美国AP生物学课程革新对我国实验教学的启示

宋洁 李越 邓万燕 谢建平

摘要结合将高校实验室的前沿科学研究应用到高中生物学修课教学中的实践，综合国外提高生物学先修课教学效果的行之有效的创新实验，介绍了创新生物学先修课实验教学的做法，尤其是本实验室开展的以噬菌体为基础的整合型创新实验。

关键词先修课 噬菌体 合成生物学 免疫学 功能基因组学

先修课程是美国为了有机衔接高中名校与大学名校教育而设定的大学水平的基础课程。二战后，为了加速优秀人才培育，增强教育的国际竞争力，美国在高中试点开设大学先修课程。先修课程在美国中学课程的三级体系中位于最高级（其他分别是最基础的核心课程和各所学校自己开设的选修课程）。学习概念、学科综合发展和教育需求的变化都率先在先修课程中体现。先修课程注重培养优秀人才和学术导向性。

2012年10月浙江省教育厅发布《关于高等学校面向普通高中开发开设大学先修课程的指导意见》，鼓励浙江省高校与省内全日制普通高中合作开设部分课程，学分经高校学分认定委员会考核生效。2013年春，北京大学在全国20多所中学开设了部分先修课程。如何批判性吸收西方先修课程的积极一面，扬长避短，实现“弯道超车”，是我国中学教育创新需要深入思考和探索的现实课题。

1美国高中生物学先修课新大纲特点

生物学是AP主要课程之一，生物学先修课程在不断发展。国内关于生物学AP课程已经有比较全面的介绍。根据AP中心更新后的教学大纲和据此编写的美国教材，其生物学先修课程的特点是：知识面宽；特别强调进化以及细胞过程以及能量和通讯以及遗传学、分子、细胞、器官、生态系统组分之间相互作用等五大概念；重视学生对各知识点及其关系的融会贯通的能力；强调探究性实验和整合性实验。

新大纲特别强调的五大主题如下：

（1）进化过程驱动了生命的多样性和统一性。这部分强调下列内容：达尔文的自然选择理论是进化的主要驱动机制，得到了多个学科的证据的支持。系统进化树和门类图可以反映进化历史。遗传密码的普遍性源于几乎所有生物都起源自一个共同祖先。进化可以解释生命的相似性和多样性。

（2）生物系统利用自由能和分子构造单元得以生长、繁殖和维持动态平衡。其中涉及的比较重要的内容包括：细胞呼吸的交互过程、光合循环中水、氧气和二氧化碳；影響生物系统获得资源和排除废物能力的表面一体积比；选择通透性膜调控分子的跨膜运动，维持内部环境与外部环境的差异。在正反馈和负反馈的调控下，维持生物系统的动态平衡。

（3）分子、细胞和器官整体协调生物的适合度。这部分的内容主要包括：细胞通过化学信号的产生、传递和接收等过程进行通讯。信号转导途径沟通信号接收与细胞应答。动物的神经系统负责感知、传递和整合信息。大脑的功能具有分区性，因大脑不同分区而异。免疫细胞发生相互作用的方式很复杂。

（4）生命系统储存、检索、传递并对生命过程必需的信息作出应答。虽然可能发生部分突变，遗传信息经DNA从亲代忠实地传递给子代。DNA指导核糖体合成多肽，该过程非常复杂。细胞周期非常复杂，受到一系列关卡的精细调控。大多数性状是基因相互作用的结果，而非简单的孟德尔规律。基因表达是细胞信号传递、转录因子、pre-RNA的可变剪接、翻译后修饰和环境因子综合作用的结果。

（5）生物系统相互作用且具有复杂性质。种群、区系和生态系统相互作用，对环境变化做出反应。环境中生物的相互作用可以用数学工具进行量化。生物与环境之间的相互作用导致物质的循环和能量通过食物链转移。

2美国高中生物先修课程考试的新特点

考试发生的改变主要体现在试题设计和短文写作等方面。

美国试题设计方面：以词汇考查为例，过去注重考核词汇解释，现在考试则更注重推理和分析。改革后的试题题干中包含更多的信息，让学生不必死记概念，但可以考核学生是否理解了概念。阅读、思考和回答需要的时间更多。

过去的试题示例：

同时含有雌性和雄性器官的动物是——

（A）性两型

（B）孤雌生殖的一个例子

（C）只存在于较原始的动物中

（D）雌雄同体

（E）无性繁殖的例子之一

现在的试题示例：

雌雄同体指同一个动物既作为雌性，也作为雄性，产生精子和卵子。雌雄同体的动物一般固定在表面（固着生活），运动的较少（自由生活）。以下描述中，哪一个对该现象的解释最佳？

（A）如同所有无性繁殖，可以产生大量后代

（B）产生了新的适应，无需运用即可满足找到交配伙伴的挑战

（C）雌性和雄性都能同时产生后代

（D）雌雄同体是有性繁殖的退化形式，主要存在于原始动物如寄生虫中。

短文写作：短文写作要求学生围绕如前所述的大纲强调的五大主题进行。我国目前的高中考试对这个领域的重视程度还需要加强。

3我国生物先修课出奇制胜的实验教学创新

生物先修课教学大纲的更新反映了生物医学研究的迅猛发展。如何更有效地进行教学，尤其是如何将学科最新发展成果有机融合到先修课的教学中，在有限的课时内，给予学生高质量的学习体验，是大家都在探索的课题。创新教学实验可能是成本一效益最佳的途径之一。考虑到我国各地方发展的不均衡性，创新实验的开展在各地区也具有明显差异。如何结合AP课程新变化因地制宜、就地取材地开展前沿创新实验，最大限度地开发实验教学的潜在功能为教学服务。以下用几个例子阐释如何开展创新性实验教学。

3.1合成生物学改造的香蕉味细菌

合成生物学利用工程原则改造生物，在生物技术和医药方面具有巨大应用潜力，也涉及伦理、道德和社会等更宽泛的内容，是目前生物医学研究的热点之一。合成生物包括生物系统的设计和测试。麻省理工学院实施的国际遗传工程改造机器（iGEM）竞赛项目成功地将合成生物学项目发展为涉及面广的培训和教育内容。通过标准生物学零部件注册，iGEM团队构建的DNA分子都可以供全世界共享。微生物和合成生物学在iGEM竞赛中具有重要地位。其中有不少适合高中生物学先修课教学用的实验，如通过合成生物学改造，将原来产生臭味的细菌变成了产香蕉味的细菌。这个实验整合了传统的微生物、遗传学、分子生物学、基因工程、生物工程和生物化学等内容。该实验可以培养学生的创新能力。学生也可以将该实验改造为构建可以用荧光蛋白检测特定重金属污染的细菌，如添加铬应答性启动子融合绿色荧光蛋白作为报告基因的大肠杆菌，或者恶臭假单胞菌。这类实验创新还可以培养学生的价值观，科学地看待公众关心的转基因等热点话题，同时也是培养考试短文写作的良好素材。

3.2试管中进行简化的酶联免疫吸附实验

免疫学是生物学先修课程的重要内容之一。免疫学和生物化学往往比较抽象，实验所需仪器和试剂也比较昂贵。酶联免疫吸附（ELISA）是其中的一个重要内容，往往需要酶标仪和读板机。对该实验进行改进后，不需要酶标仪和读板机，只需要价格适中、普通的仪器如临床实验室用的试管离心机，分光光度计等，就可以开展。学生只需要使用教师配制的试剂，检测未知样品中抗体的浓度，收集数据、制作标准曲线。学生借此可以学习生物化学中的酶促反应、实验室定量分析技术、免疫学中的抗体和免疫系统概念、理解生物化学和免疫学之间的联系。

3.3利用“噬菌体分离一基因组分析一功能基因克隆”进行的先修课程学习

噬菌体是专性传染大肠杆菌的病毒，是生物圈生物量最丰富的物种，也是现代生物学研究的重要模式生物和工具，为分子生物学的奠基和发展立下了汗马功劳，也是合成生物学的重要先驱。随着抗生素耐药的日益严峻，噬菌体治疗又被认为是防止抗生素耐药的重要工具，成为欧美国家科学家的新宠。有实验室围绕分枝杆菌噬菌体开展了一系列创新研究，有关结果分别发表在该领域主流刊物上。如分离来自中国土壤的第一株分枝杆菌噬菌体，了解其生物学性质和基因组与蛋白质组、相互作用组，分析其抗菌或者抗生素增效剂组分等。噬菌体分离、基因组分析和噬菌体功能基因分析，已经作为本科生创新实验教学内容之一，也用于生物学先修课程学生的示范教学。利用噬菌体分离和功能基因组分析，学生可以了解微生物学、分子生物学、生物化学、基因组学、生物信息学、免疫学和药学等先修课的大部分内容。学生通过亲手试验，更容易掌握大纲和教材要求的知识点、试验技能和分析能力，备考效果也更好。同时，笔者实验室也在利用细菌感染细胞，分析感染前后和感染不同阶段，对宿主细胞自噬的影响和分子机理。这也结合了2016年诺贝尔生理或医学奖获奖项目的内容。

总之，结合生物先修课程大纲和考试的更新，及时利用高校及科研院所实验室的前沿科学研究成果，转化为高中实验教学资源，可以更加有效地促进中学教学质量提升，也为基础教育教学改革研究提供新路径。另外，也对师资水平提出要求，尤其需要对中学骨干生物学教师进行再培训。