立足生物学模型构建的论证式教学研究

左开俊

模型构建作为生命科学研究中常用于简化描述、客观描绘或结构搭建一些现象或事实的方式，通常被生物学家所使用。在实际的生物学模型构建课教学中，模型特征的强加预设、虚假探究与要点灌输等现象常有发生，其课程价值得不到深度开发与转化。与此同时，论证式教学作为近年来国际科学教育界常被提及的教学法，尚缺乏在模型构建课中的实践研究。因此，研究者尝试立足生物学模型构建课进行论证式教学研究。

一、以论证式教学实施模型构建的优势分析

（一）论证任务可促进学生建模活动的具身化

论证式教学是一种将科学论证引入课堂，让学生循着事实、证据进行推理分析，逐步得出结论的一种教学方法或模式。从表象上来看，论证式教学是给予了学生一定论证任务的，而这些任务通常会以问题的形式牵引着学生思考，让学生在任务的驱动下达成主动学习。此外，论证式教学中发布的学习任务必须是激发起学生的学习兴趣，与他们的生活实际相关联；并且任务的设置应符合学生认知规律，通过学生借由各类先行组织者材料进行观察发现、科学探究或推理论证而完成。论证式教学中给予的论证任务应具备激发学生学习热情、增强学生探究欲望，并促进他们实践应用的功能。而学生进行模型构建的过程也并非一蹴而就，往往需要其凭借自身的兴趣与探究欲望，在一次次建模修整与完善中收获成就感。由此可见，论证式教学中的论证任务恰恰给予了学生模型构建的各类学习活动，并且能够让学生在亲身经历、关联实际与拾级而上中，不断达成具身化的学习过程。

（二）论证要素可助推学生建模认知的条件性

科学论证教学源起于西方，而论证的英文为argument（讨论），可见论证的过程应当是学习者与情境材料、数据表单、他人经验等不断讨论，进而综合得出自我判断的过程。诚然，科学论证的过程并非凭空臆测或直觉推断，它需要经由事实证据链的反复推理、不断分析方能得出优质答案。正如麦克尼尔教授在简化了科学论证的模型时所提出的科学论证至少包含“证据——推理——主张”三类基本要素[1]。可见，科学家真实的模型构建是根据部分限定条件推测的，并会随着条件证据的改变不断发生变化，这也体现了科学本质中知识的暂定性。然而，学生在初步学习生物学模型构建课的时候，易被其外观美感与特征要点所吸引，而忽视模型构建背后经由条件限制与证据推理发生的条分缕析过程。以论证式教学进行模型构建教学，往往会先让学生区分什么是证据、推论与主张，并依据相关证据分析推理去评价模型适切性，进而调整完善模型。学生经历了科学论证的过程，不仅可以让学生体会到科学家建模过程的艰辛与坚守，还能够让学生认识到当下科学世界的构建均源自事实推论间的螺旋式上升。

（三）论证过程可达成学生建模思维的科学化

论证式教学不仅包含了上文所述的科学证据与共同体主张之间的讨论过程，还包含了学生推理显性化、明晰化与不断完善的过程。学生推理的过程就是其思维的变化过程，因而论证过程包含了学生个体图式的修正。受限于含蓄、内敛、强调努力学习的传统教学文化，我国多数的科学课堂教学并不热闹，学生学习模型构建的思维是默会与内隐的，其在论证模型构建合理性的时候往往会因思维的浅层或偏颇，导致模型构建的囫囵吞枣。而科学论证教学的过程可以将学生推理过程显性化暴露出来，并依据各类证据不断完善修正，学生在此过程中便达成了自身建模思维的科学化。正如何克抗教授所言，建模思维中体现着定性思维、定量思维、计算思维与系统思维等[2]。想要促进这些思维的不断生成、完善，乃至于科学化，必然是一个不断学习与探索的过程，而论证式教学恰恰印证了这一过程。论证式教学中的“证据为基”体现了以质性或量化资料为依据的定性或定量思维，而其中推理过程的不断完善、随着证据的更新而不断统整，则体现了模型构建中所需要的系统思维。

二、以论证式教学实施模型构建的课例展示

（一）依据情境体验，构建经典模型

教学过程：教师首先依据生活情境析出模型构建的现象，即以学生日常生活经历为启动点，激发学生归纳“植物细胞吸水和失水”的生活现象，例如“糖拌西红柿，有水渗出”、“萎蔫的花枝插入清水瓶中，又重回坚挺”等。紧接着，教师让学生依据现象进行微观的模型构建与解释，即以上述现象为启发点，激发学生从细胞结构的视角，画出水分从细胞渗出或进入的模型图，总结出植物吸水和失水的原理。当细胞液浓度比外界溶液浓度低时，细胞液的水分就会穿过原生质层向细胞外渗出，液泡的体积逐渐缩小，由于原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性，所以当细胞壁停止收缩后，原生质层继续收缩，最终导致细胞膜与细胞壁分开，这种现象就称之为质壁分离；反之称为质壁分离复原。接下来，教师则让学生根据教材的相关内容进行科学探究，即用洋葱鳞片叶外表皮细胞为实验材料，分别用0.3 g/ml的蔗糖溶液、清水验证植物细胞的吸水和失水模型的科学性与可行性。

设计意图：从学生生活经历中寻找鲜明目标，帮助学生发现身边发生的生物学现象（渗透失水和吸水），激发其对解决生物学现象的学习欲望；然后，引导学生从细胞结构模型的角度出发，结合相关已学知识，通过演绎与推理，画出成熟植物细胞质壁分离的模型图；最后结合科学实践，阐述生命现象，论证“质壁分离与复原”模型构建的科学性、合理性。该教学过程的深度含义有三：第一，让学生感受糖拌西红柿失水现象，有助于触动其右大脑半球形象思维区域的兴奋；第二，让学生构建植物细胞失水模型，有助于推动其左大脑半球抽象思维区域的驿动；第三，让学生通过科学实践，验证构建模型的正确与否，旨在主张模型构建应建立在科学验证的基础上，启迪学生从实际出发，客观而辩证地深入剖析内在规律，继承和发扬遵循科学规律努力探寻真知的优秀品质。

（二）质疑驱动变式，构建多维模型

教学过程：首先以问题引导让学生产生深层思考，即教材用洋葱鳞片叶外表皮细胞做质壁分离的实验材料，其大而呈紫色的液泡，可以辅助观察者通过对原生质位置的变化、细胞液颜色的深浅来判断质壁分离的程度。但是，若实验材料的细胞液无颜色甚至整个实验材料都无色，植物细胞会发生质壁分离吗？紧接着，教师则让学生分小组合作学习，通过假设和推理分类讨论，构建出不同的模型。如有的小组可以绘制出“无色—有色—无色”的模型，即当实验材料细胞液、外界溶液皆无颜色时，如果赋予原生质层以颜色实施对照，则也可以观察到质壁分离。具体模型见图1.A；还有的小组则进行了“有色—无色”的模型构建，即当实验材料细胞液、原生质层皆无颜色时，如果赋予外界溶液以颜色实施对照，则也可以观察到质壁分离。具体模型见图1.B。

图1.“质壁分离”观察的论证式教学多维模型

设计意图：该教学过程中，教师旨在引导学生从实验材料的角度进行反思：质壁分离与质壁分离复原的实验材料是不是只能选择洋葱鳞片叶外表皮细胞一类的材料，以及材料是否均应具有大而呈一定颜色液泡的特质？通过对实验材料性质产生批判性质疑，鼓励学生利用假设和推理、分析和判断的方法，尝试以先前实验验证的模型为基础，以合作学习的形式进行分类讨论与推理预判，进而构建出如图1所示的“无色—有色—无色”模型和“有色—无色”模型。这一教学过程不仅让学生进行了独立思考与合作交流，还告知了学生事物的正确答案并不绝对，在生命科学中唯一没有例外的便是例外。此外，教学过程一方面鼓励学生不断追求新知，养成实事求是、独立思考、勇于创造的科学精神；另一方面激励其博采众长、大胆创新，在加强科学方法和已有知识体系学习的同时，学会以转换模型构建的思维，培养学生“穷则变、变则通、通则久”的科学思维[3]。

（三）实践拓展关联，论证检验模型

教学过程：教师让学生寻找资料去检验并论证自我的模型构建。详细说来，教师以学生构建的“无色—有色—无色”模型、“有色—无色”模型为印证链，让学生查阅资料、寻找能够验证模型可行性的实验材料。例如，黑藻细胞的细胞液无色、原生质层因富含大量叶绿体呈现绿色，其可以用于验证“无色—有色—无色”模型；洋葱鳞片叶内表皮细胞的细胞液、原生质层皆无颜色，则可在0.3 g/ml的蔗糖溶液中加入3~5滴不易通过细胞膜的红墨水，其可以用于验证“有色—无色”模型。紧接着，教师提供相应的实验材料，让学生通过真实性、自主性的实验去检验论证模型的合理性。该过程中各小组依据查阅的科学资料，确定合适的实验材料，对本小组构建的模型进行现实性、科学性与合理性方面的论证。图2中的A、B两幅图分别是学生以黑藻细胞和鳞片叶内表皮细胞开展验证实验的结果。

图2.“质壁分离”论证式教学的模型验证图

设计意图：通过自我查阅资料、合理利用实验材料，然后借助实验对已构建模型开展科学性的论证活动。论证期间，在查证、取证和举证中要选择恰当的观察材料、观察位置和观察角度，采用直观的技术手段，将定量与定性的方法有机结合，客观记录有价值的事实性现象和过程，使证据确凿。这种教法采用对经典实验或案例的发散性追问，借助推理与分析的手段构建多维模型，然后用事实之印迹、事件之影像予以求证。从教学研究的现代转型角度审视，其蕴含的教育深意有二：第一，创新设计多维模型是一种思维创造和知识迁移，旨在通过模型构建实现教育的多元化、多样化，提高学生对生物学知识的巩固和加深，帮助学生开拓视野、提高对知识的归纳能力和对问题的解决能力。第二，从经验到证据，对已构建模型深度追踪，全方位、全过程、全要素地加以取证，使学生尽可能完全独立地处于一个研究者的地位，像科学家那样探求知识。

三、以论证式教学实施模型构建落实的关键

（一）以适切的论证任务助力生物学模型构建

模型构建常起始于一个真实的情境，这些情境常会以经验总结、口头报告甚至数据的形式浅层展现。这就需要在模型构建时融入新旧知识、交互跨学科整合，在模型效化阶段要遵循教学应用的适切性原则，不能完全脱离模型的原型而变得无法溯源、无法验证。所有的建模活动都出自某种目的，如现象描述、原因追寻或是预测趋势等，其背后一定遵循知识的延展性。科学合理地构建和运用模型，才能帮助学生实现知识概念的转变、动手与合作能力的提升，使其获取分析和解决实际问题的能力，进而改善其学习的态度。所以，以模型构建开展论证式教学要基于学生的最近发展区进行教学活动。要多从学生的认知角度出发，多从学生的思维角度出发，多从学生贮备的知识结构出发，开发和探究出易于让学生接受的模型，才能使模型内化于学生的头脑，成为他们分析和解决问题时心智操作的工具[4]。

（二）以模型构建价值的追问促进教学观念变革

以论证式教学践行生物学模型构建课教学，并非单纯教授模型构建的知识，而是要帮助学生构建与优化心智模型。因此，教师要不断追问模型构建的育人价值，将学科教学的教学观念转型为课程育人的观念。信息技术、概念转变、探究教学、论证教学等的发展，又为其实践内容的丰富与发展提供了可能，使科学建模理论迅速与实践结合，受到科学教育界广泛关注[5]。模型作为表征科学的语言，是通向科学教学的阶梯。若将模型仅视为教具制作，其结果只会导致模型构建教学滞留于知识的浅滩；若将模型仅视为手工活动，其结果只会漠视建模的目的和功能。实则，在本案例中模型构建与论证过程辩证交融，构成了互相支撑的教学体系，其中融入了比较、抽象、概括、具象、实证的认知元素，渗透了分享观点、批判协商、合作共进的心路历程。所以，以论证式教学实施生物学模型构建课，应从培养“科学人才”的维度审视，加强建模元知识的理解，进而帮助学生获取创新能力与建模思维。