基于主線式情境的教學(xué)設(shè)計(jì)

摘" 要：本文以“種群基因組成的變化”相關(guān)內(nèi)容為例，探討基于主線式情境的教學(xué)設(shè)計(jì)。筆者以生物的進(jìn)化研究史為主線情境，通過創(chuàng)設(shè)問題情境、實(shí)驗(yàn)情境和建模情境，引導(dǎo)學(xué)生從多角度理解進(jìn)化的實(shí)質(zhì)，在科學(xué)實(shí)踐中發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：主線式情境；進(jìn)化研究史；高中生物學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1003-7586（2024）12-0030-03" 中圖分類號(hào)：G633.91" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

基金項(xiàng)目：福建省教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于高中與大學(xué)銜接的生物學(xué)拔尖人才培養(yǎng)實(shí)踐研究”（FJJKZX23-796）。

1" 教材分析及設(shè)計(jì)思路

“種群基因組成的變化”是人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化》（以下簡(jiǎn)稱“教材”）第6章第3節(jié)“種群基因組成的變化與物種的形成”中第一部分的內(nèi)容。與舊版教材相比，新版教材除了調(diào)整單元框架的整體結(jié)構(gòu)之外，還增設(shè)了一個(gè)名為“探究抗生素對(duì)細(xì)菌的選擇作用”的“探究·實(shí)踐”活動(dòng)。人類研究進(jìn)化的歷程，從19世紀(jì)達(dá)爾文（C. R. Darwin）時(shí)代的自然觀察，到20世紀(jì)30年代杜布贊斯基（T. Dobzhansky）提出的“群體遺傳學(xué)”，再到20世紀(jì)60年代木村資生（K. Motoo）提出的“中性學(xué)說”，依次經(jīng)歷了從宏觀到微觀、從個(gè)體到種群的轉(zhuǎn)變。［1］兩版教材中均保留的例子“樺尺蛾（蠖）”，是自然條件下種群進(jìn)化的一個(gè)典型案例，也是從基因角度研究進(jìn)化的模范示例。新版教材的“探究·實(shí)踐”活動(dòng)以抗生素和大腸桿菌為材料，在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬進(jìn)化過程，從實(shí)驗(yàn)的角度闡明“具有優(yōu)勢(shì)性狀的個(gè)體在種群中所占比例會(huì)增加”，幫助學(xué)生理解重要概念“4.2適應(yīng)是自然選擇的結(jié)果”。該實(shí)驗(yàn)不僅在進(jìn)化研究史上具有重要意義，還對(duì)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)濫用抗生素的危害、培養(yǎng)合理使用抗生素的意識(shí)具有重要作用。

本節(jié)課程以生物的進(jìn)化研究史為線索，結(jié)合課內(nèi)外探究實(shí)踐活動(dòng)，將人類研究進(jìn)化理論的主要觀點(diǎn)串聯(lián)起來，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的同時(shí)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到自然科學(xué)的研究規(guī)律是從個(gè)體到種群、從性狀到基因、從宏觀到微觀不斷遞進(jìn)的，進(jìn)而真正理解“適應(yīng)是自然選擇的結(jié)果”這一重要概念。

2" 教學(xué)目標(biāo)

筆者根據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求及學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，立足生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，關(guān)注學(xué)生在探究實(shí)踐過程中能否運(yùn)用所學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法解決生活中的實(shí)際問題，并據(jù)此制定了以下教學(xué)目標(biāo)。

（1）通過對(duì)探究實(shí)踐活動(dòng)“探究抗生素對(duì)細(xì)菌的選擇作用”的分析和課堂實(shí)驗(yàn)操作，掌握科學(xué)探究的思路和方法，闡明自然選擇決定進(jìn)化的方向。

（2）通過實(shí)例說明種群、種群基因庫、基因頻率、基因型頻率等概念的內(nèi)涵，認(rèn)同種群是生物繁殖和進(jìn)化的基本單位，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法探討種群基因頻率的變化，闡明可遺傳變異為進(jìn)化提供原材料。

（3）通過了解人類活動(dòng)對(duì)生物進(jìn)化的影響，形成人與自然和諧發(fā)展的觀念，明確濫用抗生素的危害，倡導(dǎo)健康的生活方式。

3" 教學(xué)過程

3.1" 創(chuàng)設(shè)問題情境，搭建深度學(xué)習(xí)場(chǎng)景

教師通過投影，以時(shí)間軸的方式展示人類研究進(jìn)化的歷程。第一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，19世紀(jì)初，拉馬克（J. -B. Lamarck）提出“獲得性遺傳”和“用進(jìn)廢退”的觀點(diǎn)。第二個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，1859年，達(dá)爾文出版《物種起源》，在這本書中達(dá)爾文提出了三個(gè)主要觀點(diǎn)——漸進(jìn)演化、共同祖先和自然選擇。教師順勢(shì)展示資料，“19世紀(jì)末，生物學(xué)界對(duì)于達(dá)爾文學(xué)說的理解相差很大并產(chǎn)生學(xué)術(shù)爭(zhēng)論，而爭(zhēng)論的焦點(diǎn)就在于環(huán)境是否會(huì)影響生物后天獲得的性狀”，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考解決這一爭(zhēng)論的方法。第三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，19世紀(jì)末，德國生物學(xué)家魏斯曼（A. Weismann）所做的小鼠斷尾實(shí)驗(yàn)，即連續(xù)將22代小鼠的尾巴剪短，但第23代小鼠的尾巴依然是完整的。［1］教師組織學(xué)生探討該實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性及意義，并得出結(jié)論：盡管魏斯曼的實(shí)驗(yàn)存在科學(xué)性錯(cuò)誤，但與拉馬克和達(dá)爾文的自然觀察相比，其進(jìn)步在于首次嘗試通過實(shí)驗(yàn)去研究進(jìn)化的過程。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：哪種生物更適合在實(shí)驗(yàn)室條件下研究進(jìn)化？怎樣通過實(shí)驗(yàn)研究環(huán)境是否會(huì)影響生物后天獲得的性狀？

設(shè)計(jì)意圖：教師通過展示時(shí)間軸，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注進(jìn)化研究史中研究方法和研究理論的變化，進(jìn)而明確不同研究的局限性和進(jìn)化的復(fù)雜性，為學(xué)生進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)室條件下大腸桿菌種群的進(jìn)化奠定基礎(chǔ)。

3.2" 創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，提升科學(xué)探究能力

3.2.1" 課堂內(nèi)外探究實(shí)驗(yàn)及其分析

微生物實(shí)驗(yàn)對(duì)操作環(huán)境要求嚴(yán)格，且實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，學(xué)生無法在一節(jié)課內(nèi)完成操作并觀察現(xiàn)象。因此教師在課前先組織部分生物學(xué)興趣小組的學(xué)生開展預(yù)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)的情況設(shè)計(jì)以下兩個(gè)子課題進(jìn)行研究：①探究不同濃度的卡那霉素（10 μg·mL-1、

30 μg·mL-1、50 μg·mL-1）對(duì)大腸桿菌的選擇作用；②探究不同種類抗生素藥敏試紙（卡那霉素、氨芐西林、慶大霉素）對(duì)大腸桿菌的選擇作用。

興趣小組學(xué)生代表介紹課題原理、實(shí)驗(yàn)步驟和第一代實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。教師引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)，得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：①卡那霉素能抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)，且在一定濃度范圍內(nèi)，濃度越大，抑制效果越強(qiáng)；②不同種類的抗生素均能抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)，且抑制效果為慶大霉素﹥卡那霉素﹥氨芐西林。教師追問：抑菌圈的大小除了受抗生素濃度和種類的影響外，還可能受什么因素影響？抑菌圈周圍的細(xì)菌是否產(chǎn)生了抗藥性？如果想在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究“環(huán)境是否會(huì)影響生物后天獲得性狀”可以怎樣做？教師引導(dǎo)學(xué)生思考上述問題并得出結(jié)論：可以從抑菌圈周圍挑選菌落進(jìn)行培養(yǎng)，觀察下一代抑菌圈直徑的變化來進(jìn)行進(jìn)一步研究。

教師播放挑選菌落進(jìn)行擴(kuò)培的視頻，總結(jié)操作步驟并強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)。之后，學(xué)生進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)操作并思考第二代抑菌圈可能會(huì)出現(xiàn)的變化。課堂實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師展示生物學(xué)興趣小組的三代細(xì)菌培養(yǎng)結(jié)果和抑菌圈數(shù)據(jù)（見圖1、表1、表2），引導(dǎo)學(xué)生分析并得出結(jié)論：連續(xù)使用抗生素進(jìn)行培養(yǎng)，大腸桿菌的耐藥性逐代增強(qiáng)。最后，教師組織學(xué)生以小組討論的形式探討濫用抗生素的危害，并總結(jié)出使用抗生素時(shí)的注意事項(xiàng)，即應(yīng)在醫(yī)生的指導(dǎo)下服用夠必需的療效周期，不隨意增減抗生素的用量和種類。

設(shè)計(jì)意圖：生物學(xué)的研究和發(fā)展離不開實(shí)驗(yàn)，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作過程對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力的提升是單純的理論分析無法替代的。進(jìn)化本身是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，而微生物實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谳^短的時(shí)間內(nèi)展示出種群進(jìn)化的特點(diǎn)。因此，教師可以通過課堂內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)交流、操作和分析，逐步引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)自然選擇對(duì)生物種群進(jìn)化的影響，形成進(jìn)化與適應(yīng)觀。

3.2.2" 科學(xué)史實(shí)驗(yàn)分析

教師提出問題：大腸桿菌對(duì)抗生素的抗性是發(fā)生在接觸抗生素之前還是之后？學(xué)生經(jīng)討論后提出兩種假說：①選擇假說，即變異發(fā)生在接觸抗生素前，抗生素僅起到選擇作用；②誘導(dǎo)假說，即變異發(fā)生在接觸抗生素后，抗生素誘導(dǎo)抗性產(chǎn)生。教師追問：如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行探究？接著，教師介紹盧里亞（S. E. Luria）和德爾布呂克（M. Delbruck）的漲落實(shí)驗(yàn)：將對(duì)T1噬菌體敏感的大腸桿菌分成A、B兩組，其中A組先平均分為10小組，再培養(yǎng)24 h；B組先培養(yǎng)24 h，之后再平均分成10小組。將A、B組所有菌液等比例稀釋后涂布于涂有T1噬菌體的培養(yǎng)基上，24 h后觀察并記錄抗噬菌體的菌落數(shù)量并進(jìn)行比較。學(xué)生經(jīng)過小組討論得出：若假說①成立，則A組不同小組的菌落數(shù)存在差異，而B組相同；若假說②成立，則A組不同小組的菌落數(shù)不存在差異，B組也相同。教師展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明假說①成立。

設(shè)計(jì)意圖：兩位科學(xué)家通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平息了關(guān)于細(xì)菌變異起源的爭(zhēng)論，證明細(xì)菌的抗藥性并非抗生素誘導(dǎo)的，而是基因突變所致。漲落實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)標(biāo)志著細(xì)菌遺傳學(xué)的誕生，而本節(jié)課程對(duì)該實(shí)驗(yàn)的引入也將學(xué)生的視域延伸至遺傳學(xué)，并為進(jìn)一步從基因的角度解釋進(jìn)化做出了鋪墊。

3.3" 創(chuàng)設(shè)建模情境，發(fā)展高階思維能力

教師繼續(xù)展示時(shí)間軸：20世紀(jì)初，隨著孟德爾定律的再發(fā)現(xiàn)以及摩爾根（T. H. Morgan）《基因論》的出版，達(dá)爾文的進(jìn)化論也得到了新的補(bǔ)充和發(fā)展；20世紀(jì)30年代，美國生物學(xué)家杜布贊斯基提出了“群體遺傳學(xué)”的觀點(diǎn)，認(rèn)為進(jìn)化的單位是種群而不是個(gè)體，同時(shí)提出進(jìn)化機(jī)制的研究應(yīng)屬于種群遺傳學(xué)范疇。

教師設(shè)置問題串，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)相關(guān)概念的內(nèi)涵：什么是種群？為什么進(jìn)化的單位是種群而不是個(gè)體？在種群繁衍的過程中，種群的基因會(huì)發(fā)生哪些變化？接著，教師介紹19世紀(jì)英國曼徹斯特地區(qū)樺尺蛾（蠖）的相關(guān)調(diào)查研究，引出研究模型：假設(shè)19世紀(jì)末曼徹斯特地區(qū)，一個(gè)約有1 000只樺尺蛾（蠖）的種群，淺色基因S，深色基因s，假設(shè)SS=100，Ss=200，ss=700。學(xué)生討論并完成相關(guān)計(jì)算：①該種群不同基因型的頻率；②S和s的基因頻率；③該種群中的個(gè)體自由交配繁殖一代后，子一代的基因頻率和基因型頻率。通過相關(guān)計(jì)算，學(xué)生歸納出：自由交配繁殖一代后，該種群的基因頻率沒有發(fā)生改變。教師追問：要使基因頻率在種群繁衍中不發(fā)生變化，需要滿足哪些條件？學(xué)生討論后得出保持種群基因頻率不變的條件，教師在此基礎(chǔ)上總結(jié)出：種群的遺傳和變異能夠?yàn)檫M(jìn)化提供豐富的原材料。教師進(jìn)一步設(shè)問：“生物進(jìn)化的方向由什么決定？”并展示19世紀(jì)末的曼徹斯特地區(qū)樺尺蛾（蠖）和如今的曼徹斯特地區(qū)樺尺蛾（蠖）的圖片資料，引導(dǎo)學(xué)生討論樺尺蛾（蠖）種群中優(yōu)勢(shì)個(gè)體的變化。學(xué)生觀察圖片后得出結(jié)論：在自然選擇的作用下，種群的基因頻率會(huì)發(fā)生定向改變，導(dǎo)致生物朝著一定的方向不斷進(jìn)化，而人類活動(dòng)也會(huì)影響生物種群的進(jìn)化。

最后，教師回到時(shí)間軸展示：20世紀(jì)60年代，日本群體遺傳學(xué)家木村資生提出了“中性學(xué)說”的觀點(diǎn)，認(rèn)為生物進(jìn)化在分子水平上起主導(dǎo)作用的是那些既“無利”也“無害”的中性基因，進(jìn)而將進(jìn)化的研究推進(jìn)到分子領(lǐng)域。［1］教師總結(jié)：與其他任何一種理論一樣，進(jìn)化論的發(fā)展也經(jīng)歷了一個(gè)不斷揚(yáng)棄、發(fā)展、繼承的過程。科學(xué)理論的發(fā)展并不只是簡(jiǎn)單的新理論對(duì)舊理論的否定和排斥，不斷地修正與發(fā)展才能使原有的科學(xué)理論更為完善。

設(shè)計(jì)意圖：曼徹斯特地區(qū)樺尺蛾（蠖）種群進(jìn)化的過程是一個(gè)自然條件下種群進(jìn)化的典型案例，學(xué)生通過對(duì)其基因頻率和基因型頻率的計(jì)算，分析生物進(jìn)化的實(shí)質(zhì)，在模型構(gòu)建的過程中發(fā)展科學(xué)思維。同時(shí)，教師在探索過程中引入自然環(huán)境和人類活動(dòng)對(duì)生物進(jìn)化的影響，幫助學(xué)生樹立正確的環(huán)保觀念，培養(yǎng)其社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

4" 教學(xué)反思

微生物實(shí)驗(yàn)過程耗時(shí)較長(zhǎng)，而一節(jié)課的容量有限，無法面面俱到。因此教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行合理規(guī)劃，把握教學(xué)重難點(diǎn)。例如，教師在指導(dǎo)生物學(xué)興趣小組學(xué)生進(jìn)行課外探究實(shí)踐活動(dòng)時(shí)，可以有針對(duì)性地組織學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)操作的注意事項(xiàng)、分析實(shí)驗(yàn)誤差，針對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的疑問進(jìn)行解答并指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，而在課堂教學(xué)中則著重討論實(shí)驗(yàn)的結(jié)論及應(yīng)用。

本節(jié)課程以生物的進(jìn)化研究史為主線情境，通過創(chuàng)設(shè)問題情境、實(shí)驗(yàn)情境和建模情境，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極參與課堂內(nèi)外討論交流，在發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的同時(shí)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到濫用抗生素的危害、明確種群基因組成變化的特點(diǎn)和進(jìn)化的實(shí)質(zhì)。由此可見，合適的情境教學(xué)能夠促進(jìn)教學(xué)資源的整合，幫助學(xué)生建立不同概念之間的聯(lián)系，進(jìn)而發(fā)展其生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

［1］舒德干.達(dá)爾文學(xué)說問世以來生物進(jìn)化論的發(fā)展概況及其展望［J］.自然雜志，2014，36（1）：1-9．