圖爾敏論證模型在生物學概念教學中的實踐研究

（安徽省合肥市第一中學 安徽合肥 230061）

在教學實踐中，教師發現很多學生缺乏將證據和理論聯系的能力，常表現忽視證據、不會應用證據、主觀臆斷等現象，并將此類現象歸因為粗心，其本質是在于重實證思維習慣的缺乏。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》將科學思維定義為尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。科學思維的形成并非與生俱來，而論證是培養科學思維的重要途徑之一。論證是指由斷定一個或一些判斷的真實性，進而斷定另一個判斷的真實性。依靠推理能得出符合邏輯的判斷，但不能保證它符合客觀實際。而通過論證則要求判斷是真實的，因此論證是重實證、合邏輯的思維形式，在科學思維的培養過程中有著不可替代的作用。

1 圖爾敏論證模式

英國邏輯學家圖爾敏（Toulmin）提出的論證模型由6個元素組成（圖1）：資料、主張和根據3個基本元素；限定、反駁和支持3個補充元素（可選用元素）。

圖1 圖爾敏論證模型

①資料是指可以作為接受論證的起始基礎和證據。②根據是連接主張和資料之間的橋梁，說明如何由資料推理得到主張。③主張是對問題所發表的見解或看法，也可以表示論證的結論。④限定表示什么情境下才能使得主張成立。⑤反駁是指阻止從資料得出主張的因素。⑥支持是指用于證明的權威資源，可以包括某些法則、條文、原理、理論或定律公式等，是眾人能接受的通則，用以證明提出的理由［2］。

2 基于圖爾敏論證模型的生物膜系統概念教學

2.1 生物膜系統概念教學的論證模型

生物膜系統概念教學的論證模型如圖2所示。

2.2 生物膜系統概念的教學實踐

2.2.1 資料

教師展示分泌蛋白合成和運輸動畫視頻，并分析其過程。

2.2.2 根據

教師引導學生思考：內質網、高爾基體和細胞膜共同配合完成分泌蛋白的加工和運輸，體現了三者在功能上的緊密聯系。為什么囊泡膜能夠與高爾基體膜、細胞膜融合并成為其中一部分？

教師由此說明膜成分和結構相似，否則無法實現囊泡和膜的融合，進而促進學生理解內質網、高爾基體和細胞膜在結構上的間接聯系。對于學習膜結構上的直接聯系，教師通過展示“內質網膜與細胞膜核膜的聯系圖”即可完成。

2.2.3 主張

學生歸納得出：細胞中的細胞器膜、細胞膜、核膜等結構共同構成了生物膜系統。

由于歸納推理具有或然性，前提和結論之間不具備邏輯必然，很多學生在同化概念過程中存在困難。例如，面對“核膜是否具有流動性的判斷”“內質網膜結構的分析”等問題時，不能正確作答，原因在于沒有真正理解生物膜系統之間的內在聯系。因此，教師需要進一步促進學生順應概念，即為主張提供必要支持。

2.2.4 支持

教師展示資料，創設情境，提出問題，引導學生思考：

（1）細胞內的很多酶通過附著在膜結構上起催化作用，這種附著有何意義？為何膜上固定是酶而不是反應物？學生討論作答：酶能夠重復利用，同時使反應場所相對固定。教師也可以類比固定化酶技術促進理解。因此，“許多重要的化學反應都在生物膜上進行，這些化學反應需要酶的參與，廣闊的膜面積為多種酶提供了大量的附著位點”。

（2）細胞內很多重要的化學反應通常連接成串，一個反應的產物成為下一個反應的原料，一種酶只能催化一個特定的化學反應，圖3表示一組酶依次發揮作用，將物質A轉變為F，形成一條代謝途徑。酶附著在膜上，除了固定的作用外，對細胞內眾多連續進行的化學反應有何意義？

圖3 某種物質的代謝途徑

（3）展示細胞代謝網絡圖——細胞內的化學反應眾多，各種物質在不同反應之間彼此聯系形成復雜的代謝網絡。那么，細胞是怎樣避免反應之間的相互干擾呢？

2.2.5 主張

學生思考、討論后，得出：細胞中的細胞器膜、細胞膜、核膜等結構共同構成了生物膜系統。這些生物膜的組成成分和結構很相似，生物膜系統使細胞內各種結構協調配合，保證了細胞內生命活動高效而有序地進行。

3 基于圖爾敏論證模型的減數分裂概念教學

3.1 減數分裂概念教學的論證模型

減數分裂概念教學的論證模型如圖4所示。

圖4 減數分裂概念教學的論證模型

3.2 減數分裂概念的教學實踐

教師展示唐氏綜合征患者的相關材料，明確染色體的穩定對于維持物種穩定性的重要意義。并引導學生思考：生物體是如何維持親子代染色體的穩定呢？以草履蟲分裂生殖為例，分析有絲分裂在無性生殖過程中維持親子代遺傳性狀穩定的作用。有性生殖過程如何實現染色體的穩定？

3.2.1 資料

教師展示資料，引導學生分析：

（1）Weismann的預測——在卵細胞和精子成熟的過程中，必然有一個特殊的過程使染色體數目減少一半；受精時，精子與卵細胞融合，恢復正常的染色體數目。

（2）1883年，科學家用體細胞中只有2對染色體的馬蛔蟲作為材料進行研究，發現馬蛔蟲精子和卵細胞中的染色體數目都只有體細胞的一半，而在受精卵中又恢復成2對。該實驗證實了Weismann的預測，人們把這個染色體數目減半的特殊過程稱為減數分裂。

3.2.2 根據1

教師設置問題情境，激發學生產生認知沖突：要實現染色體數目減半，細胞分裂幾次?分裂前染色體發生復制么?學生提出假說：①染色體不復制，細胞直接分裂1次；②染色體復制1次，細胞連續分裂2次。學生討論：假說①中，染色體不復制，細胞直接分裂，能夠快速產生配子。假說②中，根據細胞增殖的規律，細胞分裂之前需要進行物質準備，必然需要進行染色體復制。

3.2.3 支持1

教師展示資料：Poweel在1887年首次觀察到了馬蛔蟲減數分裂的過程，發現馬蛔蟲的一個原始生殖細胞經過減數分裂后產生4個細胞。由此可見，細胞一定是分裂了2次，即假說②正確。

3.2.4 根據2

教師引導學生思考：減數分裂過程中染色體只復制1次，而細胞卻連續分裂2次，兩次分裂過程中，如何實現染色體精確的分配呢？姐妹染色單體只能分一次，還有一次分什么？并展示果蠅體細胞染色體組成圖，將其中的染色體組成編號為AA′BB′CC′DD′（圖5）所示，引導學生探究同源染色體分離。

圖5 果蠅體細胞染色體組成

學生探究后，提出實現染色體數目減半的兩種不同方案：①ABCD+A′B′C′D（′子細胞中染色體形態不同）；②AA′BB′+CC′DD（′子細胞中有形態相同染色體）。學生討論回答：如果是方案②，產生的生殖細胞中可能會丟掉一些種類的染色體，不利于遺傳性狀的維持。并展示果蠅配子染色體組成圖，支持方案②。

由此，學生歸納：減數分裂過程中發生一次與有絲分裂不同的染色體分離，這種在減數分裂過程中能夠分離的染色體，稱為同源染色體。教師進而引出同源染色體的概念教學，具體教學策略與本文主題無直接關聯，不再贅述。

3.2.5 支持2

教師展示減數分裂同源染色體特殊行為的科學史材料：

（1）1901年，Montgonery在研究同一植物的有絲分裂和減數分裂過程時發現，有一個物種，2N=14，染色體間大小差異很大，在減數分裂中期只能看到7條染色體。減少的一半染色體到哪里去了？因為此時細胞并沒有一分為二，推測染色體必然發生了相互配對。如果配對發生在父方或母方染色體內部，不僅配對的染色體大小不合適，且配對完成后剩下一條不能成對，與觀察的結果不符。因此配對的染色體中，必然一條來自父方，一條來自母方。這種同源染色體兩兩配對的現象叫做聯會。

（2）1903年，Sutton提出，在減數分裂后期同源染色體會隨機分離。如果分離是按照特定規律進行，即父方染色體分向一極而母本的染色體在另一極，則會大大減少后代的種類數。后來科學家研究發現雄蝗蟲（2n=23，XO型）減數第一次分裂結束后，產生2類細胞，一類細胞含有X染色體，一類細胞不含性染色體。1913年，Eleanor Carothers發現雄蝗蟲（2n=23，XO型）常染色體中有一對特殊的同源染色體，其大小不等，她統計了300多個細胞，X染色體與那對大小相異的同源染色體的組合，接近1∶1。因此，得出同源染色體的隨機分離導致非同源染色體的自由組合。

3.2.6 主張

教師引導學生分析科學史資料，使學生明確了同源染色體的分離過程，進而加深學生對特殊分裂方式的理解。最終，學生自主建構減數分裂的概念：有性生殖過程中染色體數目減半的特殊分裂方式，染色體復制一次，細胞連續分裂2次。

3.3 教學反思

教師引導學生以事實和證據作為思維的起點，摒棄主觀臆斷，是科學思維培養的重要內容。圖爾敏的論證模型在多個環節都需要充分使用證據，再通過科學的思維方法得出合理結論，因此在科學思維培養過程中有著重要的實踐價值。