美国NGSS经典生物学单元案例的分析及启示

汪亦楠 朱育芳 胡桂平

(江西师范大学生命科学学院 南昌 330022)

基于“K-12科学教育框架： 实践、跨学科概念和核心概念”，美国出台了《下一代科学教育标准》(Next Generation Science Standards，简称NGSS)。该标准明确了科学课程实施对学生的预期表现要求，具体包括三个维度(即： 科学或工程实践，学科核心概念和跨学科概念)[1]。其中“生命科学”内容围绕着四个学科核心概念(即： 从分子到生物体、生态系统、遗传、生物进化)构建了与K-12相应的内容架构。为了让中学教师更好地落实NGSS，切实提升科学课程教学的质量，NGSS相关网站还提供了标准解读、经典单元案例等丰富的教学资源。

本文选取高中经典生物学单元案例“进化： 为什么抗生素没有以前有效？”一节进行研究与分析，发现其比较具代表性，对落实基于《高中生物学课程标准(2017版)》的教学很有启发。

1 美国NGSS经典单元案例的分析

美国NGSS中对高中阶段的“进化”这一学科核心概念所做出的预期表现包括： 能够验证共同祖先和生物进化现象、解释自然选择导致物种适应等要求(表1)。

表1 “进化： 为什么抗生素没有以前有效？”单元的预期表现

为了落实NGSS的具体要求，美国高中生物学教师、科学课程开发专家等开发设计了题为“进化： 为什么抗生素没有以前有效？”的单元。该单元分为三部分内容： 细菌(7节课)、灯芯草雀(8节课)和共同祖先(9节课)。

1.1 第一部分：“细菌” 首先，以患者感染细菌而任何抗生素都不起作用的现象导入，学生通过分析资料等了解抗生素的作用机理。其次，学生在教师指导下培养细菌；观察培养皿中加入抗生素后的现象。由此提出问题： 抗生素耐药性细菌从哪里来？接着，学生通过模拟不同剂量的抗生素对细菌的影响来初步认识“进化”： 菌群中存在不同类型的可遗传性变异，加入抗生素后，具有抗性的细菌继续繁殖，导致其相对比例增加。最后，进行整理，将模拟感染与体内实际感染情况进行比较，并引出新的问题： 其他生物会不会发生这样的进化现象，能否更直观地观察到这一过程？进而引出下一部分的研究： 灯芯草雀的进化。

1.2 第二部分：“灯芯草雀” 这部分是围绕着灯芯草雀进化开始的新一轮学习探究。首先，通过图表等资料分析，发现“加州大学圣地亚哥分校中的灯芯草雀(简称UCSD灯芯草雀)较山区灯芯草雀‘更为大胆’”。进而提出问题： UCSD灯芯草雀“更为大胆”的行为是后天锻炼出来的还是遗传的？其次，教师为学生提供相关文献，学生在此基础上作出假设、制定并开展其研究计划，进而得出结论： 这种“更为大胆”的行为是遗传的。最后，进行总结整理发现： 在共同的祖先群体中发生了可遗传变异，自然环境改变后，与环境相适应的更容易生存，因而在比例上发生了变化。

1.3 第三部分：“共同祖先” 那么，冬季山区的灯芯草雀来到UCSD校园时，两类灯芯草雀间会不会都发生迁徙？如何判断单只灯芯草雀属于哪一种群？两类灯芯草雀能否杂交？灯芯草雀在交配时，如何判断自己与交配对象是否属于同一种群？北美洲其他灯芯草雀种群间有什么相关性？

学生借助教材和教师提供的视频、文献和网站等资料，展开更为深入的探究活动。例如，建立线粒体DNA差异积累模型、分析血检报告。再通过交流讨论、整理总结不同种群的灯芯草雀出现的进化机制： 由来自父母的遗传信息引起的鸟的外观、行为和生理特征的变化，环境变化，迁移，隔离(生殖、地理)，有性生殖和变异，自然选择。最后，回归最初的问题： 学生运用进化机制的知识，解释细菌新菌株的出现以及细菌耐药性日益普遍的原因；并与社区一道分享如何及时发现和更好地减缓更多抗性细菌的出现。

综上，整个单元设计充分体现了NGSS“科学与工程实践、学科核心概念、跨学科概念”三个维度的融合。第一部分“细菌”的七节课教学就是如此，如： 第五节课中学生要利用模型，模拟不同剂量抗生素对细菌的影响。通过这一科学实践，学生既发现变异等核心知识，也能从中体会到由于环境变化所导致的结果，进而理解“因果关系”这一跨学科概念(表2)。

2 对我国高中生物学教学的启示

自美国NGSS颁布以来，我国已有学者、教师对其进行了相关研究。例如，分析突出了NGSS中生物学部分的实践性、连贯性等鲜明特色[2]、基于STEAM教育的角度对生物学经典课程案例进行分析，认为课程应是面向全体学生[3]。笔者认为，上述美国NGSS课程单元案例是基于生物学科核心素养的课程单元设计和实施生物学教学的范例，对广大中学教师开展相关教学有如下启示：

2.1 聚焦核心概念，把握跨学科概念 从上述案例可以看到，美国“进化”单元内容的设计是由真实的事例展开，由细菌到灯芯草雀，再到更为宏观的共同祖先现象，最终获得“进化”的完整概念；而且，课程单元的每一节课都围绕着“进化”这一核心概念逐步深入，同时也强调“模式”“因果关系”等跨学科概念在科学中的普遍适用性。

2.2 核心素养为宗旨，丰富课程内容 在美国NGSS典型单元案例中，课程专业开发专家和教师在精选资料、丰富课程内容方面起着关键作用。例如，第三部分的共同祖先，教师提供了Nature等期刊文献介绍研究方法、来自哈佛医学院等机构的视频及相关维基网站等(线粒体DNA的母系遗传以及Y染色体的存在等)，帮助学生熟悉DNA测序等先进的技术。学生通过阅读、分析相关资料，逐步形成科学概念，实现科学与工程实践等三个维度的融合，进而提升核心素养。

表2 “进化”单元第一部分“细菌”教学的三维融合

2.3 注重问题情境创设，开展探究性学习 美国经典单元案例中的“问题情境”设置尤为明显。首先，由真实的医学情境导入，再到探究耐药性细菌出现的原因、城市与山区灯芯草雀行为差异的原因，以及北美洲其他灯芯草雀种群间的关系。整个过程中教师没有直接呈现知识，而是重视引导学生，为学生提供必要的帮助。这一由锚定现象到具体课程内容的教学方法、策略，能很好地调动学生生理上的感知经验，真正做到让学生在真实情境亲身体验知识发现的过程，体现了科学探究的情境性、具身性特点[4]。

2.4 重视学习进阶，提升教师自身素质 综观整个经典单元案例，学生是从医学现象到科学探究，从微观的细菌到宏观的灯芯草雀，从城乡局部到北美洲其他灯芯草雀种群，再回到细菌的综合认知，教师充分利用了学生已有知识(包括遗传、突变等)以及生活现象(或经验)，引导学生进一步思考进化与遗传的关系，进而由现象到本质，充分体现了学生形成“进化”这一科学概念的进阶过程[5]；在学习活动设置上，也是由资料的搜集分析到实验探究、建模等科学实践活动，逐步加强对学生能力的培养，也体现了能力形成的进阶思想。

最后，值得指出的是，该单元案例创设于2015年，经教学实践的不断改进，于2017年形成并被评选为经典单元案例。由此看出，不论是美国下一代科学教育标准，还是我国2017新课标内容的落实，都对教师提出了较高的要求。例如，上述美国经典案例中探究对象的转变，即选择灯芯草雀作为第二、三部分的研究对象，尤其在考验教师自身的专业素养，不仅需要教师了解当地各种生物的特征，还需要能够从宏观上把握“进化”知识的本质，选择最佳的教学素材。因此，中学教师应更重视教学中的积累，切实提升自身素质和专业素养。