基于主線式情境的教學設計

摘" 要：本文以“種群基因組成的變化”相關內容為例，探討基于主線式情境的教學設計。筆者以生物的進化研究史為主線情境，通過創設問題情境、實驗情境和建模情境，引導學生從多角度理解進化的實質，在科學實踐中發展生物學學科核心素養。

關鍵詞：主線式情境；進化研究史；高中生物學教學設計

文章編號：1003-7586（2024）12-0030-03" 中圖分類號：G633.91" 文獻標識碼：B

基金項目：福建省教育科學規劃課題“基于高中與大學銜接的生物學拔尖人才培養實踐研究”（FJJKZX23-796）。

1" 教材分析及設計思路

“種群基因組成的變化”是人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》（以下簡稱“教材”）第6章第3節“種群基因組成的變化與物種的形成”中第一部分的內容。與舊版教材相比，新版教材除了調整單元框架的整體結構之外，還增設了一個名為“探究抗生素對細菌的選擇作用”的“探究·實踐”活動。人類研究進化的歷程，從19世紀達爾文（C. R. Darwin）時代的自然觀察，到20世紀30年代杜布贊斯基（T. Dobzhansky）提出的“群體遺傳學”，再到20世紀60年代木村資生（K. Motoo）提出的“中性學說”，依次經歷了從宏觀到微觀、從個體到種群的轉變。［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化的一個典型案例，也是從基因角度研究進化的模范示例。新版教材的“探究·實踐”活動以抗生素和大腸桿菌為材料，在實驗室條件下模擬進化過程，從實驗的角度闡明“具有優勢性狀的個體在種群中所占比例會增加”，幫助學生理解重要概念“4.2適應是自然選擇的結果”。該實驗不僅在進化研究史上具有重要意義，還對幫助學生認識濫用抗生素的危害、培養合理使用抗生素的意識具有重要作用。

本節課程以生物的進化研究史為線索，結合課內外探究實踐活動，將人類研究進化理論的主要觀點串聯起來，在培養學生科學思維的同時，讓學生認識到自然科學的研究規律是從個體到種群、從性狀到基因、從宏觀到微觀不斷遞進的，進而真正理解“適應是自然選擇的結果”這一重要概念。

2" 教學目標

筆者根據《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中的內容要求、學業要求及學業質量標準，立足生物學學科核心素養的培養，關注學生在探究實踐過程中能否運用所學科學實驗方法解決生活中的實際問題，并據此制定了以下教學目標。

（1）通過對探究實踐活動“探究抗生素對細菌的選擇作用”的分析和課堂實驗操作，掌握科學探究的思路和方法，闡明自然選擇決定進化的方向。

（2）通過實例說明種群、種群基因庫、基因頻率、基因型頻率等概念的內涵，認同種群是生物繁殖和進化的基本單位，運用數學方法探討種群基因頻率的變化，闡明可遺傳變異為進化提供原材料。

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

3" 教學過程

3.1" 創設問題情境，搭建深度學習場景

教師通過投影，以時間軸的方式展示人類研究進化的歷程。第一個時間節點，19世紀初，拉馬克（J. -B. Lamarck）提出“獲得性遺傳”和“用進廢退”的觀點。第二個時間節點，1859年，達爾文出版《物種起源》，在這本書中達爾文提出了三個主要觀點——漸進演化、共同祖先和自然選擇。教師順勢展示資料，“19世紀末，生物學界對于達爾文學說的理解相差很大并產生學術爭論，而爭論的焦點就在于環境是否會影響生物后天獲得的性狀”，同時引導學生思考解決這一爭論的方法。第三個時間節點，19世紀末，德國生物學家魏斯曼（A. Weismann）所做的小鼠斷尾實驗，即連續將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］教師組織學生探討該實驗的科學性及意義，并得出結論：盡管魏斯曼的實驗存在科學性錯誤，但與拉馬克和達爾文的自然觀察相比，其進步在于首次嘗試通過實驗去研究進化的過程。教師引導學生進一步思考：哪種生物更適合在實驗室條件下研究進化？怎樣通過實驗研究環境是否會影響生物后天獲得的性狀？

設計意圖：教師通過展示時間軸，引導學生關注進化研究史中研究方法和研究理論的變化，進而明確不同研究的局限性和進化的復雜性，為學生進一步理解實驗室條件下大腸桿菌種群的進化奠定基礎。

3.2" 創設實驗情境，提升科學探究能力

3.2.1" 課堂內外探究實驗及其分析

微生物實驗對操作環境要求嚴格，且實驗周期長，學生無法在一節課內完成操作并觀察現象。因此教師在課前先組織部分生物學興趣小組的學生開展預實驗，并根據預實驗的情況設計以下兩個子課題進行研究：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）對大腸桿菌的選擇作用。

興趣小組學生代表介紹課題原理、實驗步驟和第一代實驗現象。教師引導學生分析實驗，得出以下兩點結論：①卡那霉素能抑制大腸桿菌的生長，且在一定濃度范圍內，濃度越大，抑制效果越強；②不同種類的抗生素均能抑制大腸桿菌的生長，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？抑菌圈周圍的細菌是否產生了抗藥性？如果想在此基礎上繼續研究“環境是否會影響生物后天獲得性狀”可以怎樣做？教師引導學生思考上述問題并得出結論：可以從抑菌圈周圍挑選菌落進行培養，觀察下一代抑菌圈直徑的變化來進行進一步研究。

教師播放挑選菌落進行擴培的視頻，總結操作步驟并強調注意事項。之后，學生進行課堂實驗操作并思考第二代抑菌圈可能會出現的變化。課堂實驗結束后，教師展示生物學興趣小組的三代細菌培養結果和抑菌圈數據（見圖1、表1、表2），引導學生分析并得出結論：連續使用抗生素進行培養，大腸桿菌的耐藥性逐代增強。最后，教師組織學生以小組討論的形式探討濫用抗生素的危害，并總結出使用抗生素時的注意事項，即應在醫生的指導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。

設計意圖：生物學的研究和發展離不開實驗，真實的實驗設計和操作過程對學生科學思維能力的提升是單純的理論分析無法替代的。進化本身是一個漫長的過程，而微生物實驗能在較短的時間內展示出種群進化的特點。因此，教師可以通過課堂內外的實驗交流、操作和分析，逐步引導學生認識自然選擇對生物種群進化的影響，形成進化與適應觀。

3.2.2" 科學史實驗分析

教師提出問題：大腸桿菌對抗生素的抗性是發生在接觸抗生素之前還是之后？學生經討論后提出兩種假說：①選擇假說，即變異發生在接觸抗生素前，抗生素僅起到選擇作用；②誘導假說，即變異發生在接觸抗生素后，抗生素誘導抗性產生。教師追問：如何設計實驗對此進行探究？接著，教師介紹盧里亞（S. E. Luria）和德爾布呂克（M. Delbruck）的漲落實驗：將對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24 h；B組先培養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噬菌體的培養基上，24 h后觀察并記錄抗噬菌體的菌落數量并進行比較。學生經過小組討論得出：若假說①成立，則A組不同小組的菌落數存在差異，而B組相同；若假說②成立，則A組不同小組的菌落數不存在差異，B組也相同。教師展示實驗結果，證明假說①成立。

設計意圖：兩位科學家通過巧妙的實驗設計平息了關于細菌變異起源的爭論，證明細菌的抗藥性并非抗生素誘導的，而是基因突變所致。漲落實驗的出現標志著細菌遺傳學的誕生，而本節課程對該實驗的引入也將學生的視域延伸至遺傳學，并為進一步從基因的角度解釋進化做出了鋪墊。

3.3" 創設建模情境，發展高階思維能力

教師繼續展示時間軸：20世紀初，隨著孟德爾定律的再發現以及摩爾根（T. H. Morgan）《基因論》的出版，達爾文的進化論也得到了新的補充和發展；20世紀30年代，美國生物學家杜布贊斯基提出了“群體遺傳學”的觀點，認為進化的單位是種群而不是個體，同時提出進化機制的研究應屬于種群遺傳學范疇。

教師設置問題串，引導學生認識相關概念的內涵：什么是種群？為什么進化的單位是種群而不是個體？在種群繁衍的過程中，種群的基因會發生哪些變化？接著，教師介紹19世紀英國曼徹斯特地區樺尺蛾（蠖）的相關調查研究，引出研究模型：假設19世紀末曼徹斯特地區，一個約有1 000只樺尺蛾（蠖）的種群，淺色基因S，深色基因s，假設SS=100，Ss=200，ss=700。學生討論并完成相關計算：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。通過相關計算，學生歸納出：自由交配繁殖一代后，該種群的基因頻率沒有發生改變。教師追問：要使基因頻率在種群繁衍中不發生變化，需要滿足哪些條件？學生討論后得出保持種群基因頻率不變的條件，教師在此基礎上總結出：種群的遺傳和變異能夠為進化提供豐富的原材料。教師進一步設問：“生物進化的方向由什么決定？”并展示19世紀末的曼徹斯特地區樺尺蛾（蠖）和如今的曼徹斯特地區樺尺蛾（蠖）的圖片資料，引導學生討論樺尺蛾（蠖）種群中優勢個體的變化。學生觀察圖片后得出結論：在自然選擇的作用下，種群的基因頻率會發生定向改變，導致生物朝著一定的方向不斷進化，而人類活動也會影響生物種群的進化。

最后，教師回到時間軸展示：20世紀60年代，日本群體遺傳學家木村資生提出了“中性學說”的觀點，認為生物進化在分子水平上起主導作用的是那些既“無利”也“無害”的中性基因，進而將進化的研究推進到分子領域。［1］教師總結：與其他任何一種理論一樣，進化論的發展也經歷了一個不斷揚棄、發展、繼承的過程。科學理論的發展并不只是簡單的新理論對舊理論的否定和排斥，不斷地修正與發展才能使原有的科學理論更為完善。

設計意圖：曼徹斯特地區樺尺蛾（蠖）種群進化的過程是一個自然條件下種群進化的典型案例，學生通過對其基因頻率和基因型頻率的計算，分析生物進化的實質，在模型構建的過程中發展科學思維。同時，教師在探索過程中引入自然環境和人類活動對生物進化的影響，幫助學生樹立正確的環保觀念，培養其社會責任意識。

4" 教學反思

微生物實驗過程耗時較長，而一節課的容量有限，無法面面俱到。因此教師在教學設計時需要進行合理規劃，把握教學重難點。例如，教師在指導生物學興趣小組學生進行課外探究實踐活動時，可以有針對性地組織學生交流實驗操作的注意事項、分析實驗誤差，針對學生在實驗過程中產生的疑問進行解答并指導學生改進實驗方案，而在課堂教學中則著重討論實驗的結論及應用。

本節課程以生物的進化研究史為主線情境，通過創設問題情境、實驗情境和建模情境，調動學生積極參與課堂內外討論交流，在發展學生科學思維和科學探究能力的同時，幫助學生認識到濫用抗生素的危害、明確種群基因組成變化的特點和進化的實質。由此可見，合適的情境教學能夠促進教學資源的整合，幫助學生建立不同概念之間的聯系，進而發展其生物學學科核心素養。

參考文獻

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