单元境脉学习视域下技术思维驱动的课时教学实践*

摘    要：境脉学习是新课程改革背景下一种新型的学习范式，强调学习的系统性与有序性，是解决学生难以形成整体思维体系问题、帮助学生走出思维零散固化发展困境的有效方法。技术思维是解决技术问题时的独特思维活动，需要经历“技术需求→技术原理→技术建构→技术系统”这一过程。高中生物学教师在开展教学时，可基于技术思维建构单元境脉，以合理的逻辑联系将境脉分解到各个课时之中，进而培育学生的科学思维和科学探究等生物学学科核心素养。

关键词：技术思维；单元境脉；课时教学；高中生物学

核心素养是一种情境性知识运用的能力及其学习结果，蕴含着强烈的情境属性［1］。但当下的高中生物学课堂教学，有些教师把真实世界及其背后的问题作简单化、割裂化、碎片化或理论化处理，致使学生难以形成整体的思维体系，更无法依托单一要素构成的静态情境形成动态思维发展。那么，如何引导学生走出思维零散固化发展的困境呢？笔者认为，教师可以基于技术思维，建构以“技术需求→技术原理→技术建构→技术系统”为逻辑的单元境脉，并将其以合理的逻辑联系分解到各课时之中，进而培育学生的科学思维和科学探究等生物学学科核心素养。

一、从课时情境走向单元境脉

境脉是指“上下文、语境，或指人或事存在于其中的各种情况，如，来龙去脉、环境、背景等”［2］，与静态、固定的情境相区分，境脉更强调事态发展的连续性、动态性、复杂性和关联性。外部学习条件与学习者自身经验状态共同构成激发学习行为特定之“境”，“境”之运作及由此产生的学习要素对话，乃学习行为动态之“脉”，境脉学习已然成为新课改背景下一种新型的学习范式。境脉学习的“脉”强调学习的系统性与有序性，而单元整体教学体现了学科概念体系及思维认知过程的整合性和结构性，将二者有机融合，可使单元知识通过单元境脉的引领始终贯穿整个学习过程。从课时情境走向单元境脉，意味着不能将情境进行简单化与碎片化处理，而是要基于事件发展的起承转合，设计符合认知发展规律或概念建构规律的脉络体系，引导学生在主动的、探究的、对话的过程中建立结构化学习路径。

二、以技术思维驱动单元境脉的建构

当前，许多教师已经将注意力从课时转移到单元层面，通过逻辑衔接单元和课时，挖掘一以贯之的情境脉络以推动单元整体教学。单元境脉通常是指为某个教学单元创设的广泛的背景环境。它强调的是为学习材料提供一个有序、有意义的外围环境，以帮助学生理解知识如何在真实世界中应用，从而提升学生学习的兴趣和深度。它需要解构到各课时具体的场景中（课时情境）让学生“置身其中”，即课时情境的设计应注重学生的参与度和体验感，鼓励学生在接近真实世界的环境中学习和实践。

技术思维是解决技术问题时的独特思维活动，强调人类在技术研发和创新应用过程中综合运用技术方法考虑具体操作方案、系统规划实践，一般要经历“需求分析→技术反思→技术原理→技术建构→技术系统”［3］这一过程。在生物学教学实践中，教师可基于技术思维（笔者将技术思维过程中的“需求分析”与“技术反思”整合为“技术需求”）建构单元境脉，以合理的逻辑联系将境脉分解到各个课时之中开展单元整体教学，进而高质量地落实学科核心素养的培育要求。基于技术思维建构单元境脉的逻辑如图1所示。

以浙科版普通高中教科书《生物学》选择性必修3《生物技术与工程》第一章《发酵工程》教学为例。为解决该单元核心问题“人类如何利用微生物的特定功能规模化生产对人类有用的产品”，笔者充分利用本土资源——浙江老字号“阿拉老酒”（中国传统黄酒），建构以技术思维为驱动的“发酵工程”单元境脉（如图2所示），系统性地建立了单元内部各课时之间的内在逻辑联系，以确保教学内容的有序性和递进性。

下面以第4课时“工业化发酵技术”为例，详细探讨单元境脉学习视域下技术思维驱动的课时教学实践。该课时聚焦发酵工程“技术建构”这一核心，其教学进程紧密承接前3课时：第1课时从“黄酒的传统发酵”及“家庭酿造果酒”的实践活动出发，界定技术改进的关键需求；第2、3课时指向“微生物的选育与纯化培养”的技术原理，为后续“工业化发酵”提供了必要的概念基础与铺垫。此外，针对多样化的发酵产品需求，该课时还强调“菌株筛选、原材料选择、发酵条件设定、产品提纯”等多个维度的综合优化，有效促进了知识的迁移应用，并为接下来第5课时的学习奠定了理论与实践基础。

三、以“工业化发酵技术”课时教学为例的实践探索

笔者以“明确学习愿景驱动实践—带着技术需求实践探寻—潜入技术原理深度建构—形成技术建构概念图式—反思技术系统实现迁移”为路径开展该课时教学实践，引导学生学习微生物工业化发酵技术。

（一）目标设定，明确“学习愿景”驱动实践

课前，笔者首先明确该课时教学思路：以“探索‘阿拉老酒’的工业化发酵”为主线，形成“黄酒基酒车间的实地研学→传统黄酒冬酿的环节梳理→发酵中心环节的深度分析→微生物工业化发酵的技术建构”活动脉络，在解决进阶设置的问题体系中，引导学生建构对标的次位概念“阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品”，并综合联系各课时之间的次位概念实现知识的结构化建构。在明确教学思路后，笔者基于《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中的“学业质量标准”及学生的已有认知，确定如下课时目标。

课时目标1：通过黄酒工业化发酵的实地研学及对发酵环节的分析，能根据微生物代谢的特点，从原料选择与处理、菌种选育与纯化、条件反馈与调控、产物分离与纯化等角度建立发酵工程相关概念，形成物质与能量观、系统观等生命观念。

课时目标2：阐述传统发酵技术和现代发酵工程的异同，建构发酵工程的概念图式，发展归纳与概括的科学思维，初步形成技术思维。

课时目标3：主动关注发酵工程在食品或其他方面的应用，根据不同产物需求，迁移发酵工程原理，提出解决问题的方法，认同科技、社会、技术的联系。

（二）前置研学，带着“技术需求”实践探寻

在开展课堂教学前，学生已进行了传统“米酒、果酒”发酵技术的实践。在实践中，他们发现传统的发酵过程通常是“混菌发酵”，微生物群落在不断变化的发酵环境中改变种间关系，产生各种细胞代谢产物，由此总结出传统发酵技术在菌种选择、培养条件、产品品控等方面的劣势。为了探究工业化发酵的技术建构路径，学生带着疑问参观浙江老字号“阿拉老酒”五万吨基酒发酵车间，亲身体验从一粒米到一滴酒的“变化之旅”。研学后，笔者要求学生梳理黄酒工业化发酵的关键环节（如图3所示），并在课堂上展示与讨论各环节的操作原理。

设计意图：问题的产生始于实践，问题的解决则终于实践。该设计旨在引导学生带着“技术需求”走出去研学，请进来分享，沉下去建构，以便为后续深度梳理“技术原理”、开展“技术建构”提供真实的、丰富的事实基础。

（三）核心分析，潜入“技术原理”深度建构

在这一教学环节中，笔者呈现工业化发酵的结构与控制装置示意图（见教材第32页），带领学生对其功能进行分类标识，并引导学生围绕工业化发酵的中心环节展开小组合作共研。在合作共研过程中，学生需要关注到如下事项。

（1）发酵罐体（装置）存在培养物的入口与发酵产物的出口，可以控制培养物以一定速度进入与流出，实现连续发酵。

（2）发酵罐体存在的各种理化性质传感器可以实现发酵条件如pH、温度、溶解氧、压强等的实时监测与反馈调控。

（3）发酵罐体自带的电机与叶轮能通过搅拌使微生物与发酵液充分混合及增加溶解氧浓度。

基于对发酵罐体的结构与功能的分析，笔者设置如下问题链，引导学生深度建构指向工业化发酵的生物学知识。

问题1：解释在传统发酵时需要凭借发酵工人的经验适时“开耙”，否则发酵液会酸化的原因。与传统发酵相比，工业化发酵为何要实时监控，以实现对温度、氧气、pH等条件的精准控制？

问题2：从哪些角度检测黄酒的发酵进度？若不合适，该如何处理？

问题3：要使黄酒的风味好且品质稳定，并缩短发酵时间，需对“菌种与培养基”作何种改进处理？什么样的菌种利于大规模工业化发酵？

问题4：如何从发酵液中获得品质更好的黄酒？

学生基于上述问题展开讨论。

对问题1的讨论：传统发酵中混菌群落因菌种代谢产热，导致菌群内部温度条件变化引起群落优势菌种的改变，为避免偏爱较高温度的乳酸菌等取代酵母菌，因而需要开耙散热；而工业化发酵通过传感器能实时监控与反馈调节以实现发酵条件的精量控制，这就突破了传统发酵条件难以控制的瓶颈。

对问题2的讨论：从代谢反应的原料、产物、菌种数量等角度关注发酵进程并提出优化发酵条件的策略，如对发酵底物“残糖量”的监测以了解发酵进度，通过适时添加原料来维持连续化发酵；利用酸性重铬酸钾的颜色反应进行光电比色以了解发酵液中“酒精浓度”的变化，从反应平衡角度及酵母菌对酒精耐受角度解释为何发酵产物“酒精浓度”达到11.4%后酵母菌不再产生酒精，并提出施以负压使易挥发的酒精从发酵液中分离来提高酒精发酵速率的策略；从菌体种群数量变化角度考虑对“酵母菌”进行定时取样，利用稀释涂布平板法或显微镜计数法计数分析酵母菌的数量变化，通过适时搅拌、添加酵母等措施提高菌体含量。

对问题3的讨论：菌种的选育与纯化、活化与扩大及培养基的配比与灭菌等，能有效提高产品风味与品控并缩短发酵时间。

对问题4的讨论：以黄酒发酵液的“固—液”分离为例，针对不同发酵产品提出对应提取策略。

设计意图：微生物的纯培养是发酵工程中技术建构的基础，以有序的、进阶的问题链支架创设指向黄酒工业化发酵中高产菌种的选育与纯化、培养与计数，既是对前课时概念的迁移应用，也是本课时技术建构的前提。该设计旨在使学生聚焦发酵的中心环节展开对话与思辨，提出实时监测发酵条件及发酵进程的意义与策略，发展科学思维，为后续提炼技术建构路径作铺垫。

（四）概念提炼，形成“技术建构”概念图式

基于黄酒工业化发酵关键环节的讨论，笔者引导学生归纳并提炼出微生物工业化发酵的流程图。学生经过小组合作对流程图进行完善，从而归纳发酵工程在传统发酵技术劣势转化上呈现的特点，并在梳理技术革新的历程中建立起以技术思维驱动的结构化概念图（如图4所示）。

设计意图：将工业化发酵技术与传统发酵技术的劣势转化相结合，能够使学生深化对发酵工程的理解；沿着技术思维的逻辑主线建立结构化的概念体系，旨在帮助学生理解从基础理论到工业应用的转化过程，感悟技术革新融入科学学习的意义，形成像科学家一样思考的专家思维。

（五）再生问题，反思“技术系统”实现迁移

教育的核心目标之一是引导学生利用所学知识来处理现实中的具体难题，从当下教学情境中将知识迁移出来并在其他领域加以实践与应用。具体到这一课时就是，在面对不同的发酵工程产品需求时，学生要能够利用所习得的概念与方法提出相应的解决策略。因此，笔者为学生呈现了“中国科学家选育嗜盐单胞菌，以甘蔗榨糖后废弃液糖蜜为原料，发酵生产新型可降解材料”等相关素材，引导学生结合发酵工程原理从菌种选育、开放式发酵系统设计、产物提取等角度展开讨论，取得了良好的教学效果。

设计意图：该设计旨在引导学生针对不同产品需求反思技术的系统建构，使其在新情境衍生的问题解决中持续生发探究热情，理解科学过程和本质，关注科学技术的应用，增强社会责任感。

四、结语

综上所述，“工业化发酵技术”课时教学将传统发酵技术的劣势转化为技术需求，驱动学生将理论与实践相结合，聚焦物质与能量观、系统观等生命观念，着重挖掘技术思维对生物学学科的育人价值。但值得反思的是，“发酵工程”除技术思维外还有工程思维的贯穿，在工业化发酵技术的建构与实施中，教师更需要引导学生站在工程系统的视角，从发酵过程的稳定性、安全性、可控性等方面综合考虑，如发酵产品的获取中还需要关注废气、废液、废渣的处理与再利用等。[□][◢]

参考文献：

［1］张良，靳玉乐.核心素养的发展需要怎样的教学认识论？：基于情境认知理论的勾画［J］.教育研究与实验，2019（5）：32-37.

［2］罗祖兵，赵力慧.境脉式教学：指向素养发展的知识教学路径［J］.教育科学研究，2024（8）：52-60.

［3］李永胜.科学思维、技术思维与工程思维的比较研究［J］.创新，2017（4）：27-34，2.