美國NGSS經(jīng)典生物學(xué)單元案例的分析及啟示

汪亦楠 朱育芳 胡桂平

(江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 南昌 330022)

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

本文選取高中經(jīng)典生物學(xué)單元案例“進(jìn)化： 為什么抗生素沒有以前有效？”一節(jié)進(jìn)行研究與分析，發(fā)現(xiàn)其比較具代表性，對落實(shí)基于《高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》的教學(xué)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(jìn)化”這一學(xué)科核心概念所做出的預(yù)期表現(xiàn)包括： 能夠驗(yàn)證共同祖先和生物進(jìn)化現(xiàn)象、解釋自然選擇導(dǎo)致物種適應(yīng)等要求(表1)。

表1 “進(jìn)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(shí)NGSS的具體要求，美國高中生物學(xué)教師、科學(xué)課程開發(fā)專家等開發(fā)設(shè)計(jì)了題為“進(jìn)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(xì)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(xì)菌” 首先，以患者感染細(xì)菌而任何抗生素都不起作用的現(xiàn)象導(dǎo)入，學(xué)生通過分析資料等了解抗生素的作用機(jī)理。其次，學(xué)生在教師指導(dǎo)下培養(yǎng)細(xì)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(xì)菌從哪里來？接著，學(xué)生通過模擬不同劑量的抗生素對細(xì)菌的影響來初步認(rèn)識“進(jìn)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(xì)菌繼續(xù)繁殖，導(dǎo)致其相對比例增加。最后，進(jìn)行整理，將模擬感染與體內(nèi)實(shí)際感染情況進(jìn)行比較，并引出新的問題： 其他生物會(huì)不會(huì)發(fā)生這樣的進(jìn)化現(xiàn)象，能否更直觀地觀察到這一過程？進(jìn)而引出下一部分的研究： 燈芯草雀的進(jìn)化。

1.2 第二部分：“燈芯草雀” 這部分是圍繞著燈芯草雀進(jìn)化開始的新一輪學(xué)習(xí)探究。首先，通過圖表等資料分析，發(fā)現(xiàn)“加州大學(xué)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(jìn)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(xué)生提供相關(guān)文獻(xiàn)，學(xué)生在此基礎(chǔ)上作出假設(shè)、制定并開展其研究計(jì)劃，進(jìn)而得出結(jié)論： 這種“更為大膽”的行為是遺傳的。最后，進(jìn)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(shí)，兩類燈芯草雀間會(huì)不會(huì)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(shí)，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(xué)生借助教材和教師提供的視頻、文獻(xiàn)和網(wǎng)站等資料，展開更為深入的探究活動(dòng)。例如，建立線粒體DNA差異積累模型、分析血檢報(bào)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(jìn)化機(jī)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(xué)生運(yùn)用進(jìn)化機(jī)制的知識，解釋細(xì)菌新菌株的出現(xiàn)以及細(xì)菌耐藥性日益普遍的原因；并與社區(qū)一道分享如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)和更好地減緩更多抗性細(xì)菌的出現(xiàn)。

綜上，整個(gè)單元設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了NGSS“科學(xué)與工程實(shí)踐、學(xué)科核心概念、跨學(xué)科概念”三個(gè)維度的融合。第一部分“細(xì)菌”的七節(jié)課教學(xué)就是如此，如： 第五節(jié)課中學(xué)生要利用模型，模擬不同劑量抗生素對細(xì)菌的影響。通過這一科學(xué)實(shí)踐，學(xué)生既發(fā)現(xiàn)變異等核心知識，也能從中體會(huì)到由于環(huán)境變化所導(dǎo)致的結(jié)果，進(jìn)而理解“因果關(guān)系”這一跨學(xué)科概念(表2)。

2 對我國高中生物學(xué)教學(xué)的啟示

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

2.1 聚焦核心概念，把握跨學(xué)科概念 從上述案例可以看到，美國“進(jìn)化”單元內(nèi)容的設(shè)計(jì)是由真實(shí)的事例展開，由細(xì)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(jìn)化”的完整概念；而且，課程單元的每一節(jié)課都圍繞著“進(jìn)化”這一核心概念逐步深入，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)“模式”“因果關(guān)系”等跨學(xué)科概念在科學(xué)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(xiàn)介紹研究方法、來自哈佛醫(yī)學(xué)院等機(jī)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(xué)生熟悉DNA測序等先進(jìn)的技術(shù)。學(xué)生通過閱讀、分析相關(guān)資料，逐步形成科學(xué)概念，實(shí)現(xiàn)科學(xué)與工程實(shí)踐等三個(gè)維度的融合，進(jìn)而提升核心素養(yǎng)。

表2 “進(jìn)化”單元第一部分“細(xì)菌”教學(xué)的三維融合

2.3 注重問題情境創(chuàng)設(shè)，開展探究性學(xué)習(xí) 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(shí)的醫(yī)學(xué)情境導(dǎo)入，再到探究耐藥性細(xì)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(gè)過程中教師沒有直接呈現(xiàn)知識，而是重視引導(dǎo)學(xué)生，為學(xué)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(xué)方法、策略，能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生生理上的感知經(jīng)驗(yàn)，真正做到讓學(xué)生在真實(shí)情境親身體驗(yàn)知識發(fā)現(xiàn)的過程，體現(xiàn)了科學(xué)探究的情境性、具身性特點(diǎn)[4]。

2.4 重視學(xué)習(xí)進(jìn)階，提升教師自身素質(zhì) 綜觀整個(gè)經(jīng)典單元案例，學(xué)生是從醫(yī)學(xué)現(xiàn)象到科學(xué)探究，從微觀的細(xì)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(xì)菌的綜合認(rèn)知，教師充分利用了學(xué)生已有知識(包括遺傳、突變等)以及生活現(xiàn)象(或經(jīng)驗(yàn))，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考進(jìn)化與遺傳的關(guān)系，進(jìn)而由現(xiàn)象到本質(zhì)，充分體現(xiàn)了學(xué)生形成“進(jìn)化”這一科學(xué)概念的進(jìn)階過程[5]；在學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)置上，也是由資料的搜集分析到實(shí)驗(yàn)探究、建模等科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，逐步加強(qiáng)對學(xué)生能力的培養(yǎng)，也體現(xiàn)了能力形成的進(jìn)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(xué)實(shí)踐的不斷改進(jìn)，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(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)，還是我國2017新課標(biāo)內(nèi)容的落實(shí)，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(yàn)教師自身的專業(yè)素養(yǎng)，不僅需要教師了解當(dāng)?shù)馗鞣N生物的特征，還需要能夠從宏觀上把握“進(jìn)化”知識的本質(zhì)，選擇最佳的教學(xué)素材。因此，中學(xué)教師應(yīng)更重視教學(xué)中的積累，切實(shí)提升自身素質(zhì)和專業(yè)素養(yǎng)。