科學解釋的“演繹-規律模型”在科學思維能力提升中的應用
——以“有絲分裂”教學為例

王景花

（江蘇省華羅庚中學 江蘇常州 213200）

生命科學不僅是一個結論豐富的知識體系，也包涵了人類認識自然現象特有的思維方式和探究歷程，是基于正常研究邏輯進行問題解決的過程。因此，對于生命科學等學科的課教學自然強調對科學事實的理解和應用所學知識解決實際問題的過程。一堂有質量的生物課應該從學生發現問題，提出學科主張到努力尋求證據來表達和論證主張，最終達到對學科概念內涵的深度理解和創新應用。下面從科學解釋常用的一種“演繹-規律模型”對“有絲分裂”一課教學進行科學解釋，展示提升學生科學思維能力的課堂特色。

1 科學解釋與科學思維關系的研究

《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》一文指出，科學解釋是要求學習者在回答所要調查的問題時，應該將證據放在優先地位，從而使證據與結論之間建立起聯結?？茖W解釋就是在證據的基礎上，通過合理的科學推理，使證據和結論之間產生聯結，近而建構起來的對于問題的解釋?？茖W解釋的三要素為提出學科主張、例舉科學事實、科學邏輯推理支持主張。以生物學為例，學科主張是對生物學某一重要概念的陳述。例舉有效證據主要指《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）規定的必修內容和選擇性必修內容，由生物學的基本概念、基本規律、基本方法組成的學科知識體系?？茖W邏輯推理主要指《課程標準》中科學思維的要素，如歸納與概括、演繹與推理等。簡而言之，就是對生命現象背后的原理進行論證，進而給予現象更豐富的意義內涵。

科學思維是指在認識事物解決問題的過程中，尊重事實證據，崇尚嚴謹求實，基于證據和邏輯，應用比較分類、歸納演繹、分析綜合、模型建構等方法，進行獨立的思考判斷，多角度辯證分析問題，對已知的觀點結論進行批判審視，包容或質疑最終提出創造性意見的品格能力。在科學教學中，教師應強調科學事實作為證據的真實可信，更要將科學事實與學科主張之間的邏輯聯系從不同角度進行建構以訓練學生科學思維技能，從而達到提升科學思維能力的目的。

科學解釋相關要素與科學思維的關系圖解如圖1所示。

2 科學解釋的“演繹-規律模型”的解讀

演繹-規律模型由亨普爾和奧本海默于1948年在“解釋的邏輯研究”中提出。演繹-規律模型提出的學科主張或陳述是生物學科中的一些自然定律或重要概念?？茖W解釋就是為該自然定律或重要概念所蘊含的表象建構邏輯意義，從一般性的已知前提出發，通過邏輯推理演繹得出具體陳述或個別結論。該模型組成包涵2個充分條件：①解釋項與被解釋項之間確有邏輯關系，故解釋必須是一個從解釋項到被解釋項的有效演繹推理；②解釋項的陳述必須是由權威的論證結果或真實的實驗數據推理的普遍定律，是可反復檢驗的，以保證該演繹推理的可靠、可信、可操作。滿足了這兩個充分條件的解釋才是一個科學解釋。科學解釋的“演繹-規律模型”結構圖解如圖2所示。

該模型的科學解釋分為三部分：

①被解釋項提出學科主張：由課堂中具體問題提出學科主張。例如，在有絲分裂課堂教學中，教師展示大象和小鼠個體有差異而細胞的顯微照片顯示兩者細胞大小無差異，引導學生提出學科主張：多細胞個體通過增加細胞數量實現個體的生長。

②解釋項例舉科學事實：引用以解釋現象的權威言論或實驗過程，包括陳述科學研究一般過程和引用普適定律的概念。例如，學生討論、設計觀察實驗：用NaOH溶液浸泡不同邊長的含酚酞的瓊脂立方塊。一定時間后，發現瓊脂塊中NaOH擴散的深度相當。實驗證明細胞體積越大相對表面積越小，細胞物質運輸速率越慢?？芍嗉毎锏拿總€細胞不能無限長大。

③基于前兩項的科學解釋：建立解釋項與被解釋項的邏輯聯結。細胞隨著體積的長大，表面積和體積的比例下降，細胞與外界物質交換的速率降低。所以，在細胞體積不能無限長大的情況下，多細胞生物通過細胞的分裂增加細胞數量實現個體的生長。

教師應用“演繹-規律模型”，創設真實的情境，引導學生對課堂教學中的被解釋項尋找有效科學實證，既能讓學生親自體驗科學事實的收集過程，又能通過提出主張訓練概括質疑的科學思維能力和歸納演繹等方法。在解釋項中，學生通過對經典物質擴散實驗的觀察演繹推理，對多細胞生物的生長的本質進行科學解釋，實現了深度學習中由感知力向思維力的提升。

3 演繹-規律模型在科學思維能力提升中的應用

“有絲分裂”教學是高中生物學《必修1·分子與細胞》中概念2“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”的重要內容。細胞增殖的概念教學相對抽象，尤其對于染色體、染色單體、DNA等數量的變化規律，學生很難理解，所以教師應用科學解釋的“演繹-規律模型”對這些變化的規律進行分析，便于學生深度理解變化的本質，遷移應用所學的知識。

課堂開始，教師展示一組洋蔥在連續培養10 d、根尖從沒有長出到出現大量又白又長不定根的圖片，引導學生根據這一現象提出質疑：洋蔥根尖的自然生長是怎樣實現的？

師生共同討論，教師指導學生合作完成生自制洋蔥根尖分生區臨時裝片，操作數碼顯微鏡完成根尖細胞分裂圖象的觀察實驗，通過觀察分生區的細胞尋找科學事實。

事實①：視野中分生區細胞呈緊密排列的正方形分布，不同細胞經堿性染料染色可觀察到大而明顯的細胞核，有的細胞中有兩個核。

事實②：少數細胞中明顯呈現染色體的線性結構，有的細胞很清晰，有的模糊。

根據以上事實，學生提出學科主張：細胞通過核中染色體的分裂實現核的數量增殖。并將這兩個科學事實作為解釋項，對被解釋項的學科主張進行科學解釋：根尖先通過分生區細胞中染色體的平均分配實現核的分裂，再通過細胞質的分裂以增加細胞數量來實現根尖的自然生長。

教師利用真實情境，引導學生發現問題、尋找證據，對問題進行理性分析、科學歸因。這樣不僅培養了學生尊重事實依據、深度思考、提出學科主張的學習技能，也提升了學生歸納、演繹、分析、綜合等科學思維能力。

教師提出問題，引發學生產生認知矛盾：①分生區細胞核中染色體的平均分配是如何實現的？②細胞質的分裂又是如何實現的？

教師鼓勵學生對第一個問題提出學科主張：染色體先進行復制，再通過有規律的變化，實現結構和數量的平均分配，以保證親子代核內遺傳物質的一致。

師生共同尋找科學事實，教師組織學生討論遺傳物質的載體染色體的形態結構、物質組成、重要特征。播放顯微鏡下的動植物活細胞有絲分裂過程的動態實證視頻，引導學生解釋細胞在分裂過程中染色體分別經歷了復制、螺旋、排中、分離、消失等一個連續動態的分裂過程；指導學生到黑板上建構有絲分裂中染色體行為變化的過程模型（用扭扭棒模擬染色體、吸鐵石模擬著絲粒、黃色纏繞在著絲粒上的橡皮筋模擬紡錘絲，建構物理模型），并描述染色體變化的本質。

學生基于以上科學事實，對學科主張進行科學解釋：一個動態分裂的活細胞會經歷分裂間期的染色體復制等物質準備及分裂期染色體的出現、著絲粒排中及著絲粒分裂被紡錘絲牽拉移向細胞兩極等行為的規律性、周期性變化過程。這些行為變化可以實現遺傳物質穩定傳遞，減少變異的發生。

動態實證視頻和靜態物理模型的建構可以讓學生體驗科學論證過程，發展他們的批判性思維、模型建構和提出創造性觀點等品格素養能力。

教師追問：活細胞內染色體的平均分配離不開紡錘體的作用，紡錘體是什么？它是怎樣形成的？并再次播放有絲分裂過程的動態視頻，引導學生觀看并提出質疑：染色體的平均分配是通過哪些物質或結構的共同參與實現的？

教師主動提出學科主張：分裂時染色體數量的均分與細胞骨架蛋白有關。

教師給學生提供大學教材《細胞生物學》中的科學事實：分裂前期紡錘體的形成包含了高等植物細胞兩極發出的紡錘絲和動物中心體發出的星狀射線。這些結構都屬于動力微管蛋白或馬達蛋白，它們都是細胞骨架蛋白。這些動力微管等形成的紡錘體必須有附著支點即動粒，才能實現對染色體的牽拉移動，電鏡下的動粒為圓盤形結構，其外側有動粒微管等組成的紡錘絲附著，內側與著絲粒相互交織，分裂時每條中期染色體上含兩個動粒，分別位于著絲粒的兩側（圖3）。后期姐妹染色單體黏合和分離的機制與黏連蛋白質及分離酶有關（圖4）。在后期向末期推進過程中，紡錘絲的縮短與動粒微管蛋白的解聚有關，也與沿微管運動的馬達蛋白等有關。

學生基于上述事實，對主張進行科學解釋：分裂過程中染色體通過細胞骨架中黏連蛋白的纏繞、牽拉、降解及動粒微管蛋白的解聚和馬達蛋白的運動等行為實現了染色體的平均分配。

教師提出問題：如果利用某種化學物質抑制細胞中紡錘體的形成，那么處于分裂狀態的細胞中的染色體將會停留在什么階段，經過一個分裂周期這些細胞中的染色體數目會不會發生變化？如果會將發生怎樣的變化？正常情況下，核內遺傳物質平均分配后是否細胞質也能實現精確的分配呢？并播放有絲分裂過程的細胞質分裂的動態視頻，引導學生觀看并提出質疑：細胞質的分配是怎樣實現的，動植物細胞質的分配是相同的方式嗎？

教師引導學生提出學科主張：細胞質的分裂有細胞中多種蛋白質和膜泡的參與，不同細胞質分裂存在明顯差異。

教師再次提供大學教材中的相關科學事實：動物細胞質的分裂開始時，在赤道板周圍的細胞膜向細胞內凹陷成縊縮環稱分裂溝，它由細胞中肌動蛋白和肌球蛋白參與形成。在分裂溝的下方，除肌動蛋白和肌球蛋白外，還有小膜泡、微管等物質聚集在一起形成一個環形致密層，稱中間體。細胞質分裂初期，許多肌動蛋白和肌球蛋白圍繞中間體裝配成微絲進而組成微絲束環繞細胞稱收縮環。收縮環收縮，分裂溝逐漸加深，細胞的形狀也由原來的圓形逐漸變為橢圓、啞鈴形，收縮環處的細胞膜逐漸融合，直到兩個子細胞相互分離；植物細胞的細胞質分裂在赤道板中央有些殘留的紡錘體微管密集，微管以平行的方式排列成圓柱狀結構，稱為成膜體，高爾基體產生的小泡和內質網形成的囊泡等也集中在成膜體上彼此融合，形成由膜包圍的平板，即細胞板。細胞板上的囊泡中所攜帶的多糖釋放出來，生成果膠、半纖維素、果膠質的胞間層和初生細胞壁的其他成分。囊泡的膜則在初生細胞壁的兩側形成新的細胞膜。同時，更多的高爾基體囊泡繼續積累融合，使細胞板不斷向四周延伸與其外周的細胞壁、細胞膜連接融合，并有纖維素、微絲等沉積在新形成的細胞板上，最終形成與原細胞壁相連的新細胞壁。

學生基于以上事實，對主張進行科學解釋：動物細胞質的分裂是在細胞中肌動蛋白和肌球蛋白及微管蛋白和膜泡的參與下形成收縮環將細胞膜收縮融合完成分裂；植物細胞質的分裂是由細胞中微管蛋白和膜泡等先形成細胞板，細胞板釋放其中的多糖形成胞間層和初生壁，由于細胞板的不斷延伸最終與外周的細胞壁和細胞膜連接融合完成分裂。

4 結語

基于科學解釋的“演繹-規律模型”進行的“有絲分裂”課堂教學，通過對細胞核內遺傳物質的復制、均分及細胞質的分配等幾個重要概念的科學解釋，實現了學習過程中對知識內涵的層次性理解和意義的建構，對生命現象和規律背后的原理進行真實有效論證進而給予現象規律更豐富的意義內涵，體現出生命教育的科學性和豐富的發展性，是對知識本質的深度理解和整合。本節課上，教師應用科學解釋的“演繹-規律模型”推理建構個性化的認知意義系統，引導學生體驗真實的學習過程，模擬科學論證的過程發展批判性思維，培養學生推理、歸納等科學思維品質、增強對學科知識的遷移應用能力，培養提升了學生的科學思維能力等學科核心素養。