科学思维培育视域下论证式教学在高中生物学教学中的应用策略*——以“遗传与进化”模块为例

唐 荷|四川省成都市石室中学

刘 静|四川师范大学生命科学学院

《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》明确提出“高中生物学课程以提高学生生物学学科核心素养为宗旨”，生物学核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。其中，“科学思维”是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。学生具备这些思维习惯和能力的主要表现是：能够基于生物学事实和证据，运用多种思维方法，探讨、阐释生命现象及规律，能够审视或论证生物学社会议题。要使学生达成上述表现，高中生物学教师应秉持“以生为本”的教学理念，适切采取多种有效策略，帮助学生形成科学思维核心素养。论证式教学是一种有效的方法，下面以高中生物学“遗传与进化”模块教学为例具体阐释。

一、论证式教学应用于高中生物学教学的理论分析

论证式教学是一种让学生在课堂活动中亲历科学论证各个环节的教学方法，它以训练学生论证能力为核心，以问题引导思维，激发学生联系已有知识经验，进行缜密分析，提出可能的、合理的猜想，再通过证据去支持猜想，进而得出结论［1］。论证教学模型是在论证式教学理念基础上发展出的具体操作框架或教学设计模式，多位学者对论证式教学进行过研究并提出相应模型，本文采用的是McNeill 于2006 年提出的CER 论证教学模型［2］。CER 论证教学模型主要包括三个要素：声明观点（Claim）、列出证据（Evidence）、进行推理（Reasoning），其逻辑结构如图1所示。CER论证教学模型形式清晰，操作简易，不仅有利于在新授课上培养学生的科学思维、建构科学解释，还可以在复习课上提高学生的分析能力和解题能力。

图1 CER论证教学模型的逻辑结构

以“遗传与进化”模块为例。一方面，该模块涉及许多概念，例如遗传规律、减数分裂、同源染色体、基因等，这些概念之间存在一定的联系和交叉，具有很强的逻辑性，在建构概念时对学生科学思维的要求很高，难度较大。另一方面，由于遗传学相关知识与学生现实生活之间的联系不够紧密，学生难以将所学知识与实际问题联系起来，这在一定程度上降低了学生的学习兴趣和动力。而论证式教学鼓励学生主动思考和提出假设，通过实验验证和数据分析来深入理解遗传学的概念和原理，这样可以使学生在主动思考和探索遗传学知识的过程中，提升逻辑思维和批判性思维。同时，论证式教学注重学生的参与和互动，使学生在课堂上不再是知识的被动接受者，而是基于探究和发现的活动参与者和知识建构者，有助于激发学生的学习兴趣和动力，提高学习效果。

二、论证式教学应用于高中生物学教学实践的策略

（一）应用问题驱动策略开展论证式教学

以“遗传与进化”模块中的“减数分裂”教学为例，减数分裂过程抽象且复杂，通过图片或者动画虽然可以展示减数分裂的过程，但这种方式使得学生缺乏深层次思考，容易被动接受概念，对减数分裂的理解并不透彻。因此，笔者在该课教学中通过设置问题串，并结合论证式教学的方法，引导学生逐步深入理解减数分裂的概念和过程，促进学生由被动接受概念转变为主动建构概念。其教学过程如图2 至图4所示。

图2 教学过程一：论证精子和卵细胞中的染色体条数

图3 教学过程二：论证染色体如何减半

图4 教学过程三：论证配子中是否有同源染色体

图2 至图4 中三个关于减数分裂的问题，从分析染色体的数目变化到分析染色体的行为变化，难度逐层递进，对学生的逻辑思维要求也逐步提高。对“问题三”进行论证之后，笔者又进一步引导学生思考“如何保证配子中没有同源染色体”，从而引出同源染色体“联会”，进而建构出“同源染色体”的概念：能够在减数分裂过程中联会的两条染色体，往往形态大小相同，一条来自父方，一条来自母方。学生寻找证据以支撑或否定猜测或主张，在此过程中思维相互碰撞，科学论证能力得到提升，最终建构出减数分裂的概念并理解其真正含义：染色体数目减半并不是随意减半，而是一个配子只会得到成对染色体（同源染色体）中的一条。

（二）应用模型建构策略开展论证式教学

模型与建模是“科学思维”中的重要组成部分，模型建构策略可让学生通过建模活动深入理解和应用知识，是促进科学思维能力提升的重要教学策略之一［3］。在建构DNA 双螺旋结构模型的过程中，学生对所出现的问题，通过分析证据为主张辩驳，在建构出模型的同时提升了科学分析、质疑及评价能力。

在学习“DNA 的结构”内容时，由于DNA微小，学生无法直接通过观察DNA 获知其结构组成，只能通过资料和实验证据分析DNA的结构，这对学生的空间想象能力要求很高，为教学带来了一定难度。笔者通过建构DNA结构模型，使微小的DNA结构可视化，同时结合论证式教学的方法，促使学生通过辩驳深入理解DNA 的结构特点，体会生物体结构与功能相适应的观点。部分教学过程如下。

问题1：在已经建构出DNA 双链骨架（由磷酸和脱氧核糖交替排列而成）之后，碱基是在双链内部还是外部？不同学生提出不同的主张。

寻找证据：（1）脱氧核糖和磷酸基团是亲水的，碱基是疏水的；（2）DNA 分子周围的环境为液体环境。

在学习生物膜的流动镶嵌模型时，学生了解了磷脂双分子层的结构：磷脂分子头部亲水尾部疏水，磷脂双分子层由两层头部向外尾部向内的磷脂分子构成。结合现有关于脱氧核苷酸各部分结构亲水性和疏水性的特点，分析证据与主张之间的关系，学生可得出结论：在DNA 双螺旋结构模型中，碱基排布在双链内部。

问题2：在讨论DNA两条链上的碱基是如何配对这个问题时，学生提出的主张有如下三种。

（1）相同的碱基配对（即A和A配对，以此类推）。

（2）嘌呤和嘌呤配对，嘧啶和嘧啶配对（即A和G配对、C和T配对）。

（3）嘌呤和嘧啶配对（即A 和T 配对或A和C配对，G和C配对或G和T配对）。

寻找证据：（1）电镜下的检测结果表明DNA的直径约为2 nm。（2）由组成DNA的四种碱基的分子结构式（如图5所示）可知，嘌呤分子由两个环构成，嘧啶分子由一个环构成。两个环的分子配对时的直径比一个环的分子配对时的直径长。（3）奥地利生物学家查哥夫对DNA 分子中四种碱基的量进行分析，结果表明腺嘌呤的量总是等于胸腺嘧啶的量，鸟嘌呤的量总是等于胞嘧啶的量。

图5 组成DNA的四种碱基的分子结构式

学生分析证据进行辩驳（如图6所示），从而否定主张（1）和主张（2），再对证据（3）进行分析，可以发现碱基配对的规律是A 与T 配对、G与C配对，由此得出碱基互补配对原则。

图6 学生分析辩驳的过程

（三）应用实验探究策略开展论证式教学

实验探究是学生通过自主探究获得结论的一种方法，不仅能促进学生科学思维的发展，还能培养学生的学习兴趣，对学生科学探究等核心素养的提升都有促进作用［4］。

在学习“DNA 是主要的遗传物质”内容时，学生对格里菲斯实验中的第四组实验“死亡小鼠体内为什么出现S 型活细菌”产生怀疑，并提出不同的主张，具体如下。

（1）死亡小鼠体内的S型菌是由R 型菌自发突变而来的。

（2）加热致死的S型菌中存在某种物质导致R型菌转化为S型菌。

（3）S型菌既有由R型菌突变而来的，也有由R型菌转化而来的。

从这三种主张可以看出，学生对“S 型菌到底是由R型菌突变而来还是转化而来”争论不休，因此，教师可提供资料引导学生通过设计实验去找寻问题的答案。

提供资料：根据S 型菌荚膜多糖的差异，将S型菌分为SⅠ、SⅡ、SⅢ等类型。同理，R型菌也可分为RⅠ、RⅡ、RⅢ等类型。（1）R型菌可突变成为S型菌，但不同类型的R型菌只能突变成为相应类型的S 型菌；S 型菌突变成为R型菌亦如此。（2）R 型菌可通过接受外源DNA转化成为S 型菌，且由哪种类型的S 型菌提供DNA，R型菌就转化为相应类型的S型菌；S型菌由于其荚膜阻止外源DNA 进入细胞，因此无法通过转化成为R型菌。

学生设计实验：将某种类型的S型菌的细胞破碎提取物与另外一种类型的R型菌混合，在培养基上进行培养，观察培养基上子代细菌的类型。S 型菌来源的实验设计及可能的实验结果如图7所示。

图7 S型菌来源的实验设计及可能的实验结果

经过讨论辩驳，学生最后得出结论：死亡小鼠体内的S 型菌是由R 型菌转化而来的。通过实验探究找寻问题的答案，是训练学生科学思维，帮助学生建构生物学概念的重要方法。在对“死亡小鼠体内为什么出现S型活细菌”的原因进行论证的过程中，学生虽然没有动手实际操作，但通过对实验的设计和分析，他们在思维层面进行了深层次的探究活动。通过实验探究主动寻求答案，由实验结果推测原因，这种教学策略能在培养学生科学探究能力的同时，促使学生对结论有更深刻的理解。

三、结语

论证式教学既是一种教学方法也是一种教学策略，其最终目的是让学生掌握解决问题的思维和方法，培养学生利用资料进行推理和论证的能力，进而促进学生科学思维的发展。在论证过程中，学生不再是被动地接受知识，而是成为课堂的主体，积极参与寻找证据、进行讨论、质疑和批判，最终建构出概念。论证式教学鼓励学生质疑和批判，即在接受新知识的同时对已有知识进行审视和反思，这有助于培养学生的批判精神和独立思考能力。此外，通过论证式教学培养学生的科学思维，不仅能使学生在课堂上学到足够的知识和技能，也能使其在应对课堂之外的生活时更加游刃有余。