进化stem:微生物进化行动课程，加强进化生物学和生物技术的学习

进化论是所有生命科学的核心、统一的理论，但在大多数中学的生物课程中，这门学科很少被代表，尤其是在美国。学习进化论的一个挑战是，它是作为一门概念性的、回顾性的学科来教授的，几乎没有给学生带来切实的成果。这些典型的被动学习策略导致学生脱离材料和对进化概念的误解。为了促进更多的投资和理解，我们开发了EvolvingSTEM，这是一门探究性的实验室课程，通过良性细菌的实验进化来展示自然选择、遗传和生态多样性的概念。学生转移人口荧光假单胞菌在塑料珠上生长，选择形成生物膜和具有新的显著表现型的突变体。我们将我们的课程与标准课程材料一起介绍给四个高中生物入门课程，发现通过EvolvingSTEM学习进化论的学生在针对下一代科学标准的公共评估中得分明显高于只学习标准课程的学生。后一组学生在完成我们的课程后也取得了类似的成绩。我们的工作表明，以探究为基础的、与进化细菌种群的实践经验可以极大地提高学生对进化概念的学习。

理解进化过程是生命科学所有领域的基础，因为进化是组织其他生命科学主题的概念框架，如有机体多样性和生态相互作用。此外，对人类健康的一些最严重威胁是进化现象;因此，进化过程的知识对公共卫生和医学有直接影响。2017)．例如，抗菌素耐药性和癌症分别是由微生物和我们自身细胞的快速进化引起的(Karatan和Watnick)2009；格里夫斯和马利2012；Berendonk等人。2015；Makohon-Moore和Iacobuzio-Donahue2016；艾丽森和Méthot2018)．此外，生物技术和个性化医疗领域正在进行的革命，如基因编辑(即CRISPR)，只能在来自共同祖先血统的进化概念的背景下理解(Makarova等人)。2015；诺特和杜德纳2018)．因此，对于一个有文化的社会来说，一个了解科学和医学进步的强大知识基础是无价的，对于一个有准备的劳动力在科学、技术和工程领域的工作中脱颖而出也是无价的。进化生物学知识的价值被作为STEM教育实践的核心概念而突出(国家研究委员会)2012；领先国家2013；NSTA2013)．

尽管进化生物学的重要性是公认的，但对其基本原理的误解在学生、公众，甚至是提供教学的老师中仍然普遍存在(Cunningham和Wescott)2009；格雷戈里2009；西克尔和弗里德里克森2013；耶茨和马立克2014；釉和戈德斯顿2015)．虽然许多同时存在的因素可能导致理解能力低下(史密斯2010年,一个，b；Pobiner2016)，进化概念被误解的一个潜在原因是，典型的课程采用被动学习策略，教学依赖于讲课和课本阅读。目前的进化课程设计与以学生为中心的、积极的学习策略是科学教学最有效的方法的证据背道而驰，并已被证明可以提高学生对进化概念的理解(Nehm和Reilly)2007；纳尔逊2008；Freeman等人。2014；Romine等人。2017)．为学生提供真实研究经验的课程在增加学生参与和促进对进化的更深理解方面特别有效。2014；拉特克利夫等。2014；Broder等人。2018)．

因此，迫切需要有吸引人的、信息丰富的进化生物学课程，为K-12学生提供机会，探索遗传性状变化频率的概念，就像他们试图量化物理学中的重力或化学中的酸碱反应一样。为了满足这一需求，我们开发了EvolvingSTEM课程，该课程通过实验室实验，采用真实的科学研究实践，提供基于探究的进化论、微生物学、生态学和遗传学的学习。EvolvingSTEM允许学生实时可视化这种无害细菌不断增长的种群所产生的进化适应荧光假单胞菌在选择形成生物膜的条件下。生物膜是一种表面居住的微生物群落，被包裹在一层自产聚合物的保护涂层中;生物膜是微生物生命的主要形式(Costerton等。1987)．它们也是结构化的、异质性的环境，包括不同的生态位(Karatan和Watnick)2009)．具有有利突变的细菌在这些小生境中定居，它们的适应导致了与祖先基因型(Rainey和Travisano)明显不同的菌落形态1998；弗林等人。2016)．这种在行动中的进化在几天内就会发生，需要很少的专门设备，并且可以在任何支持无菌技术的教室实验室中提供。我们的课程旨在取代标准的被动学习课程，以满足下一代科学标准(HS-LS4, NGSS领先国家)中描述的自然选择和进化能力2013))。我们假设，与只接受标准课程的学生相比，通过我们的课程学习进化概念的学生在内容知识上会有显著的增长。

开发并完善一套适合高中生的细菌进化教学方案

通过细菌进化实验向高中生教授进化概念的想法来自于我们对鉴别条件致病菌快速进化突变菌落形态的原因的研究伯克cenocepacia而且铜绿假单胞菌(波尔达克和库珀2011；弗林等人。2016)．这些物种对囊性纤维化患者的威胁特别大，它们通过形成生物膜引起慢性气道感染(Starkey等。2009；阿希什等人。2013)．生物膜相关感染天生对宿主免疫系统和抗菌剂更有抵抗力，因为分泌的黏附聚合物具有保护作用，其中的细胞生长更慢(Harrison等。2005)．最终，一些细菌从菌落中分散，以个体或集群的形式，栖息在新的表面上，恢复生物膜的生命周期(Poltak和Cooper2011；马丁等人。2016)．

为了研究细菌在体外的进化动力学，我们开发了一种简单的方法来模拟生物膜的表面附着、生物膜的形成、扩散和再殖民化的生命周期(图1)。1，波尔达克和库珀2011；Traverse等人。2013；O 'Rourke等。2015；弗林等人。2016；特纳等人。2018)．简而言之，我们在含有生长介质和聚苯乙烯珠的试管中培养细菌24小时。细菌的一个子集在珠子上定植并形成生物膜。然后我们将只覆盖生物膜的珠转移到一个新管中，管中有一个新鲜的珠。我们每天重复这个过程，以选择最适合整个生物膜生命周期的细菌突变体。方便的是，我们发现适应生物膜的突变体在琼脂培养皿上生长时也显示出改变的菌落形态，使他们对学生明显。

在与Winnacunnet高中(Hampton, NH, USA)的科学教师和管理人员合作下，我们修改了我们的研究实验室协议，以适应在高中教室中实施。我们选择了植物益生菌，荧光假单胞菌SBW25作为我们的研究对象，因为它有几个特点，使它成为高中课堂上使用的好候选人:(1)它是良性的，因此对没有微生物学经验的学生是安全的，(2)它以前被建议作为教育环境中使用的好候选人(Green等。2011；施皮尔2014)和(3)它是大量研究的主题，研究其在生物膜相关条件下的快速和显著的适应性进化能力(Rainey和Travisano)1998；施皮尔2005)．自适应p .荧光突变体通常以皱纹状或蔷桃状的菌落形态为特征，这是由于更多的多糖生产用于附着(Rainey等。2000)．我们发现实验进化p .荧光生物膜生命周期模型中的SBW25在不到2周的时间内选择了具有新菌落形态的高频自适应突变体。

为了加速这一过程，并确保我们的实验能够在高中生物课的时间框架内完成，我们在不同的媒介中进行了一系列试验，以确定导致可预测的快速适应的条件。我们发现在King’s B培养基(KB)中生长在7天内产生了多种可遗传的菌落表型。为了加速进化动力学，我们在不同甘油浓度的KB培养基中重复了实验。我们发现，在4天内，在可检测的频率下，新菌落形态选择的甘油从1.5增加到2.5%。我们将这个改良的媒体配方命名为“女王的B”(QB)，并在之后使用这个配方。媒体食谱可在附加文件1．

学生们可以使用我们改进的协议来指导一个基于探究的实验，这个实验允许他们在六个课时内可视化细菌种群的进化(图1)。2)．例如，周一，学生接种玻璃试管含有QB培养基和聚苯乙烯珠与克隆p .荧光SBW25，然后在接下来的3天(周二-周四)进行珠子转移。在珠粒转移过程中，学生可以通过观察试管壁上生物膜产量的增加来识别自然选择的影响。此外，在一周的开始和结束时，学生们通过在琼脂平板上培养单个细菌菌落来对他们的种群进行取样。学生可以在下一周的周一观察突变菌落，并将这些菌落与这周早些时候被镀金的祖先种群的菌落进行比较。学生可以获得额外的课程材料，如家庭作业和预测试，使他们为实验室协议中的每一步做好准备，并为他们提供机会，将他们在实验中观察到的遗传的、适应性的进化变化与产生这种动态的进化过程联系起来。通过EvolvingSTEM，学生可以获得知识，以满足下一代自然选择和进化科学标准(Box1；(NGSS主要国家2013))。课程材料可作为附加文件提供2，3.而且4．

学习成果

任何单个实验的确切结果都是未知的，因为生物膜的选择作用于从单个克隆中建立的细菌种群中随机发生的突变。事实上，这些进化的独立“回放”之间的这种可变性是现实的，并证明了机会和偶然性对进化的影响(布朗特等。2018)．尽管如此，学生群体在相同的实验条件下，在不同的培养试管中繁殖多个群体，这种复制意味着他们很可能在至少一个实验群体中看到具有新形态的突变体。此外，学生们将他们的实验种群与不含珠的控制种群进行比较，因此没有选择增加生物膜的生产。学生可以检查在每个群体中发现的表型，将他们的发现与其他同学的结果进行比较，并对他们的观察得出自己的解释。这使学生能够应用进化生物学的比较方法，并开始科学探究的过程。我们鼓励学生思考为什么他们的复制种群会发生变化，并提出这种变化的原因，从实验误差到珠粒转移的特性，再到真正的进化随机性。

生物膜模型的适应速度源于对更多粘附突变体的强烈选择，这些突变体不仅能结合所提供的表面(如聚苯乙烯)，还能结合其他附着的细菌或分泌物质。因此，选择往往倾向于在每个管中进化出不同的、显著的表现型，而不仅仅是单一的、更紧密的表现型。这一结果不仅模拟了教科书中常用达尔文雀来说明的适应性辐射过程(图1)。2)，但也复制了与粘附相关的特征的选择，这通常发生在生物膜相关感染期间(Traverse et al。2013；Cooper等人。2014；O 'Rourke等。2015；Gloag等人。2018)．在我们的模型中进化出的“褶皱”菌落形态在基因和功能上与从相关物种的感染中分离出来的菌落形态相同铜绿假单胞菌在囊性纤维化患者的气道和慢性皮肤伤口中(Starkey et al。2009；Gloag等人。2018)．因此，学生可以将他们的课堂实验与进化生物学和医学的最新发现联系起来，看看基础生物学研究是如何影响他们的日常生活的。此外，将课堂活动与现实世界的例子联系起来可以增加学生对进化的理解和他们对材料的参与(Beardsley et al。2011；因凡蒂和怀尔斯2014)．

学生学习评估

我们使用延迟干预方法来评估新英格兰郊区公立高中Winnacunnet高中9年级生物学优等生的4个班级的学习情况。第一组包括由MH教授的A教室和由SS教授的B教室。这一组使用了我们的EvolvingSTEM课程的早期版本，在标准课程材料(包括课本阅读、讲座和教育视频)旁边没有使用对照人群。第二组包括C和D教室，均由SS授课。这一组首先接受标准课程和额外的授课材料，然后接受EvolvingSTEM(表1)．学生们以三到四个人为一组进行课程的实验和分析，需要团队合作。

一个总结性的评估被用来确定学生是否获得了对进化概念的更多理解。该测试包括多项选择和自由回答问题，以解决学生学习与NGSS相一致的高阶批判性思维。具体来说，测试问题的设计是为了评估学生是否达到了NGSS (NGSS领先状态)2013)性能期望HS-LS4-1、2、3和5。我们根据Wiggins和McTighe (2005)，要求答案包含准确的信息、具体的词汇和结构良好的辩护，并结合外部例子(维金斯和麦克泰伊)2005)．我们的评估和分级标准可作为补充文件(附加文件5)．所有评估都由我们(TW)中的一人进行匿名测试，这是我们的IRB所禁止的。

在开始课堂进化活动之前，对两组进行了预测试。第一组学生在完成EvolvingSTEM课程后进行后测。第二组学生在完成标准课程后进行期中测试，然后在完成EvolvingSTEM课程后进行后测。我们发现第一组和第二组学生的前测试平均分数之间没有显著差异(总分50分，13.17分(26%)对12.5分(25%);t = 0.60, p = n.s.)，说明所有学生的知识基础基本相同(图5)。3.)．对学生知识收获的定量分析显示，完成了EvolvingSTEM(第1组)的学生在测试后的平均成绩上有显著提高，平均提高了19.16分，因此在测试前和测试后之间，他们的总分提高了38% (t = 16.61, p < 0.0001)。参加标准课程的学生(第2组)的平均分也有了显著的提高，提高了10.14分(t = 9.72, p < 0.0001)，在期中考试和预考之间总体提高了21%。尽管两个学生组都有进步，但在完成EvolvingSTEM课程后，第一组的平均考试成绩显著高于第二组在完成标准课程后的平均考试成绩(t = 5.87, p < 0.0001)。因此，与从标准课程学习进化论的学生相比，通过EvolvingSTEM学习进化论的学生在进化论理解方面取得了显著的进步。

一旦第2组的学生接触到EvolvingSTEM，他们的平均后测试分数比他们的中测试分数提高了20%，达到了第1组学生的知识收获(图1)。3.)．两组的知识收获绝大多数归因于评估的自由反应部分分数的提高。第一组学生从前测到后测的平均自由反应分数增加了18.09分(48%)，第二组学生增加了20.59分(54%)。相比之下，第一组学生的选择题平均分数增加了1.07分，第二组学生的选择题平均分数下降了0.54分。这些结果可能表明，EvolvingSTEM对提高学生的高阶认知技能有更大的影响，如将知识应用到未知问题和执行数据分析。组1和组2的后测分数没有显著差异(t = 0.14, p = n.s.)，即使组2的学生被提供了更详细的口头指导，并参加了额外的评估。这一结果说明了EvolvingSTEM在增加学生知识方面的力量，并表明我们的课程可以替代而不是补充标准的进化课程。

我们开发了一个以探究为基础的微生物学课程，以提高高中生物学学生对进化生物学中心主题的参与度，以及他们随后对相关NGSS概念的理解。我们观察到，当学生参与我们的课程时，参与度很高。学生们每天晚上都被分配了概念和准备测试，以确保他们为第二天的微生物学实验和进化课程做好了准备4)．他们的高完成率表明他们的热情有所提高。虽然我们承认这是一个简单的观察，但老师和合著者(MH和SS)也指出，在进行EvolvingSTEM实验时，很少参与课堂讨论的学生成为了热情的小组领导者。关于学生对课程态度的非正式事后调查，绝大多数都是积极的。学生们表示，他们对细菌模型很感兴趣，喜欢来课堂上做实验，并且觉得我们的课程比标准的授课式课程更适合教授他们。实验和分析的小组形式鼓励学生在整个项目中相互合作和支持。学生们倾向于对彼此负责，但当小组比较复制的群体时，他们也表现出凝聚力，既表现出友好的竞争，也表现出对结果的骄傲和所有权。此外，许多学生表示，他们觉得自己像“真正的科学家”使用的设备，如移液管，旋涡和孵化器。他们对科学到底是什么有了更深刻的认识，并提出了更多关于微生物学、进化研究和其他科学事业的问题。

至关重要的是，老师们发现EvolvingSTEM能够有效地演示进化过程，从而增加学生对自然选择、突变和偶然性影响的理解，并增加学生对生物学的兴趣和参与。学生评估也证明了我们的课程对学生学习的实质性好处，因此，我们的课程取代了标准的，荣誉生物WHS进化课程。EvolvingSTEM课程的可持续性大大促进了归国学生的参与，他们对项目表现出特别的兴趣，并通过扩展学习机会项目担任事实上的教学助理。(关于这个项目的更多信息将在以后的报告中讨论。)这种教学经验是通过让一年级学生参与实验室研究而实现的，这使他们能够在毕业前的三年时间里帮助教授新生。

我们发现，与标准课程相比，EvolvingSTEM为学生提供了显著的学习好处。在完成我们的课程后，学生在进化知识评估中获得的分数明显高于遵循标准课程的学生。在完成我们的课程后，原本只提供标准课程的学生能够进一步提高他们的评估分数，以满足只通过EvolvingSTEM教授进化的学生所取得的成果。我们的研究结果证明了微生物进化实验在有效地教授种群遗传学和进化概念方面的力量，同时也提供了微生物学方面的宝贵经验。此外，EvolvingSTEM可以作为其他生命科学主题的教学基础。例如，学生的进一步调查可以识别基因突变(使用廉价的全基因组测序，即Cooper2018)，支持对遗传和性状变异(NGSS HS-LS3)的更好理解。我们实验室之前的研究表明，许多常见的突变是在wsp(皱纹扩散表型)基因簇(Cooper等。2014；Gloag等人。2018)，它协调了细菌表面识别与增加的生物膜生产(Hickman和Tifrea2005)．学生很可能会认同wsp因此，可以将DNA的变化如何导致蛋白质结构和细胞内信号的变化，从而导致生物膜生产的增加和菌落形态的变化联系起来，支持对DNA、蛋白质结构和细胞功能的更好理解(NGSS HS-LS1)。此外，细菌的适应是对提供新的生态位的环境变化的响应，支持对生态系统中相互依存关系的更好理解(NGSS HS-LS2)。因此，建立在核心进化研究基础上的课堂实验可以跨越ngss推荐的生物学入门课程的大部分内容，并被改编为涵盖AP生物学的更高级主题，以及社区大学或四年制大学的早期生物学课程。

这项研究仅限于新罕布什尔州一所郊区公立学校的一所学校和两名教师，这自然引发了它在其他环境下有效性的问题。然而，自从项目启动和评估报告，EvolvingSTEM已经扩展到美国四个不同州的13所高中，并持续增长。这些学校从独立的私立学校，到郊区的公立学校，到城市的公立和磁铁高中，课程包括入门“学术”和荣誉生物学，高级生物技术和AP生物学。这里描述的核心实验协议已被证明对不同的课程表和学生群体具有健壮性，前提是教室拥有附加文件中详细描述的实验室资源1包括在现场或通过合作实验室制备无菌培养基的能力。这些学校正在对STEM学科的学习和动机进行额外的评估，但非正式的教师和学生反馈都非常积极。

EvolvingSTEM是一门吸引人的探究型课程，为学生提供了实时可视化进化变化的动手方法。它还可以以每个学生较低的成本(消耗品< 5美元)交付，因此可能适合广泛分发。我们的课程为学生提供了理解进化概念的工具，并将他们的知识应用到生命科学和医学的其他领域。例如，学生可以在他们在课堂上看到的增加生物膜生产的适应性表型和在临床相关生物膜相关细菌感染中看到的几乎相同的表型之间建立直接联系。此外，还为学生提供微生物技术的介绍，这些技术在生物技术方面有重要的应用。我们课程的一个特别强大的方面是它对教师和学生参与的积极影响。教师和学生一起开始研究实验，这提供了一个协作的课堂环境，在这里双方都有机会更好地理解和发现。EvolvingSTEM在提高科学素养方面具有非凡的能力，并有望促进人们广泛接受进化论作为生命科学的核心、统一理论。

VSC:研究设计、数据分析、数据解读、稿件撰写、稿件编辑。TMW:研究设计，数据收集，数据分析，数据解释，稿件编辑。AMM:数据分析，数据解读，撰写稿件，编辑稿件。MH, SS:研究设计，数据收集，稿件编辑。所有作者阅读并批准了最终稿件。

确认

我们感谢来自新罕布什尔大学的Stephen Hale协助设计评估报告，感谢Caroline Turner和Cassie Quigley的批判性反馈。这项研究是根据新罕布什尔大学的IRB协议#5937进行的。

相互竞争的利益

作者声明他们没有竞争利益。

数据和材料的可用性

所有去识别的结果、协议和资源在此或在补充信息中报告。

资金

这项研究得到了NSF CAREER DEB-0845851, NASA CAN-7NNA15BB04A和匹兹堡大学医学院对VSC的自由支配基金的支持。

出版商的注意

伟德体育在线施普林格自然对出版的地图和机构附属的管辖权要求保持中立。

作者和隶属关系

1. 匹兹堡大学医学院微生物学和分子遗传学学系，美国宾夕法尼亚州匹兹堡

   沃恩·s·库珀&阿比盖尔·m·马泰拉

2. 匹兹堡大学医学院进化生物学与医学研究中心，美国宾夕法尼亚州匹兹堡

   沃恩·s·库珀&阿比盖尔·m·马泰拉

3. 美国新罕布什尔州达勒姆市新罕布什尔大学分子、细胞和生物医学科学系

   沃恩·库珀&泰勒·m·沃伦

4. Winnacunnet高中，汉普顿，新罕布什尔州，美国

   Michael Handwork & Shani Scarponi

相应的作者

对应到沃恩·s·库珀．

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