論證探究式教學模型的實踐應用——以“水分子出入細胞的方式”為例

潘維玲 虞 馳

（寧波市第四中學 浙江寧波 315016）

2008年，Sampson等人將論證整合到學生探究過程中，提出論證探究式教學模型。該模型在美國廣泛被運用，幫助學生提高科學素養(yǎng)和科學讀寫技能。近年來，國內研究者對該模型的關注度增加，但鮮于在教學設計和實踐中運用。其基本過程為：教師創(chuàng)設情境，布置任務，學生通過觀察提出假設，設計并實施探究實驗，在分析、討論實驗結果的過程中，提出主張并構建論證過程，再通過分析教師提供的事實性資料，評價論證過程并加以修正，從而完善主張，進一步得出相關生物學概念和規(guī)律。將論證探究式教學模型融入到高中生物教學中，打破了傳統(tǒng)的探究實驗教學模式，符合高中生的認知發(fā)展模式，有利于學生提升科學探究和科學思維核心素養(yǎng)。現(xiàn)以“水分子出入細胞的方式”為例，分析如何將該模型應用于生物學教學。

1 教學準備

學生5人一組，選定組長并進行組內分工；探究實驗設計表的準備。

教師準備：豬的新鮮紅細胞液、蒸餾水、顯微鏡（可投屏）、載玻片、蓋玻片、吸水紙、滴管；新鮮黃瓜、刀片、蔗糖顆粒、培養(yǎng)皿；玻璃紙（作為半透膜使用，每組至少3張）、漏斗、燒杯、塑料繩；紫色的洋蔥鱗片葉、刀片、鑷子、滴管、載玻片、蓋玻片、吸水紙，顯微鏡；質量濃度為0.3 g/mL的蔗糖溶液、蒸餾水。

2 教學環(huán)節(jié)

2.1 學習水進出動物細胞的原理

教師演示實驗，創(chuàng)設教學情境：將新鮮黃瓜切片放置于培養(yǎng)皿中，在黃瓜片上撒上適量蔗糖顆粒，放置一段時間，同時設置空白對照組。制作豬的新鮮紅細胞臨時裝片，置于顯微鏡下觀察，并投屏展示正常紅細胞形態(tài)；一側滴加蒸餾水，引流使細胞浸潤在蒸餾水中，同時介紹引流操作。請描述兩組演示實驗的實驗結果，并嘗試說出出現(xiàn)此實驗現(xiàn)象的原因。

學生描述實驗結果，并猜測：兩種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能和水分子出入細胞有關。

教師提出問題：請根據(jù)兩組實驗結果分析，水分子出入細胞的方向如何？并說出理由。

學生分小組討論，以演示實驗現(xiàn)象作為證據(jù)，進行推論，提出水分子出入細胞方式的實驗假設，如圖1所示。

圖1 學生根據(jù)演示實驗現(xiàn)象提出假設

教師介紹實驗材料：水分子可以自由透過玻璃紙，而蔗糖分子則不能。像這種只允許離子和小分子物質通過，而生物大分子物質不能自由通過的膜，稱之為半透膜，細胞膜也是一種半透膜。所以，可以利用玻璃紙來模擬細胞膜。并布置任務：請根據(jù)所給材料，小組討論，自主設計探究實驗，填寫探究實驗設計表（表1），討論實驗的科學性及可行性，并進行實施，對結果進行交流和討論，以驗證假設是否正確。

表1 探究實驗設計表

學習小組利用所給的實驗材料，設計并實施模擬探究實驗，模擬水分子出入細胞，并對結果進行交流和討論，以探究實驗的結果（漏斗中的液面變化）作為證據(jù)，進行推論，形成主張。然后，在教師的質疑下（等滲狀態(tài)下，水分子依舊在進行運動，方向如何；漏斗中液面上升到一定高度時，不再上升），進行補充實驗，獲取新的證據(jù)和推論，最終完善主張。圖2所示為某一小組構建的論證過程。通過探究和論證，學生明確了不同溶液環(huán)境中，水分子進出細胞的方向。

圖2 某學生小組關于探究水分子進出動物細胞方式的論證構建過程

教師小結：物質從高濃度處向低濃度處運動的現(xiàn)象稱為擴散，不少物質就是通過簡單的擴散作用進出細胞的。水分子透過膜的擴散，稱為滲透作用。如果半透膜兩側存在濃度差，滲透的方向就是水分子從水的相對含量高的一側向相對含量低的一側滲透。真實狀態(tài)下，細胞發(fā)生吸水、失水時，其形態(tài)會發(fā)生什么變化呢？請閱讀書本插圖4-1，觀察動物細胞在不同溶液環(huán)境中的形態(tài)變化。

學生閱讀書本，加深對水進出動物細胞的現(xiàn)象和原理的理解，明確動物細胞吸水、失水和等滲狀態(tài)下的形態(tài)。

2.2 學習水進出植物細胞的原理

教師引導學生思考：植物細胞發(fā)生吸水、失水時，細胞形態(tài)又有怎樣變化？請對比動物細胞在不同溶液環(huán)境中的形態(tài)變化，提出假設。

學習小組討論，以動物細胞吸水、失水和等滲狀態(tài)下的形態(tài)為證據(jù)，進行類比、推論，提出水分子出入植物細胞原理的實驗假設，如圖3所示。

圖3 學生提出水分子出入植物細胞原理的假設

教師介紹實驗材料：洋蔥外表皮細胞中有紫色的大液泡，有利于在顯微鏡下觀察其細胞形態(tài)及變化。并布置任務：請根據(jù)所給材料，小組討論，自主設計探究實驗，填寫探究實驗設計表（表1），討論實驗的科學性及可行性，并進行實施，對結果進行交流和討論，以驗證假設是否正確。

學習小組設計并實施探究實驗，對結果進行交流和討論，以探究實驗結果（洋蔥外表皮細胞的形態(tài)、顏色變化）為證據(jù)，進行推論，形成主張，根據(jù)實驗證據(jù)（向內收縮且顏色加深的紫色部分是什么；細胞浸潤在清水中沒有像動物細胞一樣脹破），進一步對主張進行質疑，根據(jù)已學習的理論知識（植物細胞膜具有一定的流動性，而細胞壁是全透性的，伸縮性較小，且有支持作用）獲取新證據(jù)，最終修正并完善主張。圖4所示為某一小組構建的論證過程。通過探究和論證，學生明確了植物細胞吸水和失水時的形態(tài)變化。

圖4 某學生小組關于探究植物細胞吸水和失水的論證構建過程

教師小結，并提出問題，引導學生思考：成熟的植物細胞內的液體環(huán)境主要是指液泡中的細胞液。細胞膜、液泡膜以及兩層膜之間的細胞質稱為原生質層。可否將原生質層看作一層半透膜？為什么？水分子是否也通過滲透作用進出植物細胞？原生質層的收縮性與細胞壁的相比，有什么區(qū)別？

學習小組討論后，回答：原生質層可以看作一層半透膜。因為細胞膜和液泡膜均具有選擇透性。水分子出入植物細胞穿過有選擇透性的原生質層，所以這種方式也是滲透作用。由于細胞膜和液泡膜都具有流動性，所以原生質層的伸縮性比細胞壁大。

教師小結：當洋蔥細胞浸潤在蔗糖溶液中時，植物細胞失水，原生質層與細胞壁逐漸分離開來的現(xiàn)象，稱為質壁分離。當細胞再次置于清水中，整個原生質層就會慢慢地恢復成原來的狀態(tài)，稱為質壁分離的復原。

2.3 學習水通道蛋白

教師提出問題，：水分子作為極性分子，進出細胞是否只是靠濃度差推動的滲透呢？請?zhí)岢鲋鲝垼㈤喿x書本生物科學史話——人類對通道蛋白的探索歷程，從中尋找證據(jù)，支持、完善主張。

學習小組提出主張，閱讀書本生物科學史話，完善主張。圖5所示是某一小組構建的論證過程。通過搜證和論證，學生明確了水分子出入細胞的方式。

圖5 某學生小組關于水分子出入細胞方式的論證過程

教師小結：鑲嵌在膜上的一些特殊蛋白質能夠協(xié)助有些離子和小分子有機物順濃度梯度進出細胞，這些蛋白質稱為轉運蛋白。水通道蛋白就是一種轉運蛋白。這種借助膜上的轉運蛋白進出細胞的物質擴散方式，叫作協(xié)助擴散，也叫易化擴散。在本節(jié)課中，通過探究實驗和材料分析可知，水不僅可以通過滲透作用進出細胞，還可以通過協(xié)助擴散進出細胞。

3 教學反思

教師通過兩組演示實驗，創(chuàng)設情境，促使學生圍繞“探究動、植物細胞失水、吸水現(xiàn)象”的主題，進入“觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流和討論”的科學探究模式。學生在“提出假設”和“對結果的交流和討論”的環(huán)節(jié)中，完成“提出主張、搜證、質疑、搜證、完善主張”的論證過程，實現(xiàn)論證探究式教學模型的應用，通過小組合作交流，認識滲透作用，形成結構與功能相適應的觀念，掌握科學探究的基本思路和方法，綜合提升了科學思維和科學探究核心素養(yǎng)。學生分析生物科學史，補充學習水通道蛋白的知識，自主構建知識結構。