美國NGSS經典生物學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期表現要求，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”內容圍繞著四個學科核心概念(即： 從分子到生物體、生態系統、遺傳、生物進化)構建了與K-12相應的內容架構。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量，NGSS相關網站還提供了標準解讀、經典單元案例等豐富的教學資源。

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

1 美國NGSS經典單元案例的分析

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期表現包括： 能夠驗證共同祖先和生物進化現象、解釋自然選擇導致物種適應等要求(表1)。

表1 “進化： 為什么抗生素沒有以前有效？”單元的預期表現

為了落實NGSS的具體要求，美國高中生物學教師、科學課程開發專家等開發設計了題為“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容： 細菌(7節課)、燈芯草雀(8節課)和共同祖先(9節課)。

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細菌；觀察培養皿中加入抗生素后的現象。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： 其他生物會不會發生這樣的進化現象，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，發現“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文獻，學生在此基礎上作出假設、制定并開展其研究計劃，進而得出結論： 這種“更為大膽”的行為是遺傳的。最后，進行總結整理發現： 在共同的祖先群體中發生了可遺傳變異，自然環境改變后，與環境相適應的更容易生存，因而在比例上發生了變化。

1.3 第三部分：“共同祖先” 那么，冬季山區的燈芯草雀來到UCSD校園時，兩類燈芯草雀間會不會都發生遷徙？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性？

學生借助教材和教師提供的視頻、文獻和網站等資料，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、整理總結不同種群的燈芯草雀出現的進化機制： 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以及細菌耐藥性日益普遍的原因；并與社區一道分享如何及時發現和更好地減緩更多抗性細菌的出現。

綜上，整個單元設計充分體現了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”的七節課教學就是如此，如： 第五節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，學生既發現變異等核心知識，也能從中體會到由于環境變化所導致的結果，進而理解“因果關系”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典課程案例進行分析，認為課程應是面向全體學生[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的課程單元設計和實施生物學教學的范例，對廣大中學教師開展相關教學有如下啟示：

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”單元內容的設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象，最終獲得“進化”的完整概念；而且，課程單元的每一節課都圍繞著“進化”這一核心概念逐步深入，同時也強調“模式”“因果關系”等跨學科概念在科學中的普遍適用性。

2.2 核心素養為宗旨，豐富課程內容 在美國NGSS典型單元案例中，課程專業開發專家和教師在精選資料、豐富課程內容方面起著關鍵作用。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、來自哈佛醫學院等機構的視頻及相關維基網站等(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。學生通過閱讀、分析相關資料，逐步形成科學概念，實現科學與工程實踐等三個維度的融合，進而提升核心素養。

表2 “進化”單元第一部分“細菌”教學的三維融合

2.3 注重問題情境創設，開展探究性學習 美國經典單元案例中的“問題情境”設置尤為明顯。首先，由真實的醫學情境導入，再到探究耐藥性細菌出現的原因、城市與山區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系。整個過程中教師沒有直接呈現知識，而是重視引導學生，為學生提供必要的幫助。這一由錨定現象到具體課程內容的教學方法、策略，能很好地調動學生生理上的感知經驗，真正做到讓學生在真實情境親身體驗知識發現的過程，體現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 綜觀整個經典單元案例，學生是從醫學現象到科學探究，從微觀的細菌到宏觀的燈芯草雀，從城鄉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)以及生活現象(或經驗)，引導學生進一步思考進化與遺傳的關系，進而由現象到本質，充分體現了學生形成“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，也體現了能力形成的進階思想。

最后，值得指出的是，該單元案例創設于2015年，經教學實踐的不斷改進，于2017年形成并被評選為經典單元案例。由此看出，不論是美國下一代科學教育標準，還是我國2017新課標內容的落實，都對教師提出了較高的要求。例如，上述美國經典案例中探究對象的轉變，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素養，不僅需要教師了解當地各種生物的特征，還需要能夠從宏觀上把握“進化”知識的本質，選擇最佳的教學素材。因此，中學教師應更重視教學中的積累，切實提升自身素質和專業素養。