美國(guó)AP生物學(xué)課程革新對(duì)我國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的啟示

宋潔 李越 鄧萬(wàn)燕 謝建平

摘要結(jié)合將高校實(shí)驗(yàn)室的前沿科學(xué)研究應(yīng)用到高中生物學(xué)修課教學(xué)中的實(shí)踐，綜合國(guó)外提高生物學(xué)先修課教學(xué)效果的行之有效的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，介紹了創(chuàng)新生物學(xué)先修課實(shí)驗(yàn)教學(xué)的做法，尤其是本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的以噬菌體為基礎(chǔ)的整合型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞先修課 噬菌體 合成生物學(xué) 免疫學(xué) 功能基因組學(xué)

先修課程是美國(guó)為了有機(jī)銜接高中名校與大學(xué)名校教育而設(shè)定的大學(xué)水平的基礎(chǔ)課程。二戰(zhàn)后，為了加速優(yōu)秀人才培育，增強(qiáng)教育的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，美國(guó)在高中試點(diǎn)開(kāi)設(shè)大學(xué)先修課程。先修課程在美國(guó)中學(xué)課程的三級(jí)體系中位于最高級(jí)（其他分別是最基礎(chǔ)的核心課程和各所學(xué)校自己開(kāi)設(shè)的選修課程）。學(xué)習(xí)概念、學(xué)科綜合發(fā)展和教育需求的變化都率先在先修課程中體現(xiàn)。先修課程注重培養(yǎng)優(yōu)秀人才和學(xué)術(shù)導(dǎo)向性。

2012年10月浙江省教育廳發(fā)布《關(guān)于高等學(xué)校面向普通高中開(kāi)發(fā)開(kāi)設(shè)大學(xué)先修課程的指導(dǎo)意見(jiàn)》，鼓勵(lì)浙江省高校與省內(nèi)全日制普通高中合作開(kāi)設(shè)部分課程，學(xué)分經(jīng)高校學(xué)分認(rèn)定委員會(huì)考核生效。2013年春，北京大學(xué)在全國(guó)20多所中學(xué)開(kāi)設(shè)了部分先修課程。如何批判性吸收西方先修課程的積極一面，揚(yáng)長(zhǎng)避短，實(shí)現(xiàn)“彎道超車(chē)”，是我國(guó)中學(xué)教育創(chuàng)新需要深入思考和探索的現(xiàn)實(shí)課題。

1美國(guó)高中生物學(xué)先修課新大綱特點(diǎn)

生物學(xué)是AP主要課程之一，生物學(xué)先修課程在不斷發(fā)展。國(guó)內(nèi)關(guān)于生物學(xué)AP課程已經(jīng)有比較全面的介紹。根據(jù)AP中心更新后的教學(xué)大綱和據(jù)此編寫(xiě)的美國(guó)教材，其生物學(xué)先修課程的特點(diǎn)是：知識(shí)面寬；特別強(qiáng)調(diào)進(jìn)化以及細(xì)胞過(guò)程以及能量和通訊以及遺傳學(xué)、分子、細(xì)胞、器官、生態(tài)系統(tǒng)組分之間相互作用等五大概念；重視學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)及其關(guān)系的融會(huì)貫通的能力；強(qiáng)調(diào)探究性實(shí)驗(yàn)和整合性實(shí)驗(yàn)。

新大綱特別強(qiáng)調(diào)的五大主題如下：

（1）進(jìn)化過(guò)程驅(qū)動(dòng)了生命的多樣性和統(tǒng)一性。這部分強(qiáng)調(diào)下列內(nèi)容：達(dá)爾文的自然選擇理論是進(jìn)化的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制，得到了多個(gè)學(xué)科的證據(jù)的支持。系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)和門(mén)類(lèi)圖可以反映進(jìn)化歷史。遺傳密碼的普遍性源于幾乎所有生物都起源自一個(gè)共同祖先。進(jìn)化可以解釋生命的相似性和多樣性。

（2）生物系統(tǒng)利用自由能和分子構(gòu)造單元得以生長(zhǎng)、繁殖和維持動(dòng)態(tài)平衡。其中涉及的比較重要的內(nèi)容包括：細(xì)胞呼吸的交互過(guò)程、光合循環(huán)中水、氧氣和二氧化碳；影響生物系統(tǒng)獲得資源和排除廢物能力的表面一體積比；選擇通透性膜調(diào)控分子的跨膜運(yùn)動(dòng)，維持內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境的差異。在正反饋和負(fù)反饋的調(diào)控下，維持生物系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。

（3）分子、細(xì)胞和器官整體協(xié)調(diào)生物的適合度。這部分的內(nèi)容主要包括：細(xì)胞通過(guò)化學(xué)信號(hào)的產(chǎn)生、傳遞和接收等過(guò)程進(jìn)行通訊。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑溝通信號(hào)接收與細(xì)胞應(yīng)答。動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)感知、傳遞和整合信息。大腦的功能具有分區(qū)性，因大腦不同分區(qū)而異。免疫細(xì)胞發(fā)生相互作用的方式很復(fù)雜。

（4）生命系統(tǒng)儲(chǔ)存、檢索、傳遞并對(duì)生命過(guò)程必需的信息作出應(yīng)答。雖然可能發(fā)生部分突變，遺傳信息經(jīng)DNA從親代忠實(shí)地傳遞給子代。DNA指導(dǎo)核糖體合成多肽，該過(guò)程非常復(fù)雜。細(xì)胞周期非常復(fù)雜，受到一系列關(guān)卡的精細(xì)調(diào)控。大多數(shù)性狀是基因相互作用的結(jié)果，而非簡(jiǎn)單的孟德?tīng)栆?guī)律。基因表達(dá)是細(xì)胞信號(hào)傳遞、轉(zhuǎn)錄因子、pre-RNA的可變剪接、翻譯后修飾和環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果。

（5）生物系統(tǒng)相互作用且具有復(fù)雜性質(zhì)。種群、區(qū)系和生態(tài)系統(tǒng)相互作用，對(duì)環(huán)境變化做出反應(yīng)。環(huán)境中生物的相互作用可以用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行量化。生物與環(huán)境之間的相互作用導(dǎo)致物質(zhì)的循環(huán)和能量通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移。

2美國(guó)高中生物先修課程考試的新特點(diǎn)

考試發(fā)生的改變主要體現(xiàn)在試題設(shè)計(jì)和短文寫(xiě)作等方面。

美國(guó)試題設(shè)計(jì)方面：以詞匯考查為例，過(guò)去注重考核詞匯解釋?zhuān)F(xiàn)在考試則更注重推理和分析。改革后的試題題干中包含更多的信息，讓學(xué)生不必死記概念，但可以考核學(xué)生是否理解了概念。閱讀、思考和回答需要的時(shí)間更多。

過(guò)去的試題示例：

同時(shí)含有雌性和雄性器官的動(dòng)物是——

（A）性兩型

（B）孤雌生殖的一個(gè)例子

（C）只存在于較原始的動(dòng)物中

（D）雌雄同體

（E）無(wú)性繁殖的例子之一

現(xiàn)在的試題示例：

雌雄同體指同一個(gè)動(dòng)物既作為雌性，也作為雄性，產(chǎn)生精子和卵子。雌雄同體的動(dòng)物一般固定在表面（固著生活），運(yùn)動(dòng)的較少（自由生活）。以下描述中，哪一個(gè)對(duì)該現(xiàn)象的解釋最佳？

（A）如同所有無(wú)性繁殖，可以產(chǎn)生大量后代

（B）產(chǎn)生了新的適應(yīng)，無(wú)需運(yùn)用即可滿足找到交配伙伴的挑戰(zhàn)

（C）雌性和雄性都能同時(shí)產(chǎn)生后代

（D）雌雄同體是有性繁殖的退化形式，主要存在于原始動(dòng)物如寄生蟲(chóng)中。

短文寫(xiě)作：短文寫(xiě)作要求學(xué)生圍繞如前所述的大綱強(qiáng)調(diào)的五大主題進(jìn)行。我國(guó)目前的高中考試對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的重視程度還需要加強(qiáng)。

3我國(guó)生物先修課出奇制勝的實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新

生物先修課教學(xué)大綱的更新反映了生物醫(yī)學(xué)研究的迅猛發(fā)展。如何更有效地進(jìn)行教學(xué)，尤其是如何將學(xué)科最新發(fā)展成果有機(jī)融合到先修課的教學(xué)中，在有限的課時(shí)內(nèi)，給予學(xué)生高質(zhì)量的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，是大家都在探索的課題。創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)可能是成本一效益最佳的途徑之一?？紤]到我國(guó)各地方發(fā)展的不均衡性，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展在各地區(qū)也具有明顯差異。如何結(jié)合AP課程新變化因地制宜、就地取材地開(kāi)展前沿創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，最大限度地開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的潛在功能為教學(xué)服務(wù)。以下用幾個(gè)例子闡釋如何開(kāi)展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.1合成生物學(xué)改造的香蕉味細(xì)菌

合成生物學(xué)利用工程原則改造生物，在生物技術(shù)和醫(yī)藥方面具有巨大應(yīng)用潛力，也涉及倫理、道德和社會(huì)等更寬泛的內(nèi)容，是目前生物醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。合成生物包括生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試。麻省理工學(xué)院實(shí)施的國(guó)際遺傳工程改造機(jī)器（iGEM）競(jìng)賽項(xiàng)目成功地將合成生物學(xué)項(xiàng)目發(fā)展為涉及面廣的培訓(xùn)和教育內(nèi)容。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)生物學(xué)零部件注冊(cè)，iGEM團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的DNA分子都可以供全世界共享。微生物和合成生物學(xué)在iGEM競(jìng)賽中具有重要地位。其中有不少適合高中生物學(xué)先修課教學(xué)用的實(shí)驗(yàn)，如通過(guò)合成生物學(xué)改造，將原來(lái)產(chǎn)生臭味的細(xì)菌變成了產(chǎn)香蕉味的細(xì)菌。這個(gè)實(shí)驗(yàn)整合了傳統(tǒng)的微生物、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程、生物工程和生物化學(xué)等內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生也可以將該實(shí)驗(yàn)改造為構(gòu)建可以用熒光蛋白檢測(cè)特定重金屬污染的細(xì)菌，如添加鉻應(yīng)答性啟動(dòng)子融合綠色熒光蛋白作為報(bào)告基因的大腸桿菌，或者惡臭假單胞菌。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新還可以培養(yǎng)學(xué)生的價(jià)值觀，科學(xué)地看待公眾關(guān)心的轉(zhuǎn)基因等熱點(diǎn)話題，同時(shí)也是培養(yǎng)考試短文寫(xiě)作的良好素材。

3.2試管中進(jìn)行簡(jiǎn)化的酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)

免疫學(xué)是生物學(xué)先修課程的重要內(nèi)容之一。免疫學(xué)和生物化學(xué)往往比較抽象，實(shí)驗(yàn)所需儀器和試劑也比較昂貴。酶聯(lián)免疫吸附（ELISA）是其中的一個(gè)重要內(nèi)容，往往需要酶標(biāo)儀和讀板機(jī)。對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)后，不需要酶標(biāo)儀和讀板機(jī)，只需要價(jià)格適中、普通的儀器如臨床實(shí)驗(yàn)室用的試管離心機(jī)，分光光度計(jì)等，就可以開(kāi)展。學(xué)生只需要使用教師配制的試劑，檢測(cè)未知樣品中抗體的濃度，收集數(shù)據(jù)、制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。學(xué)生借此可以學(xué)習(xí)生物化學(xué)中的酶促反應(yīng)、實(shí)驗(yàn)室定量分析技術(shù)、免疫學(xué)中的抗體和免疫系統(tǒng)概念、理解生物化學(xué)和免疫學(xué)之間的聯(lián)系。

3.3利用“噬菌體分離一基因組分析一功能基因克隆”進(jìn)行的先修課程學(xué)習(xí)

噬菌體是專(zhuān)性傳染大腸桿菌的病毒，是生物圈生物量最豐富的物種，也是現(xiàn)代生物學(xué)研究的重要模式生物和工具，為分子生物學(xué)的奠基和發(fā)展立下了汗馬功勞，也是合成生物學(xué)的重要先驅(qū)。隨著抗生素耐藥的日益嚴(yán)峻，噬菌體治療又被認(rèn)為是防止抗生素耐藥的重要工具，成為歐美國(guó)家科學(xué)家的新寵。有實(shí)驗(yàn)室圍繞分枝桿菌噬菌體開(kāi)展了一系列創(chuàng)新研究，有關(guān)結(jié)果分別發(fā)表在該領(lǐng)域主流刊物上。如分離來(lái)自中國(guó)土壤的第一株分枝桿菌噬菌體，了解其生物學(xué)性質(zhì)和基因組與蛋白質(zhì)組、相互作用組，分析其抗菌或者抗生素增效劑組分等。噬菌體分離、基因組分析和噬菌體功能基因分析，已經(jīng)作為本科生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之一，也用于生物學(xué)先修課程學(xué)生的示范教學(xué)。利用噬菌體分離和功能基因組分析，學(xué)生可以了解微生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、基因組學(xué)、生物信息學(xué)、免疫學(xué)和藥學(xué)等先修課的大部分內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)親手試驗(yàn)，更容易掌握大綱和教材要求的知識(shí)點(diǎn)、試驗(yàn)技能和分析能力，備考效果也更好。同時(shí)，筆者實(shí)驗(yàn)室也在利用細(xì)菌感染細(xì)胞，分析感染前后和感染不同階段，對(duì)宿主細(xì)胞自噬的影響和分子機(jī)理。這也結(jié)合了2016年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目的內(nèi)容。

總之，結(jié)合生物先修課程大綱和考試的更新，及時(shí)利用高校及科研院所實(shí)驗(yàn)室的前沿科學(xué)研究成果，轉(zhuǎn)化為高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可以更加有效地促進(jìn)中學(xué)教學(xué)質(zhì)量提升，也為基礎(chǔ)教育教學(xué)改革研究提供新路徑。另外，也對(duì)師資水平提出要求，尤其需要對(duì)中學(xué)骨干生物學(xué)教師進(jìn)行再培訓(xùn)。