基于科學發展史的論證式教學設計研究

黃巍 林松

1問題的提出：科學發展史與論證式教學的關系

1958年，英國哲學家圖爾敏（Toulmin）提出了論證研究的經典模型。20世紀90年代開始，“知識推理”和“論證”被引入課堂，論證式教學應運而生。基于科學發展史的論證式教學能夠讓學生體驗科學探究嚴謹的論證推理方式，學習科學家解決科學問題的思考方式和研究方法，運用生物學事實進行思維，利用實驗證據和邏輯進行論證，是培養學生科學思維能力的有效手段。

2科學發展史論證式教學的課前準備

高中生物中很多知識的形成都經歷了科學家漫長的探索歷程，學生無法通過推理或實驗探究獲得，這就要求教師提供較多事實性資料，通過合理設計問題，引導學生自主建構概念。

2.1掌握學科知識的發展史

科學發展史的論證式教學設計，無論是以新的理論發現和概念構建過程作為論證的主題，還是將科學發展歷程中的實驗證據、演繹推理過程等作為教學的素材，都要求教師準確、全面掌握相關科學史內容。

2.1.1獲取科學研究的原始資料

科學研究的原始資料包括科學家發表的原始論文、手稿、實驗儀器設備、實驗數據、照片等。原始資料可以確保教學內容的真實可靠，讓學生在重溫科學家的研究歷程中，更深入地理解學科知識的發展起源和過程。

2.1.2關注科學研究的發展歷程

科學理論的發展歷程是新的實驗證據不斷累積的過程，是科學家不同觀點之間不斷質疑、推理和論證的過程。例如，在探究光合作用產生氧氣來源的歷程中，從范·尼爾提出設想，到希爾實驗的部分印證，再到魯賓、卡門的同位素示蹤實驗，才最終證明氧氣全部來自于水。因此，教師在收集素材時不能只重視研究結果，更應關注知識形成的過程。

2.2建構論證式教學的模型

以圖爾敏的經典論證模型為基礎，建構基于科學發展史的論證式教學模型（圖1）。該模型的第一階段是“創設問題情境”，教師根據學生的前概念創設情境，在引發學生認知沖突的基礎上，促進學生發現并提出問題。第二階段是“分析資料一提出主張”，學生根據教師提供的科學史素材提出主張，即對問題的猜想、解釋或假設。第三階段是“分析證據一質疑辯駁一修正主張一得出結論”，學生通過小組合作學習的形式，分析科學家的研究過程和結果，以此為論據對之前提出的主張進行論證，在質疑、辯駁的過程中修正主張，還可以依據新的事實和證據反復修正，得出結論。

2.3基于論證的問題設計

論證式教學需要學生積極參與思考、探究和論證。教師應設計高質量的問題，讓學生在解決問題時實現知識的自主建構，提升科學思維能力。教師在設計問題時，要注意：①教師可圍繞科學研究的核心思想、關鍵步驟和價值意義等進行設計問題，問題要有一定的挑戰性。②教師應基于提供給學生的科學史資料，提出問題，讓學生在問題的引發下，從資料中獲取證據對主張進行評估、辯駁、修正和完善。③在科學研究過程中，一個問題的解決不是研究的終結，往往還伴隨著新問題的產生。因此，問題應有遞進性，能引導學生持續、深入地探究，保持學習的動力與興趣。④對同樣的現象或研究結果，不同的科學家會有不同的解讀。問題應能引發學生不同的見解，促進學生在爭論中完成對知識的建構。⑤提出的問題應能引發學生思考，在思考的基礎上產生疑問，進而提出問題，培養批判性思維和創新精神。

3“光合作用的探究歷程”的論證式教學設計

“光合作用的探究歷程”一節課，闡述了科學家探索光合作用過程和本質的漫長歷程，筆者圍繞三個核心概念創設問題情境，引導學生基于教師提供的事實和證據，運用科學論證推理的方法，分析和體驗科學家對光合作用的探索歷程，讓學生逐步自主建構概念，從而突破教學難點。

3.1“光反應和暗反應的發現”的論證式教學具體步驟

3.1.1創設問題情境

教師提出問題：光合作用一定要在光照下進行嗎？

3.1.2分析資料，提出主張

教師提供資料1：1771年，普利斯特利證實“植物能夠更新空氣”。1779年，英格豪斯發現：只有在光照下“植物更新空氣”才能成功。

學生分組討論，提出主張：光合作用需要光照。

3.1.3分析證據，修正主張

教師提供資料2：20世紀初，布萊克曼研究了多因素對光合作用的影響。他發現，光照強度較低時，光合作用的主要限制因素是“光照強度”，而在較高光照強度下，則為“溫度”和“CO2濃度”。

學生分組討論，在教師的引導下，通過質疑和辯駁，發現：如果光合作用反應的全過程都需要光照，則在不同光照強度下，光照強度應該都是光合作用的主要限制因素。但在較高的光照強度下，光照強度的增強并不能使光合作用速率進一步提高，主要限制因素變為溫度和CO2濃度。學生從而修正主張：光合作用可能存在需要光和不需要光的兩個反應階段。

3.1.4分析證據，驗證主張，得出結論

教師提供資料3：德國科學家瓦伯格用小球藻進行閃光試驗，每組處理總時長均為135s。A組先光照后黑暗，時間各67.5s;B組先光照后黑暗，光暗交替處理，時間各7.5s;C組先光照后黑暗，光暗交替處理，時間各3.75s：D組光照時間為135s。四組的光合作用產物的相對含量分別為50%、70%、94%、100%。并提出問題，促進學生思考：①同樣光照時間內，哪組植物合成的有機物最多？②單位光照時間內，為何光暗交替的C組比一直光照的D組光合作用的產物更多？③A、B、c三組結果比較，光照交替的頻率越高，產物越多，這說明什么？

學生分析資料，討論后發現：單位光照時間內，光暗交替的C組比一直光照的D組所產生的光合作用的產物更多，說明植物在黑暗時仍能進行光合作用，這意味著光合作用反應中確實存在需要光和不需要光的兩個反應階段，即“光反應”和“暗反應”。光照交替的頻率越高，產物越多，說明當失去光照的支持時，光合作用不能維持太長時間，說明兩個反應之間存在聯系，暗反應的進行需要光反應為其提供支持。

3.1.5得出結論

學生根據分析瓦伯格的實驗結果，得出結論：光合作用存在“光反應”和“暗反應”不同階段。

3.2“探究光合作用產物中氧氣來源”的論證式教學具體步驟

3.2.1創設問題情境

教師提出問題：光合作用的反應物中H2O和CO2均含有O，產物中的O2來源是H2O，還是CO2？或者二者兼有？

3.2.2分析資料，提出主張

教師提供資料1：因為氣體間更易轉化，19世紀末的科學家普遍認為，CO2在光的作用下被分解為CO和O2。

學生分析資料，提出主張：O2來自于同為氣體的CO2。

3.2.3分析證據，修正主張

教師提供資料2：范·尼爾通過實驗得出紫硫細菌合成有機物的反應式，從氧化還原的角度出發，與高等植物的光合作用進行比較研究。

根據資料，教師提出問題：①紫硫細菌的這個反應是光合作用嗎？為什么？②兩個反應式有什么異同點？③比較研究的結果，對探究氧氣來源有何啟示？

教師引導學生分析資料，進行質疑和辯駁。有的學生認為“紫硫細菌的這個反應是光合作用，因為利用光能將CO2合成有機物”;有的學生認為“該反應不是光合作用，因為沒有產生O2”。教師引導學生進一步進行比較，發現：兩個反應都利用光能將CO2合成有機物，但高等植物和紫硫細菌反應產物中分別有O2和S，紫硫細菌反應產物中的S明顯來自H2S，通過類比推理，可以推測光合作用產生的O2來自于H2O，而非CO2。學生修正主張：O2可能來自于H2O。

3.2.4分析證據，驗證主張

教師提供資料3：英國化學家希爾在一個密閉的裝置中加入離體葉綠體的懸浮液和高鐵鹽，并進行抽真空處理，在光照下，該實驗裝置中產生了O2。并提出問題：①希爾的實驗結果可以得出什么結論？②該實驗中沒有產生糖，若通入CO2后重復實驗，就可以產生糖，說明什么？③希爾實驗是否能夠證明O2只來自H2O7

學生分析資料，通過質疑和辯駁，發現：①在抽真空處理后，裝置中沒有CO2，在光照下能產生O2，說明光合作用產生的O2來自于H2O;②希爾實驗中水光解產生O2和利用CO2產生糖應該是兩個不同的過程，再一次為光合作用存在著需要光的光反應階段和不需要光的暗反應階段提供了有力證據;③該實驗只能證明O2有來自H2O，但是O2可能也來源于CO2。教師引導學生繼續思考：什么方法可以更加直接地證明氧氣的來源？請學生閱讀并分析以下資料。

教師提供資料4：美國科學家魯賓、卡門利用3組含有不同比例同位素¹⁸O的水和碳酸氫鹽分別培養小球藻，光照相同時間后，檢測產生的氧氣中含¹⁸O的比率與水中含¹⁸O的比例基本相同。

學生分析資料，根據魯賓、卡門的實驗結果，驗證主張：O2全部來源于H2O。

3.2.5得出結論

學生得出結論：在關于氧氣來源的探究歷程中，科學家們綜合運用了生物學、物理學和化學的研究方法、成果，通過實驗證據累積，證明了光合作用產生的氧氣全部來自于水。

教學流程歸納為如圖3所示。

3.3“探究碳同化途徑”的論證式教學具體步驟

3.3.1創設問題情境

教師提出問題：1785年科學家明確光合作用吸收CO2，1864年薩克斯證明光合作用產物中有淀粉。那么，CO2是如何轉化為有機物的？

3.3.2分析資料，提出主張

教師提供資料1：卡爾文將培養出來的多組小球藻置于密閉容器中，注入¹⁴CO2，每隔一段時間（如0.5s、5s、30s），將小球藻浸入熱乙醇中殺死并提取研磨液，分離、鑒定其中全部含¹⁴C的標記物。同化時間設定5s時C3（三碳化合物）、C5（五碳化合物）和葡萄糖穩定地顯現，把時間縮N o.5s時，C3是第一個顯現的穩定產物。

學生分組討論、分析，發現：“同化時間越長，能檢測到含“C的穩定產物就越多，新出現的產物應該是光合作用反應中較晚產生的物質，由此就可以確定含¹⁴C有機物出現的時間順序。C3是第一個顯現的穩定產物，因此C3是光合作用反應中由CO2轉化形成的第一種物質。從而提出主張：CO2→C3→C5;CO2→C3→（CH2O）。

3.3.3分析證據，修正主張

4總結：基于科學發展史的論證式教學的教育價值

培養學生的生物學學科核心素養是生物學教學的重要目標。讓學生學會在真實情境中發現和提出問題，并運用所學知識分析、解決問題，是落實學科核心素養的重要途徑?？茖W發展史呈現了知識形成的完整過程，蘊含著豐富的學科思維，是真實情境的重要來源。

新的科學理論的建立往往是在原有理論（觀念）與新信息（證據）之間引發的認知沖突中，經過質疑、推理和論證等認知過程形成的。論證式教學將科學理論建立過程的論證活動遷移到課堂中，相對于傳統教學模式中教師的直接講授，論證式教學更加注重讓學生在依據事實和證據對原有理論（觀念）進行辯駁、修正的過程中自主構建核心概念，讓學習知識和提升思維有機融合，能夠有效提升學生的科學思維能力。