汪亦楠 朱育芳 胡桂平

(江西師范大學生命科學學院 南昌 330022)

基于“K-12科學教育框架： 實踐、跨學科概念和核心概念”，美國出臺了《下一代科學教育標準》(Next Generation Science Standards，簡稱NGSS)。該標準明確了科學課程實施對學生的預(yù)期表現(xiàn)要求，具體包括三個維度(即： 科學或工程實踐，學科核心概念和跨學科概念)[1]。其中“生命科學”內(nèi)容圍繞著四個學科核心概念(即： 從分子到生物體、生態(tài)系統(tǒng)、遺傳、生物進化)構(gòu)建了與K-12相應(yīng)的內(nèi)容架構(gòu)。為了讓中學教師更好地落實NGSS，切實提升科學課程教學的質(zhì)量，NGSS相關(guān)網(wǎng)站還提供了標準解讀、經(jīng)典單元案例等豐富的教學資源。

本文選取高中經(jīng)典生物學單元案例“進化： 為什么抗生素沒有以前有效？”一節(jié)進行研究與分析，發(fā)現(xiàn)其比較具代表性，對落實基于《高中生物學課程標準(2017版)》的教學很有啟發(fā)。

1 美國NGSS經(jīng)典單元案例的分析

美國NGSS中對高中階段的“進化”這一學科核心概念所做出的預(yù)期表現(xiàn)包括： 能夠驗證共同祖先和生物進化現(xiàn)象、解釋自然選擇導致物種適應(yīng)等要求(表1)。

表1 “進化： 為什么抗生素沒有以前有效？”單元的預(yù)期表現(xiàn)

為了落實NGSS的具體要求，美國高中生物學教師、科學課程開發(fā)專家等開發(fā)設(shè)計了題為“進化： 為什么抗生素沒有以前有效？”的單元。該單元分為三部分內(nèi)容： 細菌(7節(jié)課)、燈芯草雀(8節(jié)課)和共同祖先(9節(jié)課)。

1.1 第一部分：“細菌” 首先，以患者感染細菌而任何抗生素都不起作用的現(xiàn)象導入，學生通過分析資料等了解抗生素的作用機理。其次，學生在教師指導下培養(yǎng)細菌；觀察培養(yǎng)皿中加入抗生素后的現(xiàn)象。由此提出問題： 抗生素耐藥性細菌從哪里來？接著，學生通過模擬不同劑量的抗生素對細菌的影響來初步認識“進化”： 菌群中存在不同類型的可遺傳性變異，加入抗生素后，具有抗性的細菌繼續(xù)繁殖，導致其相對比例增加。最后，進行整理，將模擬感染與體內(nèi)實際感染情況進行比較，并引出新的問題： 其他生物會不會發(fā)生這樣的進化現(xiàn)象，能否更直觀地觀察到這一過程？進而引出下一部分的研究： 燈芯草雀的進化。

1.2 第二部分：“燈芯草雀” 這部分是圍繞著燈芯草雀進化開始的新一輪學習探究。首先，通過圖表等資料分析，發(fā)現(xiàn)“加州大學圣地亞哥分校中的燈芯草雀(簡稱UCSD燈芯草雀)較山區(qū)燈芯草雀‘更為大膽’”。進而提出問題： UCSD燈芯草雀“更為大膽”的行為是后天鍛煉出來的還是遺傳的？其次，教師為學生提供相關(guān)文獻，學生在此基礎(chǔ)上作出假設(shè)、制定并開展其研究計劃，進而得出結(jié)論： 這種“更為大膽”的行為是遺傳的。最后，進行總結(jié)整理發(fā)現(xiàn)： 在共同的祖先群體中發(fā)生了可遺傳變異，自然環(huán)境改變后，與環(huán)境相適應(yīng)的更容易生存，因而在比例上發(fā)生了變化。

1.3 第三部分：“共同祖先” 那么，冬季山區(qū)的燈芯草雀來到UCSD校園時，兩類燈芯草雀間會不會都發(fā)生遷徙？如何判斷單只燈芯草雀屬于哪一種群？兩類燈芯草雀能否雜交？燈芯草雀在交配時，如何判斷自己與交配對象是否屬于同一種群？北美洲其他燈芯草雀種群間有什么相關(guān)性？

學生借助教材和教師提供的視頻、文獻和網(wǎng)站等資料，展開更為深入的探究活動。例如，建立線粒體DNA差異積累模型、分析血檢報告。再通過交流討論、整理總結(jié)不同種群的燈芯草雀出現(xiàn)的進化機制： 由來自父母的遺傳信息引起的鳥的外觀、行為和生理特征的變化，環(huán)境變化，遷移，隔離(生殖、地理)，有性生殖和變異，自然選擇。最后，回歸最初的問題： 學生運用進化機制的知識，解釋細菌新菌株的出現(xiàn)以及細菌耐藥性日益普遍的原因；并與社區(qū)一道分享如何及時發(fā)現(xiàn)和更好地減緩更多抗性細菌的出現(xiàn)。

綜上，整個單元設(shè)計充分體現(xiàn)了NGSS“科學與工程實踐、學科核心概念、跨學科概念”三個維度的融合。第一部分“細菌”的七節(jié)課教學就是如此，如： 第五節(jié)課中學生要利用模型，模擬不同劑量抗生素對細菌的影響。通過這一科學實踐，學生既發(fā)現(xiàn)變異等核心知識，也能從中體會到由于環(huán)境變化所導致的結(jié)果，進而理解“因果關(guān)系”這一跨學科概念(表2)。

2 對我國高中生物學教學的啟示

自美國NGSS頒布以來，我國已有學者、教師對其進行了相關(guān)研究。例如，分析突出了NGSS中生物學部分的實踐性、連貫性等鮮明特色[2]、基于STEAM教育的角度對生物學經(jīng)典課程案例進行分析，認為課程應(yīng)是面向全體學生[3]。筆者認為，上述美國NGSS課程單元案例是基于生物學科核心素養(yǎng)的課程單元設(shè)計和實施生物學教學的范例，對廣大中學教師開展相關(guān)教學有如下啟示：

2.1 聚焦核心概念，把握跨學科概念 從上述案例可以看到，美國“進化”單元內(nèi)容的設(shè)計是由真實的事例展開，由細菌到燈芯草雀，再到更為宏觀的共同祖先現(xiàn)象，最終獲得“進化”的完整概念；而且，課程單元的每一節(jié)課都圍繞著“進化”這一核心概念逐步深入，同時也強調(diào)“模式”“因果關(guān)系”等跨學科概念在科學中的普遍適用性。

2.2 核心素養(yǎng)為宗旨，豐富課程內(nèi)容 在美國NGSS典型單元案例中，課程專業(yè)開發(fā)專家和教師在精選資料、豐富課程內(nèi)容方面起著關(guān)鍵作用。例如，第三部分的共同祖先，教師提供了Nature等期刊文獻介紹研究方法、來自哈佛醫(yī)學院等機構(gòu)的視頻及相關(guān)維基網(wǎng)站等(線粒體DNA的母系遺傳以及Y染色體的存在等)，幫助學生熟悉DNA測序等先進的技術(shù)。學生通過閱讀、分析相關(guān)資料，逐步形成科學概念，實現(xiàn)科學與工程實踐等三個維度的融合，進而提升核心素養(yǎng)。

表2 “進化”單元第一部分“細菌”教學的三維融合

2.3 注重問題情境創(chuàng)設(shè)，開展探究性學習 美國經(jīng)典單元案例中的“問題情境”設(shè)置尤為明顯。首先，由真實的醫(yī)學情境導入，再到探究耐藥性細菌出現(xiàn)的原因、城市與山區(qū)燈芯草雀行為差異的原因，以及北美洲其他燈芯草雀種群間的關(guān)系。整個過程中教師沒有直接呈現(xiàn)知識，而是重視引導學生，為學生提供必要的幫助。這一由錨定現(xiàn)象到具體課程內(nèi)容的教學方法、策略，能很好地調(diào)動學生生理上的感知經(jīng)驗，真正做到讓學生在真實情境親身體驗知識發(fā)現(xiàn)的過程，體現(xiàn)了科學探究的情境性、具身性特點[4]。

2.4 重視學習進階，提升教師自身素質(zhì) 綜觀整個經(jīng)典單元案例，學生是從醫(yī)學現(xiàn)象到科學探究，從微觀的細菌到宏觀的燈芯草雀，從城鄉(xiāng)局部到北美洲其他燈芯草雀種群，再回到細菌的綜合認知，教師充分利用了學生已有知識(包括遺傳、突變等)以及生活現(xiàn)象(或經(jīng)驗)，引導學生進一步思考進化與遺傳的關(guān)系，進而由現(xiàn)象到本質(zhì)，充分體現(xiàn)了學生形成“進化”這一科學概念的進階過程[5]；在學習活動設(shè)置上，也是由資料的搜集分析到實驗探究、建模等科學實踐活動，逐步加強對學生能力的培養(yǎng)，也體現(xiàn)了能力形成的進階思想。

最后，值得指出的是，該單元案例創(chuàng)設(shè)于2015年，經(jīng)教學實踐的不斷改進，于2017年形成并被評選為經(jīng)典單元案例。由此看出，不論是美國下一代科學教育標準，還是我國2017新課標內(nèi)容的落實，都對教師提出了較高的要求。例如，上述美國經(jīng)典案例中探究對象的轉(zhuǎn)變，即選擇燈芯草雀作為第二、三部分的研究對象，尤其在考驗教師自身的專業(yè)素養(yǎng)，不僅需要教師了解當?shù)馗鞣N生物的特征，還需要能夠從宏觀上把握“進化”知識的本質(zhì)，選擇最佳的教學素材。因此，中學教師應(yīng)更重視教學中的積累，切實提升自身素質(zhì)和專業(yè)素養(yǎng)。