論證探究式教學在初中生物學課堂中的實踐

蔡國盛

(浙江省臺州市路橋區東方理想學校 臺州 318055)

科學課程標準指出：“探究既是科學學習的目標，又是科學學習的方法。”在這一思想的指導下，課堂上教師組織學生開展科學探究活動已成為一種基本形式。但細心品味會發現很多的探究活動過于強調探究的要素，表面上進行得很順利而且也能得出預想的結論，但學生的思考深度不夠，許多活動流于形式，本質上卻與真實的科學探究相去甚遠。課堂上難以開展真正的科學探究，一方面是由于大部分真實的科學實驗在操作難度和時間效用上很難引入課堂，但更多的是對探究活動設計本身、實驗現象或者所得結論缺少分析論證有關。教師往往將課堂探究活動設計得非常完備或者給予學生過多的幫扶、引導、限制，生怕過程中出現岔子或者得出預想之外的結果，進而影響課堂中知識的達成和探究活動的順利開展。一個非常順利、沒有思維沖突、很快得出結論的探究價值如何？失敗的實驗就不“科學”嗎？這值得我們深思。而科學教育中實施論證探究式教學可以促進學生對科學知識的建構、科學探究的深入開展以及學生思考與解決問題能力的培養[1]。所以在科學課堂上開展論證探究式教學具有非常重要的意義。

1 論證探究式教學課堂實踐模型解讀

論證由主張、證據以及聯系主張和證據的推理構成。科學教育中的論證指使用推理、理論觀點和經驗證據來辯護知識主張的過程，或者是不同個體之間的辯論過程。在科學課堂引入論證探究式教學是指師生之間和生生之間圍繞某一論題，利用實驗活動等科學方法進行收集證據，運用一定的論證方式，判斷、解釋、評價自己及他人的證據與論題之間的相關聯系并以此促進相互間的思維碰撞與共享，進而達成可普遍接受結論的活動過程[2]。

2009年，Sampson等人將論證環節整合到探究過程中并且融合了其他科學中常規的實踐活動，即論證探究式教學模型(argument-driven inquiry， ADI)。ADI教學模型包括八個階段： 即確定任務與問題；設計探究方法，收集數據；分析數據，形成初步論證；論證互動(如有需要，小組可重新收集數據及分析)；明確的反思性討論；撰寫研究報告；雙盲小組同伴評審；修改并上交研究報告[3]。論證探究式教學十分關注學生基于證據的論證，引導學生主動展示證據、闡述觀點，捍衛或批駁某個觀點，是將一種理性交流、積極互動的教學方式結合到課堂探究活動中的教學方式。不過根據實際課題，在教學過程中并不是每一步驟都需要或者都能夠進行。筆者在實踐中發現初中科學課堂探究活動中比較有效也比較適合進行的論證探究式教學模式主要包含六個環節(圖1)。

圖1 論證探究式教學的基本環節

2 論證探究式教學的實踐探索

以初中生物學“植物的莖和物質運輸”導管知識的教學為例。

2.1 教材分析 本節課是浙教版科學八年級下冊第4章“植物與土壤”中第4節內容。教材在植物的輸導功能對應莖里輸導組織的內容上，先讓學生初步觀察椴木枝條進行簡單分層，然后結合模型圖片介紹木質部和韌皮部里分別有導管和篩管進行物質輸導。在最后安排了探究莖中運輸水分無機鹽部位的實驗： 即通過分別對兩根木本植物帶葉的莖除去樹皮、僅保留樹皮處理，然后再與一根正常的莖放入紅墨水。一段時間后通過觀察紅墨水能否輸送以及莖橫切面上紅色的部位證明莖中木質部的導管運輸水分和無機鹽。帶著“尋找莖中哪個部位運輸水分”的任務開展探究看似效果不錯，但是由于讓莖充分吸水耗時長，這個實驗一般由教師提前做好，課堂僅做分析展示。學生的探究活動主要體現在對教材實驗設計解讀和對比觀察實驗結果，最后分析得出結論。不過單憑這個實驗結果就能夠證明“水分和無機鹽在莖木質部的導管中能自下而上向枝端運輸”的結論嗎？透過實驗本身分析發現： 對導管運輸水分功能的探究是由間接的宏觀表象來充當直接證據來證明微觀結構的功能，所以“木質部有導管”+“紅墨水經過木質部運輸”跟“水分通過導管運輸”還不能馬上劃上“=”。而且對于導管的概念及結構認知教材直接給出，也略有知識空降的意味。其實在很多課堂探究性活動上都有類似情況，編者以既有的學術認知和知識體系安排教學活動，從學科的邏輯考量力爭做到活動的合理、高效，但卻對活動的過程設計或者結論的得出沒有給予學生親自論證分析的機會，也缺少必要的分享交流和質疑，這不利于學生認知動力和科學視角的培養以及科學知識的建構。

2.2 學生認知的分析 學生對科學的認知往往基于對現有外部信息的獲取，初中生有很強好奇心、求知欲，渴望眼見為實，相比從教材直接獲取，他們更喜歡通過真實情境引發思考進而進行探究，也喜歡自己的想法得到別人的認同或者發現并指出別人的漏洞。而且經歷了頭腦風暴建構起來的知識會更加有血有肉、更有生命力。論證探究式教學活動就給了學生這樣一個機會去實踐類似科學發生的全過程。初中生對于生物器官具有何種功能是有一定生活經驗和知識基礎的。他們更樂于親自參與科學發現活動的全程。若是照搬教材的這個探究活動，一方面缺少思維的碰撞，另一方面會讓學生產生一種錯覺： 原來科學探究也不過如此。這些都不利于學生科學發展觀的建立和科學素養的真正提升。所以對應這節課的內容，有必要在可能的條件下讓學生主動尋找莖中運輸水分無機鹽的結構并親自設計實驗驗證甚至親自看到導管。學生在此過程中進行必要的論證分析并經歷引發質疑、修正方案重新探究的過程，這樣做能讓學生真正參與到這個過程并且親自得出結論，真正構建出學生自己的知識。

2.3 教法分析 生物學課有關生物的結構認知教學以探究形式開展教學的很少，因為大部分動植物器官看得見摸得著，即便是對于構成器官的各種組織，雖然不好直接觀察但還是可以利用圖片、模型、動畫多媒體技術等輔佐。教學上一貫的做法是向學生直接告知有什么結構再認知對應功能。這樣做在落實知識上沒有任何問題，而且顯得直接明了，也一定程度上體現了生物結構和功能相對應的特點。即便有實驗，課程設置上更多的也是對生物功能方面進行一些探究活動，并且大部分是以驗證性實驗方式進行。這節課對植物莖中導管功能的研究，學生沒親見導管卻依著放大了的導管結構圖和染紅的木質部就說這是導管在工作未免有些武斷，于是筆者設想讓學生親自打開關著“導管”的“黑盒”。把“莖中真的有管道嗎？”“這個管道真的是水的通道嗎？”這兩個直逼莖的輸導功能核心而且遞進的關鍵性問題直接拋給學生，讓學生通過論證設計實驗方案并且在課堂中親眼觀察真正的導管和實證其輸運水的功能。

2.4 教學思路設計 基本思路是先功能后結構： 拿來植物先讓學生思考莖的作用，然后聚焦到莖的運輸功能。由植物一天的耗水量引出莖可以高效輸送水分。真實情境引發問題： 莖中有怎樣的結構實現高效的輸送水分。討論并猜測莖中可能有專門的輸導水分的結構。猜測橫切莖的切面上管道所在部位，并且通過顯微觀測證實或修正對管道口位置的認知。然后，判斷開口是否即為運輸水分的管道口，討論并設計方案進一步驗證水分是否通過看到的管道進行運輸。最后縱切植物莖，尋找并觀察導管的外觀結構，并驗證其功能(圖2)。

圖2 教學思路設計

2.5 課堂教學進程 具體如下：

2.5.1 先功能后結構，真實情景引發問題 教師在上課伊始拿來一棵小型木本植物，討論莖有何作用。學生根據已有認知很快給出植物莖具有支撐和運輸的作用，并進一步分析給出水分、無機鹽以及有機物在主干莖中運輸方向上的特點： 水分帶著無機鹽由根吸收自下而上送達枝葉，葉片光合作用生產的有機物自上而下供給根部需要。引導并聚焦到植物莖運輸的功能，兩類物質在主干莖中運輸方向相反的特點的討論也為后續激發思考莖中存在運輸有機物的專門通道——篩管做鋪墊。然后教師手拿三瓶礦泉水補充道： 科學研究表明，一株玉米一天通過莖要向上輸送三瓶左右的水，若像大樹這樣的植物它的莖一天需要輸送更多的水，這么多的水在莖中高效地運輸，植物的莖需要怎樣的結構才能實現呢？通過真實情境給出科學數據引發核心問題： 莖中有怎樣的結構實現高效地輸送水分?

2.5.2 引出論題，初步觀察 針對莖中有怎樣結構才能高效地運輸水分，有學生馬上想到了莖中可能有管狀的結構。引出論題： 莖中有專門管道運輸水分。接下來教師展示橫切的莖的圖片。詢問學生對于這一猜測的看法。如果有專門管道，在莖的橫切面上我們能看到什么？橫切莖面上可能有小孔的想法跑到了學生的腦海中。然后讓學生嘗試直接肉眼觀察尋找莖橫切面上的小孔。教師繼續追問： 單憑雙眼看不到說明什么？這上面到底有沒有小孔？部分學生搖頭，有學生補充說這是因為個管道太細小了所以肉眼看不見。初步肉眼的觀察肯定看不到導管，但能讓學生進一步猜測導管很細小的特點，后面用顯微鏡觀察橫切的莖顯得很有必要。

2.5.3 搜集證據，設計實驗觀察 教師繼續追問： 如果莖中真的有管道，那么這些管道口分布莖橫切面的哪里？怎么樣才能讓我們觀察到它們？讓學生對導管分布有個預判，帶著問題去觀察。接下來教師現場拿來經過課前精心篩選的、便于觀察的一種木本植物枝條進行徒手切片，組織學生用顯微鏡低倍觀察莖的切片。學生很快看到了大量的小孔，并指出這些孔基本上分布在除了樹皮和中心外的區域。

2.5.4 闡釋觀點、辯論主張,引發進一步的證據搜集根據剛才觀察到的小孔及分布特點，大部分學生認為這些管道即運輸水分的專門通道。這個小孔就是導管口，導管的分布也符合后續的介紹，探究活動到這里看似可以結束了，但是科學嚴謹的探究需要對每一環節進行充分的論證，包括對結論的重新思考。于是教師繼續追問：“有沒有不同意見？你能確定水流經過這些管道嗎？怎么辦？”學生有點犯難，陷入思考。教師提醒： 水是怎樣的一種液體？讓我們觀察起來有點困難。組織學生對結論進行小組討論，不久有學生提出： 水是透明無色的液體，流過了之后很難看出痕跡，所以還不能說剛才看到的小孔對應的管道是水的通道。既然透明無色的水不易觀察，學生很快結合七年級用紅墨水對洋蔥細胞染色的經驗提出了讓植物枝條先吸一會兒紅墨水再拿來切片觀察的方案。引導學生對實驗的初步結論進行論證，引發進一步的證據收集并參與改進實驗方案進行重新實驗，力求探究的科學性、可靠性。于是，這種源于內在思考的論證活動在科學課堂探究中真實地發生著。

2.5.5 獲得結論并進一步觀察導管的結構 通過用紅墨水處理過的枝條進行再一次顯微觀察，學生果然看到了只有小孔及小孔所在的周邊位置被染紅，從而真正證實剛才的猜想。不過對莖中輸水的專門管道的探究活動還沒有真正結束。因為到這里為止學生只見管口不見管身。一種教學處理是給出圖片或模型進行對導管知識的后續教學，不過學生顯然更想親眼看到導管的結構。不過現場切片觀察手中植物莖的導管存在一定困難。但教師在課前制作了大量可用來顯微觀察的莖中導管的切片成品。隨著這些莖切片在學顯微鏡下被學生觀察，一條條帶著螺絲紋路的管狀結構映入學生的眼簾。經過討論，集體展示紅墨水處理過的縱切莖的臨時裝片。面對看到的被紅墨水染紅的螺紋導管，學生一致認為它像人體中運輸血液的血管。此時，他們腦海中導管的形象鮮活了起來。接下來教師簡單補充導管類別等知識，讓在學生腦海中真實而又全面地建構導管的概念。

3 初中科學論證探究式教學的價值淺析

論證過程是科學探究的核心實踐，它貫穿于科學探究的始終[4]。論證探究式是培養和發展學生批判性思維的有效途徑。科學課堂的探究如果有機會讓學生進行論證、解釋的建構和證據評價的過程，從而給學生一個進行相互交流、質疑比較、暴露和修正的平臺，有利于提高學生科學探究、推理和批判思考等能力，也有利于學生對科學核心概念的建構和對科學探究活動的深層理解與學習。

科學課堂進行論證探究式教學其實不一定要還原真實科學實驗的每一步驟，但對一些重要環節進行充分論證，能夠讓學生歷經有理的探究過程，有利于培養科學思維和對科學本質的進一步理解。在教學中，教師要精心選擇論證主題，有效組織論證活動，培養學生的論證能力，促進學生的科學學習。

論證不僅只是對自然現象成因的解釋，它在科學學習上還推動著認知向較高的層級發展[5]。在科學課堂中開展論證探究式教學帶來的價值不僅止于提升學生的論證能力，更有助于學生真正科學核心素養的提高。