发展学生理性思维的论证式教学——以“减数分裂”教学为例

许桂芬

(福建省厦门第一中学 361003) 陈 欣 (福建教育学院 福州 350025)

1 论证式教学

所谓论证是共同体围绕某一论题利用科学方法收集证据，运用一定的方式解释、评价自己及他人证据与观点之间的相关性，促进思维共享与交锋，最终达成可接受结论的活动。论证式教学是将论证活动引入课堂教学。如何将论证引入课堂，如何有效培养学生的论证能力已成为当前国际科学教育研究的热点之一[1]。

论证式教学模型如图1，教师基于具体的教学目标与学习目标提出有价值问题，学生在已学知识和已有经验基础上提出观点猜想或解决问题思路，并提供证据解释证明猜想或思路的合理性，猜想或思路得到认可后则可上升为结论[2]。

图1 论证式教学模型

2 “减数分裂”的论证式教学

“减数分裂”是人教版高中生物学必修2《遗传与进化》第2章第1节内容，是学生学习基因分离定律和自由组合定律的细胞学基础，因此“减数分裂”是教学重点，同时也是教学难点，究其原因在于：①减数分裂过程微观、抽象，学生缺乏感性认识；②教材对减数分裂机制缺乏介绍(诸如“减数分裂第一次分裂为什么要依次经历复制联会、四分体、同源染色体分离的过程？为什么同源染色体要联会？”等等)。教师在课堂教学时对此也常常避而不谈，造成学生把减数分裂过程中的一系列连续变化看作孤立事件，无法了解其中相互联系，把有意义学习的知识割裂成了需要记忆的细枝末节信息。

授课时若采用直观教学，联系有丝分裂知识，借助物理模型或多媒体展示减数分裂微观变化过程，让学生体验染色体具体的规律性变化，虽然有利于学生更深刻地记住减数分裂过程，但由于学生缺乏对减数分裂内在机制的主动探究与理性思考，他们仍处于被动观察与接受事实的地位，导致“死记硬背”减数分裂过程。若采用启发式教学，教师以问题引导学生观看减数分裂的动态模拟过程，回答问题，但由于仍缺乏主动探究，学生即使能进行“看图说话式”作答，仍未能激发深层次思维。因此，笔者尝试应用论证式教学开展“减数分裂”教学，旨在发展学生的理性思维。

2.1 论证“精子和卵细胞的形成要通过染色体数目减半的分裂” 具体步骤如下：

2.1.1 提出问题 从人类在生殖过程要产生精子和卵细胞出发，导出探究的问题：精子和卵细胞是如何形成的？通过什么分裂方式形成？染色体数目如何变化？

教师引导学生从染色体数目变化角度分析，亲代细胞经过怎样的分裂方式形成的精子和卵细胞，再经过受精作用形成的受精卵，染色体数目在亲子代之间能保持稳定。

2.1.2 形成观点猜想 学生得出“精子和卵细胞是通过染色体数目减半的分裂方式形成”的猜想。因为如果精、卵细胞染色体数目不是体细胞的一半，那么生物每繁殖一代，体细胞中染色体数目就会增加一倍。

2.1.3 寻找证据解释猜想 1883年，比利时学者比耐登(E.vanBeneden)以马蛔虫为材料研究受精作用。他发现马蛔虫的体细胞里有4条染色体，而精子和卵细胞中都含2条染色体，这些染色体通过受精作用传给子代，子代细胞中又恢复到2对染色体。19世纪至20世纪初，许多科学家相继观察到，无论动物还是植物的生殖细胞，在形成过程中染色体数目都要减半。这些由教材提供的证据，有助于学生解释其猜想的合理性。

2.2 论证“染色体数目减半的合理方式” 具体步骤如下：

2.2.1 提出问题 染色体数目如何减半？随意减半还是有规律减半？若有规律，该怎么减半才合理？引导学生利用磁性染色体模型，探索染色体行为变化。

2.2.2 作出猜想 子细胞染色体组成可能有3种：①1和2；②3和4；③5和6(图2)。

图2 猜想染色体数目减半的类型

2.2.3 分析解释猜想 引导学生思考：每一种猜想形成的配子是否合理，关键看它们随机受精后染色体数目和形态能否恢复与亲代细胞一致。学生分析：猜想①或②形成的配子，随机受精后染色体数目恢复正常，且形态保持2大2小。猜想③形成的配子，随机受精后染色体数目虽然恢复正常，但出现了染色体组成与亲代细胞不同的4大或4小。据此推测，猜想①和②更具合理性。猜想①和②，产生的精、卵细胞随机受精后，不考虑变异情况下，能保证每个受精卵细胞中染色体形态大小和数目与亲代细胞中完全一致。猜想③形成的受精卵中染色体形态与亲代细胞不一致，将使亲子代的遗传性状不稳定，因此，猜想③不合理。

2.2.4 寻找证据 支持猜想 1890年德国细胞学家鲍维里、1891年德国动物学家亨金通过对多种生物的观察研究，证实了在形成精子或卵细胞的细胞分裂过程中，染色体都要减少一半，每对染色体中各有一条进入精子或卵细胞。

2.3 论证“染色体数目减半的过程” 具体步骤如下：

2.3.1 提出问题1 上述证据已证明“每对染色体中各有一条进入精子或卵细胞”，那么如何实现这种染色体数减半的分裂？

2.3.1.1 作出猜想 细胞分裂1次，染色体数目直接减半(图3)。

2.3.1.2 分析解释猜想 引导学生分析染色体数目

直接减半的猜想合理的前提是“染色体未复制的细胞能启动分裂”。让学生回忆所学的“阻止癌细胞的无限增殖的途径”，来判断该前提成立与否。学生分析：通过阻止癌细胞染色体复制，细胞分裂就停止；由此推知“染色体未复制的细胞不能启动分裂”。

图3 染色体数目直接减半

2.3.1.3 寻找证据 支持解释 与细胞分裂有关基因的有序表达，是受到一些控制点调控和监视的。由同步化细胞的双向凝胶电泳测定，用放射性氚标记细胞周期不同时期的细胞，放射自显影结果表明，细胞周期的运转是十分有序的，不同时期出现不同的关键性事件，是基因有序表达的结果。例如，酵母中发现至少有6个检验点。这些检验点严格监视着细胞周期事件的发生、发展过程是否严格按程序进行，其中S期激活因子调控G1进入S期(图4)。并弄清了S期激活因子的分子性质[3]。这些证据有力说明“细胞分裂1次，染色体数目直接减半”的猜想不成立。由此得出：只有完成染色体复制才能启动细胞分裂。染色体未复制的细胞不能直接分裂，故染色体数目直接减半的分裂不可行。

图4 细胞周期的控制点

2.3.2 提出问题2 染色体复制后，成对染色体怎样均分到子细胞？

指导学生与有丝分裂作比较，推出染色体减半分裂，需要染色体复制几次、细胞分裂几次？结果产生几个子细胞？学生经比较可推测减数分裂过程(表1)。

表1 减数分裂过程的推测

2.3.3 提出问题3 染色体复制后，细胞经过怎样变化后才会产生4个“染色体数减半”的子细胞？存在几种可能性？哪个更合理？证据是什么？

2.3.3.1 作出猜想 ①减数第一次分裂染色体数目减半，减数第二次分裂不变；②减数第一次分裂染色体数目不变，减数第二次分裂减半。

2.3.3.2 分析解释猜想 指导学生分析两种猜想中4次分裂的可行性。学生分析：猜想①第二次分裂类似有丝分裂，可行；第一次分裂中，成对染色体是否能均分到子细胞，未知。因此，若猜想①第一次分裂可行，则猜想①可行。猜想②第一次分裂类似有丝分裂，可行；第二次分裂现象属于“染色体未经复制就要启动细胞分裂”，不可行。因此，猜想②不可行。

接着为猜想①第一次分裂的可行性求证。①联系有丝分裂染色体均分的机制：含姐妹染色单体的染色体整齐排列在赤道板上，着丝点分裂，染色体数目加倍，姐妹染色单体分开并均分到两极，非姐妹染色单体随机组合。②推测：为了保证染色体不出差错地均匀分开，同源染色体得排整齐才好均分，即同源染色体要进行联会配对，且有规则地排列在细胞中央赤道板上。为了减少分离的困难，需要染色质变成短而粗的染色体，就应有四分体出现；随着纺锤体牵引，联会的同源染色体分离开，非同源染色体随机组合后分到细胞两极；到达细胞两极后，细胞一分为二，实现了染色体数目的减半。

2.3.3.3 寻找证据 支持猜想 一是减数分裂过程有联会复合体(SC)存在(图5)[4]，联会时SC总是夹在两条同源染色体之间，说明同源染色体两两配对的联会行为是存在的。二是1891年，科学家描述了形成精子和卵细胞的减数分裂的全过程，说明减数分裂存在同源染色体分离开，非同源染色体随机组合的过程。

图5 典型的SC图解

2.3.3.4 得出结论 减数第一次分裂染色体数目减半、第二次分裂染色体数目不变的推测是正确的。

最后播放减数分裂的动态模拟过程，学生仔细观察、领会减数分裂的连续动态变化过程，并辅以蝗虫减数分裂过程的固定装片供学生观察。由于减数分裂染色体数目减半和各时期染色体的特殊行为，均是教师引导学生“溯本求源”分析推理和辩驳得出，并得到证据支持的。因此，学生印象深刻、理解到位，推理能力、论证能力及批判性思维能力也得到发展。

由此建议教材增加探索减数分裂机制内容，或提供减数分裂过程严格有序、染色体联会行为等证据资料，更好地发挥教材发展学生理性思维的教育价值。

3 论证式教学的教育价值

生物学事实性知识较多，概念性知识抽象，有些知识间的逻辑联系不十分紧密。因此，在生物学教学中，有必要创设科学研究情境，开展论证式教学，将核心概念整理成问题，以问题引导思维，激发学生联系已有知识经验，进行抽丝剥茧式的分析，提出可能的、合理的猜想，并在同伴和教师的帮助下，从教材、网络、动手实验等途径寻找证据以支持解释猜想或思路、得出结论，形成正确的生命观念。帮助学生“以科学家的思维方式或模拟科学家的研究过程”进行学习，在学会生物学知识的同时体验科学研究方法，逐步养成科学的思维方式。以此促进学生理性思维的发展，充分发挥论证式教学的教育价值。