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分子进化教育的系统综述:中性理论及超越

期刊:ecology and evolutionDOI:10.1002/ece3.10365

本文由美国查普曼大学(Chapman University)的Desiree Forsythe与Jeremy L. Hsu共同撰写,于2023年发表在期刊《Ecology and Evolution》上。论文题为《Neutral theory and beyond: A systematic review of molecular evolution education》(中性理论与超越:分子进化教育的系统性综述)。这是一篇针对“分子进化教育”研究领域的系统性文献综述,旨在全面梳理、分析该领域的现有研究成果,识别研究空白,并为未来的教学实践与教育研究指明方向。本文并非一项单一原创研究的报告,而是对整个子领域的整合性评述。

论文主要论点一:分子进化教育研究严重匮乏,与其在课程中的重要性严重不匹配。 作者指出,分子进化(Molecular Evolution)是进化生物学的一个重要分支学科,在本科生高阶进化课程中,近80%的课程都将其列为主要主题之一。然而,与此重要性形成鲜明对比的是,关于分子进化概念如何被教授以及学生如何学习这些概念的研究却极其有限。为了证实这一观点,作者进行了系统的文献检索。他们首先回顾了Ziadie & Andrews (2018)对1990年至2016年间300多篇进化教育文献的综述,发现其中涉及分子进化主题的论文不足4%,是进化生物学各子领域中覆盖率最低的之一。更重要的是,这些仅有的文献全部属于“提供新的教学策略”类别(如新的课程模块),而在教学专业知识(Pedagogical Content Knowledge, PCK)的其他三个关键领域——探究学生思维、开发经过验证的评估工具、设定教育目标——则完全空白。作者将自己的检索范围扩展至2023年2月,最终仅识别出26篇与分子进化教育相关的同行评议论文。尽管从2016年到2023年这短短6年间发表的论文数量(13篇)几乎追平了之前26年的总和(13篇),显示出增长趋势,但总数相对于整个进化教育文献体量而言仍然微不足道。这一发现强有力地支持了论文的核心论点:分子进化教育是一个研究严重不足的领域,迫切需要更多关注。

论文主要论点二:现有教学资源覆盖不均,缺乏核心概念框架与有效性评估。 通过对26篇文献的详细分类与分析,作者揭示了现有分子进化教育资源的几个关键特征与局限。首先,资源类型单一:所有论文都提供教学策略(即新课程或模块),但没有任何论文探究学生对分子进化概念的理解(学生思维),也没有开发出任何经过验证的评估工具(如概念量表),更没有为分子进化学科设定明确的教育目标或“核心概念”。其次,实证研究基础薄弱:在26篇论文中,仅有6篇包含了系统的实证数据来回答研究问题,其余大多是描述性论文,缺乏对学生学习成效的正式评估。这导致许多已发表模块的有效性未知。第三,教学对象与情境不均衡:约一半的模块针对本科高年级生物学课程设计,约三分之一针对高中生,而针对本科非生物学专业学生和生物学导论课程的设计较少。此外,超过一半的模块需要多个课时,一些模块还需计算或分子实验室的支持,这可能限制了其在资源有限课堂中的普及。第四,主题覆盖不全面:现有模块较多地覆盖了蛋白质进化、突变与序列变化、分子钟等主题,但对染色质进化、RNA进化、分子系统学等主题的覆盖极少。尤为关键的是,中性理论(Neutral Theory)的教学资源几乎空白。在26篇论文中,没有一篇以教授中性理论为核心,仅有两篇论文在涉及其他主题(如系统发育学)时简要提及,但未提供任何具体的教学指导或材料。这种主题覆盖的零散与缺失,部分源于缺乏一个被广泛认可的分子进化学习目标体系或“核心概念”框架。

论文主要论点三:确立核心概念、开发评估工具、探究学生思维是推动分子进化教育发展的关键方向。 基于文献综述的发现,作者为进化教育界和生物学教育研究界提出了清晰的行动倡议。首先,迫切需要确立分子进化的“大理念”(Big Ideas)与核心概念。作者指出,正如进化医学等领域已经开展的工作一样,通过调查专家共识来确定学生最需要学习的关键概念列表至关重要。这能为课程设计、教学资源开发和评估提供统一的框架,帮助教师确定教学重点,并识别当前资源未覆盖的领域。其次,必须开发经过验证的评估工具(概念量表)。这类工具对于测量学生学习成效、比较不同教学方法的有效性、以及诊断学生对分子进化的理解模式和迷思概念都不可或缺。目前该领域在此方面的完全空白严重阻碍了循证教学法的发展。第三,需要深入研究学生对分子进化概念的理解(学生思维)。了解学生如何构建分子进化的心智模型、存在哪些普遍的理解困难或迷思概念,是设计有效教学干预措施的基础。这些基础性教育研究(设定目标、开发评估、探究思维)的缺失,是当前分子进化教育发展的主要瓶颈。作者呼吁教育研究社区填补这些空白,以支持基于证据的教学实践。

论文主要论点四:以中性理论为例,展示了教科书教学方法的差异并提供了新颖的教学活动设计。 为了将综述结论转化为具体实践,作者选择“中性理论”作为案例研究,深入探讨了其教学现状并贡献了新的教学资源。首先,分析了主流教科书的处理方法。作者审视了四本在美国本科进化课程中使用最广泛的教科书,发现它们在介绍中性理论的背景(如在“遗传漂变”章节还是“系统发育”章节)、与分子钟概念的关联方式、以及对“中性进化速率等于中性突变速率”这一核心数学表达的阐述深度上均存在显著差异。例如,有的教科书提供了数学推导,有的仅提及结论,有的则未讨论。这种不一致性暗示了不同课堂中对中性理论的教学很可能也存在巨大差异。其次,贡献了一个新颖的探究式课程活动。针对现有资源的空白和教科书多采用抽象变量讲授的局限,作者设计了一个面向本科中高阶进化课程、单次课即可完成的探究式学习活动。该活动不依赖符号变量(如μ, N),而是让学生通过计算两个具有相同突变率但不同种群大小的模拟种群中,新中性突变的数量、每个突变的固定概率以及预期固定突变数,自主发现“种群大小不影响中性进化速率”以及“中性进化速率恒等于中性突变速率”的核心原理。这一活动旨在培养学生的定量推理能力,并通过探究式学习让学生像科学家一样思考,与多数教科书直接呈现结论的讲授法形成对比。

论文的价值与意义 本文是首篇针对分子进化教育领域的系统性文献综述,具有重要的学术价值与实践指导意义。在学术上,它首次全面绘制了该领域的研究版图,清晰揭示了其严重的研究匮乏状态,并构建了一个用于分析和分类相关文献的详细框架(涵盖PCK类型、论文类型、学生背景、模块时长、覆盖主题等),为后续研究提供了方法论基础。在实践上,论文不仅尖锐地指出了当前教学资源在数量、质量和均衡性上的不足,更重要的是为教育工作者和研究者指明了三个最紧迫的发展方向:确立核心概念、开发评估工具、研究学生思维。同时,论文超越了单纯的批评,通过深入分析中性理论的教学案例并贡献一个具体的、创新的教学活动方案,为一线教师提供了可直接使用的宝贵资源,起到了示范和桥梁作用。本文的发表有望显著提高进化生物学界和科学教育界对分子进化教育这一“被忽视角落”的关注度,并推动该领域向更系统、更基于证据的方向发展。

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