未能从功能角度去解释动、植物细胞的统一性，需要在教学中提供多种细胞的结构与功能的材料，促进学生形成基本生命观念。问题3指向学生在本单元将要学习的概念“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”及“细胞是基本的生命系统”。利用这一问题，可以了解学生对细胞的认识水平。学生可以说出细胞是构成植物和动物的基本单位，但不能写出理由，表明学生尚未建立细胞与个体之间有内在联系的观念，在教学中需要通过创设问题情境、提供学习材料促进学生形成这一观念。
4.2 用“问题”引领核心内容学习
本单元的基本问题是：为什么生命活动离不开细胞？利用这一问题，引领学生走近细胞，关注细胞的研究，结合细胞研究方法的不断进步、研究手段的更新换代、人们思想观念的逐渐改变，带领学生进行细胞多样性、细胞学说的学习，初步建立“细胞是基本的生命系统”的观念。
4.2.1 导入
观看施一公院士访谈视频，初步了解生物学研究的热点问题及人们对生命本质探索的思考，了解目前生物学的研究在细胞和分子水平的发展，激发学生对细胞研究的兴趣。
请学生谈一谈自己所了解或感兴趣的生物学热点研究。结合学生所知内容，分析这些生物学的研究与细胞的关系，引出“走近细胞”这一单元内容的学习。
4.2.2 教学过程
任务1：阐明细胞学说及其建立过程。
问题1：细胞的研究历史体现出的研究方法及思想的转变是怎样的？细胞是微观的，不能直接肉眼观察，人们是如何将目光聚焦到细胞上的？利用此问题引导学生阅读教材“分析细胞学说建立的过程”并适当补充科学研究的阅读材料。
阅读教材“分析细胞学说建立的过程”。
补充材料：17 世纪，罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635—1703）利用显微镜观察生物组织，观察到的是细胞壁；列文虎克（Leeuwenhoek，1632— 1723）制作显微镜，发现并观察了红血球、精子等动物细胞，但其描述和植物细胞并没有建立关联。18世纪，林奈（Carl von Linné，1707—1778）把自然界中的三大界系统地分成纲、目、属、群，是严格按照形态学系统进行的；施莱登（Schleiden，1804—1881）在 1838 年明确指出，人们很重视探索动物和植物两大界之间的相似性，但经过许多学者的努力，还是失败了；施旺（TheodorSchwann，1810—1882）根据观察，总结之前及当时人们研究的成果，证明动、植物形态和生理上虽然不同，但具有形成上的共同发育的原则，体现了动、植物两大界之间的密切联系，最终建立了细胞学说。
请回答下列问题：1）人们试图找出动物和植物之间的共性的思想铺垫是什么？2）从以上材料可知，人们研究个体生命现象，大体上分为几个水平？学生结合材料内容进行回答：个体、器官、组织、细胞4个水平。3）上述材料中体现了哪些研究思想的转变？学生概括人们研究细胞的过程：从多样性中寻找统一性；分类学从单纯的形态研究向结构与功能关系的角度转变。4）文中提及的“失败”的原因是什么？后来“成功”提出细胞学说的原因又是什么？学生思考回答“失败”的原因：人们更多的是从形态上进行观察，发现动、植物细胞之间的差异越来越多，没有发现更多动、植物细胞的结构上的共性。“成功”的原因：转变了思考角度，从动、植物发育与细胞之间联系的角度进行概括和总结。5）为什么在17 世纪发现细胞，而在19世纪才提出细胞学说？学生思考回答：①依赖于人们研究视角和思想的转变，如是否意识到找出这些不同的生命形态背后的共性；依赖于社会生产力的发展状况等因素。②依赖细胞观察工具——显微镜的进步，观察到了更多细节，积累了更多的资料。技术的进步促进了科学的发展。
在引导学生阅读材料的过程中补充科学家的故事，使学生体会科学家对生命现象的观察与思考、总结与归纳，形成生物学理论，再通过不断寻找证据，对理论进行验证、修改和补充，使得生物学理论在不断修正中完善和发展。同时为学习细胞学说的内容作铺垫。
教师介绍，随着技术的进步，出现了多种类型的显微镜，如荧光显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、扫描隧道显微镜、X射线显微镜、冷冻电子显微镜等。此外，科学家应用各种显微镜及相关的实验技术取得了很多科研成果，有利于学生体会科学和技术之间的关系。
介绍细胞学说内容，对比细胞学说提出之前人们的研究，请学生探讨建立细胞学说的意义。设置讨论问题：1）细胞学说中体现出哪些对细胞的认识的发展？学生归纳总结：①将细胞与细胞、细胞与机体发育之间构建了联系；而最初认识细胞，更多在于形态的观察。②明确“细胞是一个有机体”“细胞是一个相对独立的单位”，指出细胞的重要地位，说明了细胞也是一个具有动态变化、有功能的生命体。2）细胞学说提出后，对后续研究的启示是什么？学生思考回答：有利于对细胞内部结构的进一步探索，从更微观的角度研究生物体结构与功能的关系；关注细胞的起源问题。
细胞学说揭示了动物和植物的统一性，从而阐明了生物界的统一性。细胞学说的提出将人们研究生命本质的视角聚焦到细胞水平，开启了生命研究的新时代。同时引发了人们对于细胞来源的探讨：新细胞是由老细胞分裂产生的，则老细胞和新细胞是否相同？最初的细胞如何产生？引导学生从进化角度对“细胞”层面的进化进行讨论。
任务2：认识细胞是基本的生命系统。
问题2：如何理解细胞的多样性？学生初中学习的知识大多关注组织和器官水平，仅初步学习了细胞的结构，故需要帮助学生将微观的细胞结构与细胞的功能、个体层面生命现象构建联系（表1）。
教师提出问题：细胞和个体之间有怎样的联系？师生共同探讨，细胞组成个体，细胞的多样性有利于个体整体生命活动的完成，个体生命活动的完成依赖细胞。
通过细胞功能与个体层面生命现象关系的学习，学生明晰细胞和个体在功能上也有紧密联系，进而构建“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”的概念。
问题3：细胞为什么是最基本的生命系统？从细胞的结构与功能及细胞与外部环境关系的角度，引导学生初步分析，细胞内部结构与细胞和外界的物质交换、细胞的代谢等生命过程紧密相关，明晰“系统”的定义，为学生形成“细胞是基本的生命系统”这一观念作铺垫。之后结合学生初中学习的内容，梳理生命系统的结构层次。
任务3：观察多样的细胞，总结细胞的统一性。
问题4：如何理解细胞的多样性和统一性？从真、原核细胞的角度再次说出细胞多样性的证据；结合细胞学说，从进化角度谈谈细胞具有统一性的原因。
学生开展“使用高倍显微镜观察几种细胞”的实验。引导学生规范使用显微镜，并通过观察细胞进行归纳和总结。用普通光学显微镜观察真核细胞无法观察到细胞内部的精细结构，所以为学生提供真核细胞的亚显微结构的学习材料，将真、原核细胞的亚显微结构作对比。例如，提供大肠杆菌、支原体、蓝细菌3类细胞的电子显微镜照片和亚显微结构模式图，请学生观察并总结原核细胞的共有结构。提供酵母菌、植物细胞、动物细胞3类细胞，请学生观察并总结真核细胞的共有结构。
通过对比真、原核细胞亚显微结构，感悟细胞种类具有多样性。之后提出思考问题：细胞为什么有多样性？多样的细胞是否具有统一性？细胞学说中的哪一内容可以提供思路？引导学生结合细胞学说，解释细胞为什么具有统一性。结合第1课时的细胞学说内容“新细胞是由老细胞分裂产生的”，从进化角度解释多种多样的细胞具有共性的原因——有共同的起源。引导学生从进化的视角，解释生命现象。
问题5：细胞为什么是基本的生命系统？19世纪提出的细胞学说是建立在对真核细胞的观察基础上的。随着科技的发展，对原核细胞的研究越来越深入。利用学习材料，引导学生认识原核细胞，扩展学生对细胞统一性的认识。通过真、原核细胞亚显微结构的对比，从真、原核细胞2种细胞类型的角度，引申到生物界的分界（如五界分类系统），使学生感悟大多数生物都以细胞为基本单位，病毒虽然没有细胞结构，但其生命活动仍然离不开细胞，从而解决本单元的核心问题：为什么生命活动离不开细胞？
教师提出问题：阅读教材第4页“原子论”，之后解释为什么原子和分子不是生命系统？引导学生分析、厘清原子和分子不能成为生命系统的原因，从而进一步巩固“细胞是基本的生命系统”的观念。
任务4：构建单元知识网络。请学生构建单元知识结构，学生构建的单元知识结构如图1所示。
05 小结
利用单元学习主题引导学生感悟人们思想的转变、技术的发展对科学研究的影响。在分析学习材料的过程中，围绕单元核心问题展开讨论，用问题引导学生思考并概括人们认识细胞过程中生物学思想发展所起的引领作用，感悟细胞在生命活动中的重要作用，在形成生命观念的同时，提升学生生物学学科核心素养。
后续可以将本节学习内容在课下进行延伸，如开展拓展实验，酵母菌出芽生殖的观察、变形虫的观察等。开展拓展实验增强学生探索未知的好奇心，同时增强动手能力和探究能力。对学有余力的学生可以引导其进一步深入学习，如查找资料介绍干细胞的研究、生物大分子的结构研究等，为深入学习提供引导和支撑。
本次推送仅节选了文章部分内容，全文阅读详见本刊2024年第9期。欢迎订购！