证式教学策略在高中生物学教学中的应用

摘 要 ：尝试以“生物膜的流动镶嵌模型”一课为例,探索论证式教学策略在高中生物学课程中的应用,说明“从资料到主张得出乃至认可”需要充足的论据,示范论证策略的应用,彰显论证式教学策略的教育意义.

关 键 词 ：论证式教学；论证；生物膜的流动镶嵌模型

多年来,高中生物学课堂教学以讲授式为主向学生传递知识,现行普通高中课程标准实验教科书虽然大大增加了学生的动手实验内容和科学探究活动的比例,但也仅限于学生动手操作和观察机会的增加.许多科学教育家认为理科教学不仅要强调学生动手和观察,还要重视培养学生科学思维方式,倡导论证式教学策略在理科教学中的应用.

所谓论证式教学是将论证活动引入课堂,让学生经历类似科学家的评价资料、提出主张、为主张进行辩驳等过程,从而培养学生科学的思维方式.论证式教学已成为当前国际科学教育研究的热点之一.现以“生物膜的流动镶嵌模型”为例,阐述论证式教学内涵及其授课流程,具体说明如何“从资料得出主张,再使主张得到认可”的教学过程,示范论证式教学策略的应用,彰显论证式教学策略的教育意义.

一、概述论证式教学策略

(一)论证

论证是全班学生围绕某一论题利用科学的方法收集证据,运用一定的论证方式解释、评价自己及他人证据与观点之间的相关性,促进思维的共享与交锋,最终达成可接受结论的活动.论证活动可以图1的论证模型表示,本模型可以帮助师生领悟论证教学的流程,也可作为评价论证教学的工具.

论证模型包含主张、资料、论据、支持、质疑及辩驳等六大要素.主张是在论证中试图证明和维护的正当的结论.资料是论证的基础,是研究或推断开始时必需的材料或信息,是在回应对主张的质疑时所要引用的事实.论据是连接资料与主张的桥梁,是从资料到主张的解释和支持.质疑是削弱论证效果的证据,是阻止从资料得出主张的因素.辩驳是当主张遭到质疑时,提出合理的反驳证据捍卫主张.在质疑与辩驳中达成共识,修正或认可主张.

(二)论证式教学

论证式教学策略是20世纪90年代提出来的.论证式教学实质上是将科学研究领域的论证引入课堂,使学生经历类似科学家的论证过程,理解科学概念和科学本质并促进思维发展的教学模式.

论证式教学策略的一般教学程序如下：

以上两个“课堂互动生成”环节,有着太多不确定的因素,特别挑战教师的教学智慧.教师在组织论证式教学时应该注意：第一,设置的问题要力求新颖有趣,吸引学生带着问题认真阅读资料、积极开展小组合作讨论.若某些“资料”能比较明显得出“主张”的,可由学生自己分析得出,教师不要越俎代庖.第二,留出充分时间给学生思考讨论、明确想法.鼓励学生尝试提出主张和解释主张,要求逻辑推理严谨、缜密.第三,鼓励学生大胆提出质疑或反驳,发现学生质疑或反驳有困难时,教师一定要循序渐进地给予指导与帮助.

二、“生物膜的流动镶嵌模型”的论证式教学

高中生物学教材中适合于开展论证式教学的课题有“细胞核――系统的控制中心”“生物膜的流动镶嵌模型”“关于酶本质的探索”“影响酶活性的条件”“基因是有遗传效应的DN段”“促胰液素的发现”“植物生长素的发现”等等等.下面以“生物膜的流动镶嵌模型”为例,探讨论证式教学策略.

“生物膜的流动镶嵌模型”这节教材以“生物膜结构的探索历程”为视角,本着透过现象看到本质的哲学思想,阐明“生物膜的组成成分和构成方式”,最后得出生物膜的流动镶嵌模型.因为“生物膜的组成成分和构成方式”存在明显的逻辑关系,教学时应先弄清“生物膜的组成成分是脂质分子和蛋白质分子”,再解决“脂质分子和蛋白质分子如何分布形成生物膜,才有利于其执行选择透过性功能”.教学过程要合理整合教材内容,对“思考与讨论”栏目中的问题应改造利用,始终渗透着“结构与功能相适应”的生物学观点.

(一)生物膜的组成成分是什么

第一,提供有关欧文顿实验资料.

19世纪末,欧文顿（E.Overton）曾用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行过上万次的实验,发现细胞膜对不同物质的通透性不一样：凡是可以溶于脂质的物质,比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入 细胞.

第二,设置问题,巧妙点拨,得出主张.

问题：为什么有的物质容易通过细胞膜,有的不容易通过?生物膜组成应该怎样?

可应用图2,由学生分组讨论、分析与回答.

当学生感到分析有难度时,教师进行适度点拨：请回忆相似相溶原理,或查看人教版《普通高中课程标准实验教科书生物必修1分子与细胞》32页“细胞中的脂质”一段所提出的“常见的脂质不溶于水,而溶于脂溶性有机溶剂.”

得出主张：膜是由脂质组成的.

第三,鼓励质疑,增加论据,捍卫主张.

学生质疑：以上从生理现象推理得出的检测说不可靠,我们不能接受.

引导分析：“需进一步对细胞膜化学成分进行鉴定与分析.”具体方案是分离细胞膜,使用脂质酶和蛋白酶破坏生物膜,观察结果.若膜都溶解了,说明成分中含脂质和蛋白质.

增加论据,捍卫主张：科学家在20世纪初也完成上述实验,第一次将膜从哺乳动物的红细胞中分离出来,通过化学分析表明,膜的主要成分是脂质和蛋白质.

第四,再鼓励质疑,再解释.

学生质疑：科学家对膜的研究为什么是从生理功能入手,而不直接分析其化学成分?

分析解释：主要是限于当时的实验条件,还不具备鉴定化学成分的条件.又由于生理现象易被观察到,根据化学组成或结构与功能相适应观点,可推知具体 成分.

(二)脂质和蛋白质如何构成细胞膜

1.脂质如何参与细胞膜的构成

第一,课前布置任务. 脂质（磷脂）如何参与细胞膜构成?提示学生考虑以下两个问题：磷脂分子在空气-水界面如何排?在细胞膜所处环境又如何排?

第二,学生收集数据和资料,课堂展示,回答问题.

资料：磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸等所组成的分子,磷酸“头”部是亲水的,脂肪酸“尾”部是疏水的.

回答问题：在空气―水界面,磷脂分子的头部向水、尾部向空气.如图3所示；因为细胞膜内外都是水环境,因此磷脂分子在细胞膜中排成两层,头部均朝外、尾部均朝内,如图4所示.在学生回答问题的过程中,教师根据情况适时引导.

第三,得出主张.

磷脂分子头部朝外尾部朝内排成连续两层,构成磷脂双分子层的基本支架.

第四,论据支持.

1925年,两位荷兰科学家用丙酮从人的红细胞中提取脂质,在空气-水界面上铺展成单分子层,测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍.

提供本论据时,最好配以直观图,如图5,使学生更容易理解和接受“细胞膜中的脂质分子排列为连续的两层”的主张.

2.蛋白质如何构成细胞膜

第一,课前布置任务.

蛋白质如何构成细胞膜?

第二,学生收集数据和资料,课堂展示,回答问题.

资料：20世纪50年代,电子显微镜诞生,科学家用它来观察细胞膜.1959年,罗伯特森（J. D. Robertson）在电镜下看到了细胞膜清晰的暗―亮―暗的三层结构,如图6所示.

回答问题：有的认为细胞膜为“蛋白质――脂质――蛋白质”三层结构,有的认为细胞膜为“脂质――蛋白质――脂质”三层结构,两个观点争执不下.

教师点拨：电子显微镜工作原理是电子束照到大分子物质上呈现黑暗,反之呈现光亮.

第三,得出主张.

蛋白质和磷脂分子大小不同,蛋白质分子一般更大,电镜下看到的两边暗层即是大分子蛋白质,中间亮层是小分子脂质.因此生物膜是由“蛋白质-脂质-蛋白质”三层结构构成静态统一结构.

第四,提出质疑,修正主张.

质疑1：细胞膜真的是静态的吗?那么,变形虫的变形运动、白细胞吞噬异物、细胞的生长等现象如何解释?

质疑依据：1970年,科学家用发绿色荧光的染料标记小鼠细胞表面的蛋白质分子,用发红色荧光的染料标记人细胞表面的蛋白质分子,将小鼠细胞和人细胞融合.这两种细胞刚融合时,融合细胞的一半发绿色荧光,另一半发红色荧光.在37℃下经过40min,两种颜色的荧光均匀分布,如图7所示.

修正主张1：细胞膜具有流动性,而不是静态结构.

质疑2：脂质与蛋白质一定按照“蛋白质――脂质――蛋白质”严格分开吗?即蛋白质一定均匀分布在脂质两侧吗?

质疑依据：冰冻蚀刻电子显微法,将标本置于 -100℃的干冰或-196℃的液氮中,进行冰冻；然后用冷刀骤然将标本断开,升温后,冰在真空条件下迅即升华,暴露出断面结构,称为蚀刻（etching）.蚀刻后,进行反差强度处理,显示出了标本蚀刻面的形态.在电镜下得到的此影像即代表标本中细胞断裂面处的结构,如图8所示.

修正主张2：蛋白质不是均匀分布在膜两侧,而是镶在、嵌入或横跨在磷脂双分子层中.

第五,完善主张：生物膜的基本结构――磷脂双分子层构成膜的基本支架,蛋白质分子镶在、嵌入或横跨在磷脂双分子层中,磷脂分子和大多数蛋白质分子可以运动,可以流动镶嵌模型表示,如图9所示.

总之,论证式教学是在教师的点拨和启发下,学生科学地分析资料、大胆提出质疑和辩驳、不断修正自己的主张.由此,促进学生进行有意义学习,在学习科学知识的同时,提高学生的科学思维能力,发展学生的交流能力,提高学生的认知水平和元认知水平,实现“提高学生生物科学素养”这一高中生物学课程的核心任务.

（责任编辑：陈欣）