發展學生理性思維的論證式教學
——以“減數分裂”教學為例

許桂芬

(福建省廈門第一中學 361003) 陳 欣 (福建教育學院 福州 350025)

1 論證式教學

所謂論證是共同體圍繞某一論題利用科學方法收集證據，運用一定的方式解釋、評價自己及他人證據與觀點之間的相關性，促進思維共享與交鋒，最終達成可接受結論的活動。論證式教學是將論證活動引入課堂教學。如何將論證引入課堂，如何有效培養學生的論證能力已成為當前國際科學教育研究的熱點之一[1]。

論證式教學模型如圖1，教師基于具體的教學目標與學習目標提出有價值問題，學生在已學知識和已有經驗基礎上提出觀點猜想或解決問題思路，并提供證據解釋證明猜想或思路的合理性，猜想或思路得到認可后則可上升為結論[2]。

圖1 論證式教學模型

2 “減數分裂”的論證式教學

“減數分裂”是人教版高中生物學必修2《遺傳與進化》第2章第1節內容，是學生學習基因分離定律和自由組合定律的細胞學基礎，因此“減數分裂”是教學重點，同時也是教學難點，究其原因在于：①減數分裂過程微觀、抽象，學生缺乏感性認識；②教材對減數分裂機制缺乏介紹(諸如“減數分裂第一次分裂為什么要依次經歷復制聯會、四分體、同源染色體分離的過程？為什么同源染色體要聯會？”等等)。教師在課堂教學時對此也常常避而不談，造成學生把減數分裂過程中的一系列連續變化看作孤立事件，無法了解其中相互聯系，把有意義學習的知識割裂成了需要記憶的細枝末節信息。

授課時若采用直觀教學，聯系有絲分裂知識，借助物理模型或多媒體展示減數分裂微觀變化過程，讓學生體驗染色體具體的規律性變化，雖然有利于學生更深刻地記住減數分裂過程，但由于學生缺乏對減數分裂內在機制的主動探究與理性思考，他們仍處于被動觀察與接受事實的地位，導致“死記硬背”減數分裂過程。若采用啟發式教學，教師以問題引導學生觀看減數分裂的動態模擬過程，回答問題，但由于仍缺乏主動探究，學生即使能進行“看圖說話式”作答，仍未能激發深層次思維。因此，筆者嘗試應用論證式教學開展“減數分裂”教學，旨在發展學生的理性思維。

2.1 論證“精子和卵細胞的形成要通過染色體數目減半的分裂” 具體步驟如下：

2.1.1 提出問題 從人類在生殖過程要產生精子和卵細胞出發，導出探究的問題：精子和卵細胞是如何形成的？通過什么分裂方式形成？染色體數目如何變化？

教師引導學生從染色體數目變化角度分析，親代細胞經過怎樣的分裂方式形成的精子和卵細胞，再經過受精作用形成的受精卵，染色體數目在親子代之間能保持穩定。

2.1.2 形成觀點猜想 學生得出“精子和卵細胞是通過染色體數目減半的分裂方式形成”的猜想。因為如果精、卵細胞染色體數目不是體細胞的一半，那么生物每繁殖一代，體細胞中染色體數目就會增加一倍。

2.1.3 尋找證據解釋猜想 1883年，比利時學者比耐登(E.vanBeneden)以馬蛔蟲為材料研究受精作用。他發現馬蛔蟲的體細胞里有4條染色體，而精子和卵細胞中都含2條染色體，這些染色體通過受精作用傳給子代，子代細胞中又恢復到2對染色體。19世紀至20世紀初，許多科學家相繼觀察到，無論動物還是植物的生殖細胞，在形成過程中染色體數目都要減半。這些由教材提供的證據，有助于學生解釋其猜想的合理性。

2.2 論證“染色體數目減半的合理方式” 具體步驟如下：

2.2.1 提出問題 染色體數目如何減半？隨意減半還是有規律減半？若有規律，該怎么減半才合理？引導學生利用磁性染色體模型，探索染色體行為變化。

2.2.2 作出猜想 子細胞染色體組成可能有3種：①1和2；②3和4；③5和6(圖2)。

圖2 猜想染色體數目減半的類型

2.2.3 分析解釋猜想 引導學生思考：每一種猜想形成的配子是否合理，關鍵看它們隨機受精后染色體數目和形態能否恢復與親代細胞一致。學生分析：猜想①或②形成的配子，隨機受精后染色體數目恢復正常，且形態保持2大2小。猜想③形成的配子，隨機受精后染色體數目雖然恢復正常，但出現了染色體組成與親代細胞不同的4大或4小。據此推測，猜想①和②更具合理性。猜想①和②，產生的精、卵細胞隨機受精后，不考慮變異情況下，能保證每個受精卵細胞中染色體形態大小和數目與親代細胞中完全一致。猜想③形成的受精卵中染色體形態與親代細胞不一致，將使親子代的遺傳性狀不穩定，因此，猜想③不合理。

2.2.4 尋找證據 支持猜想 1890年德國細胞學家鮑維里、1891年德國動物學家亨金通過對多種生物的觀察研究，證實了在形成精子或卵細胞的細胞分裂過程中，染色體都要減少一半，每對染色體中各有一條進入精子或卵細胞。

2.3 論證“染色體數目減半的過程” 具體步驟如下：

2.3.1 提出問題1 上述證據已證明“每對染色體中各有一條進入精子或卵細胞”，那么如何實現這種染色體數減半的分裂？

2.3.1.1 作出猜想 細胞分裂1次，染色體數目直接減半(圖3)。

2.3.1.2 分析解釋猜想 引導學生分析染色體數目

直接減半的猜想合理的前提是“染色體未復制的細胞能啟動分裂”。讓學生回憶所學的“阻止癌細胞的無限增殖的途徑”，來判斷該前提成立與否。學生分析：通過阻止癌細胞染色體復制，細胞分裂就停止；由此推知“染色體未復制的細胞不能啟動分裂”。

圖3 染色體數目直接減半

2.3.1.3 尋找證據 支持解釋 與細胞分裂有關基因的有序表達，是受到一些控制點調控和監視的。由同步化細胞的雙向凝膠電泳測定，用放射性氚標記細胞周期不同時期的細胞，放射自顯影結果表明，細胞周期的運轉是十分有序的，不同時期出現不同的關鍵性事件，是基因有序表達的結果。例如，酵母中發現至少有6個檢驗點。這些檢驗點嚴格監視著細胞周期事件的發生、發展過程是否嚴格按程序進行，其中S期激活因子調控G1進入S期(圖4)。并弄清了S期激活因子的分子性質[3]。這些證據有力說明“細胞分裂1次，染色體數目直接減半”的猜想不成立。由此得出：只有完成染色體復制才能啟動細胞分裂。染色體未復制的細胞不能直接分裂，故染色體數目直接減半的分裂不可行。

圖4 細胞周期的控制點

2.3.2 提出問題2 染色體復制后，成對染色體怎樣均分到子細胞？

指導學生與有絲分裂作比較，推出染色體減半分裂，需要染色體復制幾次、細胞分裂幾次？結果產生幾個子細胞？學生經比較可推測減數分裂過程(表1)。

表1 減數分裂過程的推測

2.3.3 提出問題3 染色體復制后，細胞經過怎樣變化后才會產生4個“染色體數減半”的子細胞？存在幾種可能性？哪個更合理？證據是什么？

2.3.3.1 作出猜想 ①減數第一次分裂染色體數目減半，減數第二次分裂不變；②減數第一次分裂染色體數目不變，減數第二次分裂減半。

2.3.3.2 分析解釋猜想 指導學生分析兩種猜想中4次分裂的可行性。學生分析：猜想①第二次分裂類似有絲分裂，可行；第一次分裂中，成對染色體是否能均分到子細胞，未知。因此，若猜想①第一次分裂可行，則猜想①可行。猜想②第一次分裂類似有絲分裂，可行；第二次分裂現象屬于“染色體未經復制就要啟動細胞分裂”，不可行。因此，猜想②不可行。

接著為猜想①第一次分裂的可行性求證。①聯系有絲分裂染色體均分的機制：含姐妹染色單體的染色體整齊排列在赤道板上，著絲點分裂，染色體數目加倍，姐妹染色單體分開并均分到兩極，非姐妹染色單體隨機組合。②推測：為了保證染色體不出差錯地均勻分開，同源染色體得排整齊才好均分，即同源染色體要進行聯會配對，且有規則地排列在細胞中央赤道板上。為了減少分離的困難，需要染色質變成短而粗的染色體，就應有四分體出現；隨著紡錘體牽引，聯會的同源染色體分離開，非同源染色體隨機組合后分到細胞兩極；到達細胞兩極后，細胞一分為二，實現了染色體數目的減半。

2.3.3.3 尋找證據 支持猜想 一是減數分裂過程有聯會復合體(SC)存在(圖5)[4]，聯會時SC總是夾在兩條同源染色體之間，說明同源染色體兩兩配對的聯會行為是存在的。二是1891年，科學家描述了形成精子和卵細胞的減數分裂的全過程，說明減數分裂存在同源染色體分離開，非同源染色體隨機組合的過程。

圖5 典型的SC圖解

2.3.3.4 得出結論 減數第一次分裂染色體數目減半、第二次分裂染色體數目不變的推測是正確的。

最后播放減數分裂的動態模擬過程，學生仔細觀察、領會減數分裂的連續動態變化過程，并輔以蝗蟲減數分裂過程的固定裝片供學生觀察。由于減數分裂染色體數目減半和各時期染色體的特殊行為，均是教師引導學生“溯本求源”分析推理和辯駁得出，并得到證據支持的。因此，學生印象深刻、理解到位，推理能力、論證能力及批判性思維能力也得到發展。

由此建議教材增加探索減數分裂機制內容，或提供減數分裂過程嚴格有序、染色體聯會行為等證據資料，更好地發揮教材發展學生理性思維的教育價值。

3 論證式教學的教育價值

生物學事實性知識較多，概念性知識抽象，有些知識間的邏輯聯系不十分緊密。因此，在生物學教學中，有必要創設科學研究情境，開展論證式教學，將核心概念整理成問題，以問題引導思維，激發學生聯系已有知識經驗，進行抽絲剝繭式的分析，提出可能的、合理的猜想，并在同伴和教師的幫助下，從教材、網絡、動手實驗等途徑尋找證據以支持解釋猜想或思路、得出結論，形成正確的生命觀念。幫助學生“以科學家的思維方式或模擬科學家的研究過程”進行學習，在學會生物學知識的同時體驗科學研究方法，逐步養成科學的思維方式。以此促進學生理性思維的發展，充分發揮論證式教學的教育價值。