基于科學論證的概念教學策略
——以“染色體變異”為例

崔連新

（四川省成都市石室中學 四川成都 610041）

科學家通過科學論證的研究方法，不斷尋找科學事實和依據，應用多種思維方法不斷論證，嘗試闡釋生命現象和生命規律，構建了科學的知識體系。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）倡導學生基于生物學事實和證據，運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學議題。因此，在生物學概念教學中使用科學論證符合《課程標準》的要求，有助于提升學生科學思維和生物學素養。

1 科學論證模型

1.1 圖爾敏的論證模型（TAP）

科學論證在科學發展中發揮著重要作用。教師必須將科學論證融入到學科教育中，讓學生有機會參與到科學論證中。為了實現科學論證的教育價值，教育工作者設計了諸多的教學模式。目前在中學教育中，以圖爾敏論證模式（TAP）應用最為廣泛，該模式包括6個要素：主張或聲明、資料和數據、理由或依據、支持、反駁和反例。該模式可簡化為：首先分析資料得出主張，然后提供論據支持主張，再根據新的論據進行質疑和反駁，最后完善或認可主張。

1.2 基于TAP的“染色體變異”論證模型

“染色體變異”是人教版高中生物學《必修2·遺傳與進化》第五章第二節的內容。學生學習了“基因突變”和“基因重組”，已經從分子水平上認識了可遺傳變異的原理。并且，學生掌握了有絲分裂與減數分裂有關染色體行為的知識，為理解染色體變異奠定了細胞學基礎。但本節內容涉及的生物學概念多且抽象，如“染色體組”是建構“單倍體”“二倍體”“多倍體”的支點。為了突破“染色體組”這個教學重點，教師引導學生建構果蠅減數分裂形成配子過程的模型，總結配子中的染色體組成，并結合蜜蜂孤雌生殖的資料，建構“染色體組”的概念。為了使學生區別“交叉互換”與“易位”這兩個容易混淆的概念，教師利用模型模擬“交叉互換”的活動，使學生猜測并利用模型演繹斷裂后的染色體片段還可能存在多種異常拼接的類型。在學生活動完成后，教師提供發展史資料給予驗證，實現了概念的深度學習。這樣有助于提升學生的思維品質。“猜想-論證”的概念學習模式有助于實現概念的深度建構。基于TAP理論，設計了“染色體變異”的論證模型如圖1所示。

圖1 基于TAP的“染色體變異”的論證模型

2 基于科學論證模型的概念教學策略

2.1 設置情境提問題，分析討論引主題

對于“染色體數目變異”的論證主題的引出，教師提供無子西瓜和正常西瓜的圖片并設置問題：①正常西瓜與無子西瓜有什么區別？②正常西瓜有子的原理是什么？③無子西瓜無子的原因是什么？教師引導學生結合減數分裂過程中染色體行為的變化，從精子或卵細胞的形成的角度進行分析。學生分析討論找出原因后，提出了“在形成配子的過程中染色體的數目會發生改變”的論證主題。在減數分裂形成配子的過程中，基于四分體中的非姐妹染色體之間經常發生“交叉互換”的生物學事實，教師提供科學家的發現資料：在外因或者是內因的作用下，染色體可能發生斷裂，斷裂后的染色體具有重新拼接的能力。基于事實，結合資料，學生可以得出“斷裂后的染色體片段可出現異常拼接，造成染色體結構的改變”的論證主題。

2.2 模型演繹推猜測，驗證猜測得主張

教師提供果蠅的染色體模型，組織學生在KT版上模擬減數分裂形成配子的過程，結果如圖2所示。學生分析后可以歸納出染色體復制后的平均分配是染色體數目保證穩定的基礎。

圖2 果蠅“減數分裂”形成配子的模型

如果在分裂過程中，染色體異常分配，就可能導致子細胞中染色體數目異常。對于可能的異常情況，教師組織學生繼續利用模型，演繹染色體異常的配子的形成過程，學生建構得到部分模型如圖3所示。模型建構后，教師提供果蠅性染色異常的資料和蜂王減數分裂形成卵細胞的資料。基于模型和資料，學生可以形成主張：染色體的數目變異包括“染色體的非整倍性變異”和“染色體的整倍性變異”。“染色體的非整倍性變異”即“細胞內個別染色體的增加或減少”，如染色體出現“三體”和“缺體”的現象。學生模型建構配子中染色體的組成，并結合蜜蜂的孤雌生殖資料，可以建構出染色體組的概念，“以染色體組為基礎成倍的增加或減少”，即為“染色體的整倍性變異”。

圖3 果蠅“減數分裂”染色體異常分配的模型

在減數分裂形成配子的過程中，染色體會出現斷裂，斷裂后的染色體片段會重新拼接，學生基于模型可演繹出染色體異常拼接的多種類型，如圖4所示。教師提供染色體變異中“缺失”“重復”“倒位”和“易位”的發現史料來供學生驗證自己的猜測。學生基于證據可得出主張：染色體結構改變引起的變異稱為染色體的結構變異，染色體包括“缺失”“重復”“倒位”“易位”4種類型。

圖4 斷裂后的染色體片段可能的拼接類型

2.3 基于主張去質疑，批判主張再完善

基于主張，教師設置問題引導學生批判性思考：①舉例說明染色體變異對生物性狀造成的影響有哪些。②染色體變異影響生物性狀的機理是什么？③染色體變異對生物性狀的影響都是不利的嗎？④能否舉出染色體變異對生物具有積極影響的例子？學生結合教材，可以得出：染色體變異可以通過影響基因的數目或排列順序對生物的性狀造成影響。并通過分析案例，發現染色體變異對生物的影響都是不利的，甚至會造成生物體的死亡。對于③的質疑，學生無法證明，此時教師提供性染色體（X染色體和Y染色體）的資料：X染色體和Y染色體的非同源區的形成與染色體的結構變異有關。學生分析論證后，得出：性染色體的出現是性別分化的基礎，性別的出現在進化上具有重要意義。對于“染色體數目變異”，教師提供三倍體無子西瓜的培育過程和六倍體小麥的形成過程的資料。學生論證得出：染色體數目變異在物種形成和農業生產上也具有積極的影響。并在質疑論證的基礎上，完善主張：大多數染色體變異對生物體是不利的，有的甚至會導致生物體的死亡。但是，染色體變異也具有積極的影響，在生物的進化中發揮著重要作用。

2.4 認可主張得結論，基于論證構體系

學生基于論證主題的論證過程，也是對生物概念的深度建構的過程，本節內容學生基于“染色體變異”為主題的論證過程所建構的生物學概念體系如圖5所示。學生演繹果蠅減數分裂形成配子的正常過程與異常過程，建構了“染色體數目變異”的類型和“染色體組”“單倍體”“二倍體”“多倍體”等生物學概念；在“染色體結構變異”的論證中，學生演繹了多種異常拼接的可能，包括“缺失”“重復”“倒位”“易位”等4種主要的類型。通過生物學事實、資料等論據，學生形成了“染色體結構和數目變異都可能導致生物性狀的改變甚至是死亡”的結論。

圖5 “染色體變異”的概念體系

3 總結和反思

高中生物學具有事實性知識多、概念性知識較抽象、知識之間的邏輯性不緊密等特點。因此，在概念建構中教師創設問題情景，引導學生開展科學論證，引導學生基于問題提出猜想，提供資料供學生驗證主張，并引導學生對主張進一步的反駁和批判來完善主張，得出結論。學生在論證的過程中厘清了概念之間的聯系，實現了對概念的深度學習，培養了科學思維，提升了生物學學科核心素養。