基于學生科學思維培養(yǎng)的論證式教學

摘要：論證式教學，是以論證過程為核心的教學方式。學生通過在課堂活動中親歷科學家的論證過程，圍繞主題展開分析推理，有助于其科學思維能力的提高。本研究以“光合作用的探究歷程”為例，采用論證式教學方法，應(yīng)用CER論證模型，將本節(jié)內(nèi)容劃分為“論證氧氣的來源”，“論證光反應(yīng)階段的能量變化過程”以及“論證暗反應(yīng)階段的物質(zhì)變化過程”三個論證活動。通過提出問題、提供資料、做出推理、提出主張幾個基本步驟，引導學生展開論證推理，培養(yǎng)學生的科學思維能力。

關(guān)鍵詞：論證式教學；高中生物學；光合作用

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：A 文章編號：1673-260X（2024）10-0105-05

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標）指出生物學核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任四大模塊。其中，科學思維的培養(yǎng)要求學生能夠基于生物學事實和證據(jù)，運用多種思維方法，解釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視、論證生物學議題。隨著數(shù)字化時代的到來，運用科學、理性的思維方式，學會分辨、篩選出正確、有用信息，能夠闡明并堅持自己的立場觀點是立身于信息洪流的關(guān)鍵能力。因此，由教師主導的傳統(tǒng)課堂教學模式已不再適應(yīng)學生的發(fā)展需要。在近些年的高中生物學教學研究中，圍繞論證的教學模式已成為許多學者的研究方向。學生在論證過程中，能夠體會科學家提出主張、收集資料、辯駁推理的過程，這對于學生科學思維能力的培養(yǎng)具有很大幫助。因此，本文以光合作用的探究歷程為例，運用CER（Claim Evidence Reasoning）論證模型，引導學生對光合作用的探究歷程展開論證，逐步建構(gòu)光合作用過程，進而培養(yǎng)學生的科學思維，發(fā)展其生物學核心素養(yǎng)。

1論證式教學

論證，是指運用論據(jù)證明論點的邏輯過程和方式。在科學家進行科學研究時，需要運用已有知識和經(jīng)驗，對實驗設(shè)計的可行性，數(shù)據(jù)處理的有效性，實驗步驟的合理性等各個環(huán)節(jié)進行科學論證，以保證其科學研究結(jié)果能夠使人信服。因此，科學論證是科學實踐的核心。

論證式教學則是將科學領(lǐng)域的論證引入課堂，使學生經(jīng)歷類似科學家的論證過程，理解科學概念和科學本質(zhì)，并促進思維發(fā)展的教學過程。將論證與教育教學相結(jié)合，最早要追溯到20世紀五十年代的美國，1958年，圖爾敏（Toulmin）打破了論證在邏輯學中的界限，將其與自然科學聯(lián)系在一起，通過對法律、科學等多個背景中的論證的研究，提出了著名的圖爾敏論證模型（Toulmin’s argument pattern，TAP模型）（如圖1）。

該模型包含了六種基本成分，分別是主張、資料、根據(jù)、反駁、支援和限定。主張指論證者所要證明和辯護的觀點。資料是論證的基礎(chǔ)，是支持主張的事實性材料。根據(jù)也稱理由，是連接主張與資料的橋梁。支援是對根據(jù)的進一步補充和描述。反駁是阻止資料和根據(jù)得出主張的因素。限定是對于得出主張的情況條件的限制，例如是肯定得出主張，還是可能得出主張。圖爾敏論證模型是進行論證分析的基礎(chǔ)模型，在科學教育領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在此基礎(chǔ)上，由于圖爾敏論證模型中所包含要素較多，為便于教師進行實際教學，2006年，麥克尼爾（Mc-Neill）將論證過程進行了簡化，提出了CER（Claim Evidence Reasoning）論證模型（如圖2）同。該模型由證據(jù)、推理和主張三因素組成，以建構(gòu)主義理論為理論基礎(chǔ)，強調(diào)學生基于證據(jù)的邏輯推理過程，學生參與論證活動，經(jīng)歷提出主張，收集證據(jù)，邏輯推演，批判反思的過程，最終構(gòu)建出屬于自己的知識框架。

2論證式教學對培養(yǎng)學生科學思維的重要作用

新課標在對學生科學思維的培養(yǎng)要求中提出，學生要能夠基于生物學事實和證據(jù)，運用歸納概括、演繹推理、模型建構(gòu)、批判性和創(chuàng)造性等思維方法，參與解決生物學實際問題。并要求教師組織以探究為特點的主動學習，創(chuàng)設(shè)探究性學習情境，引導學生主動參與課堂活動。此外，新課標指出，學生科學的學習不僅在于學習科學知識，更在于體會科學工作者的工作過程，解決科學問題的過程及知識的發(fā)生發(fā)展過程。這表明，在科學研究過程中，科學家們從實踐出發(fā)，依據(jù)觀察、實驗和分析，得出結(jié)論，驗證主張的論證推理過程十分重要，是學生理解科學探究過程，發(fā)展科學思維的關(guān)鍵。然而，在實際教學過程中，教師往往只是機械的呈現(xiàn)科學家們所收集的證據(jù)和得出的結(jié)論，這容易使學生陷入“收集證據(jù)一得出結(jié)論”的思維定勢中，進而忽略了收集證據(jù)的邏輯思維和得出結(jié)論的推理過程，無法達成提高學生科學思維的要求。通過對中學生的科學論證能力的調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，大部分學生無法主動運用批判性思維對證據(jù)的真實性，論點推理的合理性進行判斷，更不愿意嘗試質(zhì)疑和反駁他人論點。因此，仍需通過進一步實踐研究以發(fā)展學生的論證能力，培養(yǎng)其科學思維能力。1999年Newton等人提出，論證是科學的語言，如果學生要理解科學，發(fā)展科學思維能力，論證的活動必須引入科學課堂。美國于2011年頒布的《K12-科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》中也強調(diào)了科學教育過程中論證的重要性，指出學生應(yīng)具備提出主張、搜集證據(jù)、闡述論證過程、分析修正邏輯錯誤的能力。劉恩山、何嘉媛等基于論證探究式教學進行了行動研究，表明了在課堂中創(chuàng)設(shè)情境，引導學生參與論證過程，能夠提高學生的論證能力。由此可見，在科學教育中，應(yīng)用論證式教學，能夠提高學生的論證能力，進而培養(yǎng)學生的科學思維能力，發(fā)展學生的生物學核心素養(yǎng)。

3 CER論證式教學在高中生物學教學中的應(yīng)用

“光合作用的發(fā)現(xiàn)歷程”選自人教版高中生物學教材（2019年版）必修1第5章第4節(jié)“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”部分。教材在“思考討論”部分提供了大量科學史，通過對光合作用關(guān)鍵實驗的分析，用事實證據(jù)為概念建構(gòu)搭橋，幫助學生理解光合作用原理。因此教師可采用CER論證式教學，挖掘有關(guān)事實資料，結(jié)合教科書提供的科學史內(nèi)容，引導學生結(jié)合光合作用相關(guān)證據(jù)，從中尋找關(guān)鍵信息，進行合理邏輯推演，最終構(gòu)建光合作用過程，理解光合作用原理。

3.1創(chuàng)設(shè)生活情境，引出本節(jié)內(nèi)容

教師視頻展示“玉米間作大豆”種植方式講解視頻。并出示資料1：2021年內(nèi)蒙古包頭地區(qū)源盛苑種養(yǎng)殖農(nóng)民專業(yè)合作社，在同一畝地同時種植玉米和大豆，通過改變玉米和大豆的株距和密度，實現(xiàn)玉米產(chǎn)量不減，一季多收100到150公斤大豆。提問：這種種植方式有什么好處？為什么？生活中還有什么種植方式能夠影響作物的生長發(fā)育，達到降本增收的效果？其原理是什么？學生根據(jù)視頻和資料，結(jié)合日常生活經(jīng)驗得出，這與植物所進行的光合作用有關(guān)。由此，引出本節(jié)主題，光合作用的探究歷程。

設(shè)計意圖：通過生活情境的創(chuàng)設(shè)，引導學生以常見的農(nóng)作物種植方式為例來思考光合作用原理。促進學生將生物學概念同現(xiàn)實生活中的問題，現(xiàn)象，經(jīng)驗聯(lián)系在一起，引導學生自主探索，也為后文探究光合作用的發(fā)現(xiàn)歷程做鋪墊。

3.2收集分析資料，展開論證推理

教師將光合作用的探究歷程拆解為探究氧氣的來源、光反應(yīng)中的能量變化以及暗反應(yīng)中物質(zhì)變化三部分，應(yīng)用CER論證式模型，引導學生分別展開推理和思考，最終構(gòu)建光合作用過程。

3.2.1論證光合作用中氧氣的來源

提出問題：教師引導學生回顧初中階段學過的光合作用反應(yīng)式，并請學生觀察思考，產(chǎn)物氧氣可能來源于哪里。指出，19世紀，科學家們也抱有同樣的疑問，并做出了一系列猜測和實驗。引導學生跟隨科學家的腳步進行進一步探究。

提供資料1：1937年，英國科學家希爾（R.Hill）發(fā)現(xiàn)，在離體葉綠體中加入鐵鹽或其他氧化劑（懸浮液中有H₂O，沒有CO₂），在光照下可以釋放氧氣。像這樣，離體葉綠體在適當條件下發(fā)生水的光解、產(chǎn)生氧氣的化學反應(yīng)稱作希爾反應(yīng)。

做出推理：學生根據(jù)資料1推測，希爾實驗中，葉綠體內(nèi)的葉綠素能夠吸收光能，使水在光下分解產(chǎn)生氧氣。

初步得出主張：氧氣可能來源于水。

教師追問：該資料是否能夠說明氧氣只來源于水，如果不能，那么氧氣還有可能來源于哪里？

提出主張：光合作用中產(chǎn)生的氧氣只來源于水。

探究氧氣的來源過程可概括為圖3：

設(shè)計意圖：在探究氧氣的來源過程中，首先通過科學史希爾實驗引導學生展開推理。學生得出初步主張后，教師有針對性的展開質(zhì)疑，該實驗未能證明氧氣是否來源于CO₂。進而引導學生進一步思考已有證據(jù)，并尋找新的證據(jù)，最后通過分析整合，完善主張。在思考、論證、辯駁、推理中發(fā)展學生的科學思維能力。

3.2.2論證光反應(yīng)階段能量轉(zhuǎn)化過程

提出問題：在光合作用的第一步，葉綠素吸收了光能，那么光能將如何儲存和轉(zhuǎn)化并被植物利用呢？

提供資料1：1954年，科學家阿爾農(nóng)利用離體葉綠體進行了實驗，并加入ADP、Pi、NADP+（氧化型輔酶Ⅱ），給予光照，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉綠體生成ATP、NADPH（還原型輔酶Ⅱ），且同時水光解產(chǎn)生氧氣。

做出推理：ATP是細胞生命活動的直接能源物質(zhì)。ATP的合成需要細胞提供能量，同時，葉綠素吸收光能。因此，可推斷出，葉綠素吸收的光能，在酶的催化下，使得ADP和Pi產(chǎn)生了ATP。

教師進一步提問：該實驗中還產(chǎn)生了NADPH（還原型輔酶Ⅱ），具有什么作用？

教師補充資料2：水的光解產(chǎn)生氧和H⁺，同時被葉綠體奪取兩個電子。電子經(jīng)過傳遞與H+、NADP+（氧化型輔酶Ⅱ）共同結(jié)合，生成了NADPH（還原型輔酶Ⅱ）。NADPH也能夠儲存能量，供下一步反應(yīng)使用。且以上反應(yīng)都是在光照下進行，因而被稱為光反應(yīng)階段。

學生結(jié)合資料1、2推理得：NADP⁺（氧化型輔酶Ⅱ）接受水光解產(chǎn)生的H⁺和電子，生成了NADPH（還原型輔酶Ⅱ），也能夠儲存能量。因此，葉綠體吸收光能后，能量被儲存在ATP和NADPH中。

提出主張：在光反應(yīng)階段，光能轉(zhuǎn)化為了ATP、NADPH中活躍的化學能。

探究光反應(yīng)中能量的變化過程可概括為圖4：

設(shè)計意圖：光反應(yīng)階段的能量變化過程較為抽象，教師將阿爾農(nóng)所進行的實驗和補充的知識資料分別整合為證據(jù)1、2。通過實驗資料的提供，可以化抽象為具體，有利于學生理解其中發(fā)生的物質(zhì)和能量變化。教師引導學生結(jié)合舊知“ATP的特點”展開推理，也能使學生將新舊知識有機整合，有助于知識之間的聯(lián)系和應(yīng)用。在學生的推理遇到阻礙時，通過資料的補充，引導學生繼續(xù)展開推理，最終通過分析討論提出主張，明確光反應(yīng)階段的能量變化過程，初步形成物質(zhì)與能量觀。學生能夠直觀體會運用證據(jù)及推理解決生物學問題的過程，增強其論證能力，提高科學思維能力。

3.2.3論證暗反應(yīng)物質(zhì)變化過程

提出問題：教師引導學生思考，植物在光合作用中產(chǎn)生的有機物，如糖類，不僅用于自身生長發(fā)育需要，也為生物圈中的許多其他生物提供了基本的食物來源。這也是光合作用作為地球上最重要的化學反應(yīng)的原因之一。那么光合作用中的糖類是如何產(chǎn)生的？

教師提供資料1：1954年，阿爾農(nóng)利用離體葉綠體進行了進一步的實驗，發(fā)現(xiàn)在黑暗條件下，提供CO₂、ATP和NADPH，有糖類產(chǎn)生，同時，CO₂、ATP和NADPH含量急劇下降。

學生結(jié)合表格推理得：CO₂能夠合成糖類，并且需要光反應(yīng)提供的ATP和NADPH。

教師補充并提問：光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH，提供能量，驅(qū)動CO2合成糖類，這一過程在有光和無光條件下均可進行。那么，CO₂是如何一步步合成糖類？可以通過什么方法進行探究？

探究暗反應(yīng)中物質(zhì)變化過程可概括為圖5。

設(shè)計意圖：暗反應(yīng)中涉及的物質(zhì)變化較多，因此教師在教材原有實驗的基礎(chǔ)上補充了阿爾農(nóng)和卡爾文的進一步實驗，將物質(zhì)變化的探究過程完整的呈現(xiàn)出來，有利于學生進行推理和分析。在推測“CO₂合成糖類的過程”時，引導學生根據(jù)“探究氧氣來源”進行實驗設(shè)計，能夠及時將知識學以致用。學生進行實驗設(shè)計后，教師及時補充卡爾文實驗資料，使學生能夠體會科學家的思考、探究過程。最后學生基于所給證據(jù)進行討論，展現(xiàn)其推理過程，并在總結(jié)后提出主張，這是將思維外顯化的過程，有利于培養(yǎng)學生的論證推理和邏輯思維能力。

3.3分析整合主張，知識遷移應(yīng)用

在了解了光合作用的探究歷程后，教師引導學生分析、整合以上主張，嘗試建構(gòu)光合作用過程圖。回顧課程開頭“玉米間作大豆”的種植方式，其產(chǎn)量增加的原因是通過合理密植，增強了農(nóng)作物光合作用強度。提問：影響光合作用強度的因素都有哪些？設(shè)計意圖：在學生完成本節(jié)課論證內(nèi)容，提出觀點主張后，引導學生及時總結(jié)并應(yīng)用，進而構(gòu)建出光合作用過程，形成了最后的結(jié)論。這體現(xiàn)了學生論證過程的完整性、有意義性。通過回顧導入階段所提出的問題，構(gòu)建完整生活情境，從實際出發(fā)，解決生物學問題。

4教學反思

本節(jié)“光合作用的探究歷程”中所涉及科學史內(nèi)容多，較為抽象，若直接呈現(xiàn)給學生，學生學習難度較大。采用論證式教學，應(yīng)用CER論證模型，劃分論證主題，將科學史材料進行分類整理，引導學生分析證據(jù)，展開推理，提出主張，整合主張，遷移應(yīng)用。在此過程中，學生能夠利用已有知識和證據(jù)材料進行推理，建立證據(jù)與主張之間的聯(lián)系，發(fā)展其邏輯思維，批判性思維等，從而實現(xiàn)科學思維能力的提升，發(fā)展學生的生物學核心素養(yǎng)。該模式對學生的知識掌握程度，思維能力等有一定的要求，且論證推理過程通常持續(xù)時間較長，無法在一課時中完成全部論證內(nèi)容。因此教師應(yīng)合理安排學時，時刻關(guān)注學生在論證中可能存在的問題，及時予以引導和幫助，才能使學生積極參與論證活動，達到教學效果的最大化。最終，通過論證式教學，逐步培養(yǎng)學生基于生物學事實和證據(jù)，解決實際問題的能力。