美国教材中“生物进化”内容对高中生物学教学的启发

2019-01-11郝俊冉郝晓冉

生物学教学 2019年5期

郝俊冉邴杰郝晓冉，*

(1北京市八一学校北京 100080； 2北京师范大学生命科学与技术国家级实验教学示范中心北京 100875)

生物进化理论是从科学角度探究生命起源、发展、进化的理论的总称，对于生物学学科的建立和发展具有重要意义，是各国生物学教育的重要内容。早在1929年，民国高中课程标准就列有“生命之起源”和“天演”等内容[1]。《普通高中生物学课程标准(2017年版)》将生物进化划为必修模块，该内容的学习“对于学生理解生命的延续和发展，认识生物界及生物多样性，形成生物进化的观点，建立正确的自然观具有重要意义”[2]。

美国高中教材Miller & Levin Biology第5章“进化”(以下简称“美版教材”)，分达尔文的进化理论、种群进化、分类、生命的历史4部分[3]。笔者研读美国教材，将生物进化科学史、资料数据、前沿进展等内容进行整理评析，为课堂教学提供新思路。

1 以科学史为依托，展示多学科融合促进自然选择学说形成的过程

美版教材对科学史的描述是科学家思想成熟的过程，地理、自然、经济等多学科融合影响，以及达尔文自身的经历和思考，共同促进了自然选择学说的形成，通过将不同学科研究方法及内容的相互影响展示给学生，增加了阅读的趣味性和科学性。

达尔文在贝格尔号上阅读了大量著作，其中地理学家James Hutton和Charles Lyell指出：地球历史悠久，地理过程改变了过去的地貌，也在塑造今天和未来的地貌。达尔文将此理论与他亲身经历的地震以及在山上观察到的海洋生物化石联系到一起，如果地球随时间改变，那生命是否也如此呢？经济学家Thomas Malthus的《人口论》则使达尔文从另一个角度关注生物发展，生物大量繁殖后代，如果都存活，那将超过地球的限度。而现实中多数生物后代在未成熟前就已死亡，少数生存并繁殖。生物学家拉马克提出的用进废退和获得性遗传理论启示了达尔文：生物是进化的，但是具体的机制是什么？什么样的个体能存活？为研究进化的本质，达尔文关注了动植物的培育过程，发现个体间存在差异，且有些能从亲代传递给子代。如果选择优良品种进行繁殖，一段时间之后这种选择性繁殖常能造就更多优良子代，达尔文称之为人工选择。

达尔文虽不清楚遗传如何进行，但他确定野生生物也进行着类似变异，自然变异非常重要，它提供了进化的原材料。随后，达尔文完成著作，但在20年内并未发表，他希望收集更多证据。直到1858年，达尔文对自然学家Alfred Russel Wallace的文章审议时发现两人观点一致，在该年的科学会议上同时发表了两人的文章。次年，《物种起源》问世。

教材阐述了达尔文自然选择学说形成受多学科的影响，在教学过程中教师可以引导学生打破学科束缚，构建多学科融合的思维方式。同时教材将达尔文描述成一位科研工作者，没有夸大科研的传奇性，可以引导学生踏实学习。

2 注重科学研究实证性，引领学生客观认识生物进化理论

美版教材提供了多方面证据验证自然选择学说，注重实证性和科学研究的严谨性，既拓宽学生的视野，又促进了学生对生物进化的深层理解。

为证实自然选择学说的正确性，科学家提供了大量证据，如：放射性数据显示地球已45亿年，为自然选择、生物进化提供了足够的时间；化石证据说明鲸从远古陆地哺乳动物进化而来；形态解剖学中来自同一祖先的不同生物存在大量同型结构；基因组学和分子生物学提供了相同的基因密码和类似的分子组成等证据。此外，达尔文观察雀类形态和食性，推测食物差异导致了加拉帕格斯群岛雀类的鸟喙差异，美版教材详细介绍了Peter和Rosemary Grant对此所做的验证实验，他们认为推论建立的基础是： ①必须有足够的遗传变异提供自然选择的原材料；②鸟喙大小和形态必须能产生适应性的差异。他们选择达芙妮岛的中型地雀进行了长达35年的观察和统计，数据显示：具有不同大小喙的地雀在季节性干旱以及更长干旱期的存活率有差异。最终他们建立了存活率与鸟喙尺寸之间的数学模型，证实了物种的某些变异确实提高了物种对环境的适应能力。

3 更新研究进展，引导学生利用所学知识解决实际问题

美版教材注重更新研究进展，如：利用分子同源性及蛋白质的核酸序列指示生物之间的亲缘关系等。教材将基因变异来源分为突变、有性生殖的基因重组和基因水平转移，其中基因水平转移在细菌抗药性产生上非常重要，该部分内容的丰富使学生更易理解细菌变异后代的多样性及产生原因。自然选择可以改变种群的基因频率，国内教材着重以桦尺蠖蛾体色等单基因性状进行介绍。但实际生活中多基因性状更常见，因此自然选择对多基因性状的影响更具有现实意义。美版教材指出多基因性状通常呈现钟状的“性状—数量分布”曲线，对多基因性状的自然选择有定向选择、稳定选择和分裂性选择三种模型，并以雀类喙的大小受食物来源选择、人类初生婴儿成活率受体重选择等作为实例构建数学模型。美版教材还针对分子水平进化进行了介绍，如分子钟，即利用DNA突变率去估算两个物种单独进化的时间。教材还针对基因复制、基因家族以及演化发育生物学进行了简短介绍，其中Hox家族基因就是目前演化发育生物学研究的热点。教师在借助以上内容促进学生理解进化理论的同时，可以引导学生学习如何将相关实验技术应用到具体问题的解决过程中。

美版教材中依据现实设置与教学相符的情境，引导学生利用所学知识分析实际问题，如创造性写作：“1798年，假设你是Malthus，请解释人口增长对社会和环境的影响。”有利于培养学生的写作能力和社会责任感，值得尝试应用。

4 科学引导，对人物及事例客观评价

教材注重评价的客观性，如对拉马克的评价中肯、细化：“在今天来看，拉马克的观点在很多方面不正确，但是他是第一批认为物种不是固定的科学家，并尝试用自然过程解释生物进化。同时他也认为生物所处的环境和它的身体构造之间是有联系的。”教材不回避其对达尔文等多位科学家的影响。再如，针对进化理论发展中观点的不绝对化，“自然选择并没有使得生物更好，适应没有必要完美，只需要足够好到让生物将基因传递给下一代。”此外，针对抗生素是否应该禁用这一话题，国内外教材均有涉及，但是国内教材仅提出了问题，美版教材则用了整整一页篇幅，从抗生素基本使用情况到目前主流观点均进行介绍，给予更多信息，使学生从多个角度了解和思考，防止以偏概全。同时美版教材通过提示学生查阅图书馆文献、上网查阅资料、列出优点和缺点等措施，引导学生从多个途径了解、学习处理实际问题。