基于生物科學(xué)史論證式教學(xué)模型的闡釋和應(yīng)用

摘 要：本文以科學(xué)史資料為指引，將PCRR論證模型優(yōu)化為論證式教學(xué)模型，以此開展“酶的作用和本質(zhì)”相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)，并設(shè)置“以問題為論證導(dǎo)向，把握分析教材內(nèi)容；以科學(xué)史資料指引論證流程，分析史實完善科學(xué)觀點；以批判思維貫穿論證流程”等教學(xué)活動。本文旨在發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，提升其證據(jù)意識，明確生物學(xué)概念的發(fā)展歷程，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，進而理解酶本質(zhì)的相關(guān)概念，并了解其發(fā)展歷程，實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)等教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：論證式教學(xué)；生物科學(xué)史；PCRR論證模型

文章編號：1003-7586（2024）09-0007-04 中圖分類號：G633.91 文獻標(biāo)識碼：B

面對新時代對于創(chuàng)新型人才的發(fā)展要求，“雙新”背景下的生物學(xué)教學(xué)重點應(yīng)集中于培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。PCRR論證模型是由呈現(xiàn)（Present）、批判（Critique）、反思（Reflect）和提煉（Refine）四個階段組成的循環(huán)式論證模型。該模型以探究為導(dǎo)向，以證據(jù)為基礎(chǔ) ［1］，在課堂上通過持續(xù)的科學(xué)論證活動培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，促進學(xué)生對生物學(xué)核心規(guī)律和概念的深層次理解。

本文以科學(xué)史資料為指引，將PCRR論證模型優(yōu)化為論證式教學(xué)模型，并服務(wù)于生物學(xué)教學(xué)以取得良好教學(xué)效果，達到明晰教學(xué)知識點，同時發(fā)展學(xué)生科學(xué)論證思維的教學(xué)目的。

1 根植核心素養(yǎng)：論證式教學(xué)模型的闡釋

生物科學(xué)史展現(xiàn)了各時代科學(xué)家對真理的探索過程，也是一個反復(fù)論證的過程。科學(xué)家們首先提出主張觀點，在質(zhì)疑中不斷反思修正，從而形成完善的理論。這一過程充分體現(xiàn)了科學(xué)家們的科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新、分析綜合等科學(xué)思維與創(chuàng)新能力。

科學(xué)思維作為生物學(xué)育人價值的重要組成部分，是貫穿生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的主線，科學(xué)思維的培養(yǎng)更是高中生物學(xué)教學(xué)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。在教學(xué)過程中，學(xué)生可以通過模擬科學(xué)家的實驗論證過程培養(yǎng)自身的科學(xué)思維，并且在資料分析、觀點形成、批判性思維以及理論的提煉和提升過程中，體驗知識的構(gòu)建與完善。

論證式教學(xué)模型的流程如圖1所示。本課例的論證式教學(xué)模型基于科學(xué)史資料，要求學(xué)生通過分析資料，提出個人觀點，并尋找科學(xué)史料中與自己觀點一致的證據(jù)，從而根據(jù)資料內(nèi)容分析并整合科學(xué)家的觀點，進而總結(jié)概括出證明觀點的依據(jù)。進一步地，學(xué)生通過尋找新的科學(xué)史資料或由教師提供具有轉(zhuǎn)折性的科學(xué)史資料，對學(xué)生的初始觀點提出批判。在這一過程中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生對比新、舊科學(xué)史資料，分析討論新資料對已有觀點的挑戰(zhàn)和質(zhì)疑，從而引起學(xué)生對具體問題的批判性思考，并通過證據(jù)反駁或修正自己先前的觀點。此外，教師可以指導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)家的視角分析，當(dāng)自己的原有觀點受到質(zhì)疑時，可以采取哪些措施去證實或優(yōu)化，同時評估這些措施的可行性與觀點的完善程度。最后，教師提供可以驗證措施可行性與結(jié)果科學(xué)性的科學(xué)史資料，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)資料進一步完善、修正觀點，最終總結(jié)歸納出正確的結(jié)論。這種基于生物科學(xué)史的論證式教學(xué)模型能夠幫助學(xué)生自主歸納與概括，從而深入地理解知識和概念，有助于學(xué)生辯證地看待問題與批判性地思考論證，并將知識創(chuàng)造性地運用于實踐。

2 發(fā)展科學(xué)思維：以問題為論證導(dǎo)向

論證式教學(xué)模型的應(yīng)用可以有效發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，其核心在于以問題為導(dǎo)向，把握學(xué)生分析問題和解決問題的方向。“酶的作用和本質(zhì)”是人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修1·分子與細胞》（以下簡稱“教材”）第5章第1節(jié)的內(nèi)容，教材在“思考·討論”板塊呈現(xiàn)科學(xué)史資料。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師通常忽略科學(xué)史資料的介紹而直接講授該部分的知識點，即“大部分酶是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA”，并要求學(xué)生背誦記憶。這種刻板的教學(xué)模式僅在知識層面上基本達成教學(xué)目標(biāo)，卻沒有促使學(xué)生形成應(yīng)達到的思維水平。

在教學(xué)中應(yīng)用論證式教學(xué)模型，可以達成兼顧學(xué)生知識水平和思維水平同步發(fā)展的教學(xué)目標(biāo)。教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)釀酒技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，思考釀酒發(fā)酵的本質(zhì)是什么？是什么導(dǎo)致酒的產(chǎn)生？再引導(dǎo)學(xué)生分析釀酒過程中酶的本質(zhì)和作用機制。這些子問題由宏觀到微觀、由現(xiàn)象到本質(zhì)逐級設(shè)置，將其按照研究流程由淺入深可以劃分為“釀酒發(fā)酵過程的本質(zhì)是什么”和“酶的本質(zhì)是什么”兩大問題。這種以問題為導(dǎo)向的思維路線可以使學(xué)生在正式學(xué)習(xí)和解決問題前明晰問題的分析流程，即“解剖整體—研究部分—尋找聯(lián)系”的邏輯體系，有助于學(xué)生掌握分析與綜合的方法論原則，從而培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕鉀Q問題的科學(xué)思維。

3 遵循證據(jù)意識：科學(xué)史資料指引論證流程

科學(xué)史是科學(xué)家進行科學(xué)研究的歷程，體現(xiàn)了科學(xué)家的研究思路和數(shù)據(jù)結(jié)果的處理分析過程，還構(gòu)建了基于研究結(jié)果的事實性知識體系。在論證式教學(xué)模型中，教師需要利用科學(xué)史資料，引導(dǎo)學(xué)生按照一定的論證流程，得出相應(yīng)的結(jié)論，從而培養(yǎng)學(xué)生遵循證據(jù)的意識。

觀點的發(fā)展是復(fù)雜且長期的，不能僅通過單一的論證過程得以完善。觀點的發(fā)展往往需要經(jīng)過反復(fù)論證和檢驗，才能逐漸達到較為成熟的階段。

在“酶的本質(zhì)”一課的學(xué)習(xí)中，教師通過三則科學(xué)史資料串聯(lián)起整個教學(xué)流程。首先，教師展示有關(guān)問題研究起源的科學(xué)史資料，引起學(xué)生對該問題后續(xù)發(fā)展的關(guān)注；再通過轉(zhuǎn)折性的科學(xué)史資料，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑批判，完善觀點；最后展示驗證性的科學(xué)史資料，引導(dǎo)學(xué)生對已有觀點進行完善或修正。

3.1 “釀酒發(fā)酵本質(zhì)的探索”中科學(xué)史資料的展現(xiàn)

“釀酒發(fā)酵本質(zhì)的探索”的科學(xué)史資料主要經(jīng)過兩輪論證和修正，才逐漸趨于成熟和完善（見圖2）。

第一輪，在“釀酒發(fā)酵是由酵母菌的存在所致，乳酸和醋酸的發(fā)酵是由其他微生物所致”的議題論證中，教師首先通過展示科學(xué)史資料：法國化學(xué)家拉瓦錫（A. L. Lavoisier）認(rèn)為酒精發(fā)酵是糖類分解的作用，而化學(xué)家巴斯德（L. Pasteur）認(rèn)為酒精發(fā)酵歸因于酵母的作用，引起學(xué)生對酒精發(fā)酵本質(zhì)的關(guān)注與思考。教師再展現(xiàn)轉(zhuǎn)折性的科學(xué)史資料：巴斯德在顯微鏡下觀察到，發(fā)酵液中活酵母菌正在繁殖，發(fā)酵成功的葡萄酒內(nèi)發(fā)現(xiàn)球形酵母菌，發(fā)酵失敗的葡萄酒里發(fā)現(xiàn)醋酸桿菌。 ［2］教師引導(dǎo)學(xué)生分析巴斯德在顯微鏡下觀察到的現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生對拉瓦錫早期觀點的批判和討論。最后教師展示驗證性的科學(xué)史資料：巴斯德發(fā)現(xiàn)將酒置于50～60℃的環(huán)境中保持半個小時，就可以殺死酒中大多數(shù)的微生物，從而實現(xiàn)酒的長期保存，同時保留酒的原有口味和品質(zhì)。這種滅菌方法以巴斯德的姓氏命名，被稱為“巴氏滅菌法”。教師通過第三則驗證性科學(xué)史資料的展現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生對釀酒發(fā)酵本質(zhì)的觀點進行修正和完善。

在第二輪“釀酒發(fā)酵的本質(zhì)是酵母菌中的某些物質(zhì)在發(fā)揮作用”議題的論證中，教師首先針對上一輪的論證結(jié)果，提供具有反駁性的科學(xué)史資料，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突與深入思考。德國化學(xué)家李比希（J. V. Liebig）對巴斯德的觀點再次質(zhì)疑：發(fā)酵是一種化學(xué)作用而不是生物作用，發(fā)酵過程實際是酶催化的結(jié)果，不需要完整的活細胞存在，并將這種酶稱為“酵素”。隨后，教師再提供科學(xué)家們對該質(zhì)疑觀點的驗證研究資料：巴斯德曾致力于從酵母中分離“酒精酵素”，然而這一嘗試并未成功，未能發(fā)現(xiàn)所謂的“酒精酵素”。盡管如此，巴斯德并未因此完全否定李比希的相關(guān)理論，而是認(rèn)為“對于這種假定的物質(zhì)（酵素），我既不能承認(rèn)它們也不能否認(rèn)它們，我將永遠力圖不超出事實。”教師從中滲透并培養(yǎng)學(xué)生對于科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。最后，教師向?qū)W生介紹德國化學(xué)家畢希納（E. Buchner）的重要發(fā)現(xiàn)，畢希納從酵母中提取了一種不含細胞的液體，該提取液能夠促使葡萄糖、麥芽糖和蔗糖發(fā)酵，產(chǎn)生酒精。 ［3］通過這一科學(xué)史資料，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)釀酒發(fā)酵過程并提煉科學(xué)觀點。

3.2 “酶本質(zhì)的探索”中科學(xué)史資料的展現(xiàn)

“酶本質(zhì)的探索”的科學(xué)史資料同樣經(jīng)過兩輪論證與修正過程將觀點發(fā)展完善（見圖3）。在第一輪“酶本質(zhì)是蛋白質(zhì)”提煉觀點的論證過程中，教師展現(xiàn)美國化學(xué)家薩姆納（J. B. Sumner）證明酶是蛋白質(zhì)的科學(xué)史資料：薩姆納利用乙醇萃取刀豆粉，獲得一種具有高脲酶活性的溶液，再以丙酮作為溶劑，從萃取物中分離不同物質(zhì)（蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類及色素），最終獲得脲酶結(jié)晶，得到脲酶結(jié)晶對用于檢測蛋白質(zhì)的雙縮脲反應(yīng)、顏色反應(yīng)、茚三酮反應(yīng)實驗產(chǎn)生極大的推動作用。由此薩姆納直接證明“脲酶是一種蛋白質(zhì)”，從而教師引導(dǎo)學(xué)生對探尋脲酶的本質(zhì)產(chǎn)生關(guān)注。教師接著展現(xiàn)資料提出當(dāng)時科學(xué)家的質(zhì)疑：其一，以德國化學(xué)家威爾斯蒂特（R. M. Willsttter）為首的科學(xué)家們認(rèn)為薩姆納的結(jié)論沒有足夠證據(jù)支撐，并辯稱“與其說他的晶體就是脲酶，不如說脲酶是被吸附在一種蛋白質(zhì)載體上”。 ［4］其二，當(dāng)時許多科學(xué)家復(fù)刻薩姆納的方法，但無法獲得脲酶結(jié)晶。根據(jù)上述質(zhì)疑和猜測，美國生化學(xué)家諾思羅普（J. H. Northrop）改進了薩納姆的方法，通過對胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等消化性蛋白酶的提純和深入研究，最終確認(rèn)“酶本質(zhì)是蛋白質(zhì)”。教師通過展現(xiàn)“酶本質(zhì)的探索”的歷史研究歷程，引導(dǎo)學(xué)生對觀點進行提煉總結(jié)。

第二輪“酶的本質(zhì)是活細胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機物，其中絕大部分酶是蛋白質(zhì)，少數(shù)酶是RNA”的論證過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生反思上一輪論證觀點的準(zhǔn)確性，再展示資料：切赫（T. Cech）和奧爾特曼（S. Altman）發(fā)現(xiàn)四膜蟲的rRNA具有催化活性。從而教師引導(dǎo)學(xué)生完善并提煉觀點。

4 明晰知識發(fā)展：分析史實完善科學(xué)觀點

在整個論證流程中，教師通過提供科學(xué)史資料，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)資料內(nèi)容總結(jié)概括理論依據(jù)、分析整合科學(xué)家的觀點，并通過不斷發(fā)展的科學(xué)史資料，不斷完善或修正學(xué)生的已有觀點。學(xué)生在分析科學(xué)史資料的過程中，逐漸明晰知識的發(fā)展歷程，從而能夠深入掌握并概括知識。

例如，在呈現(xiàn)“釀酒發(fā)酵本質(zhì)的探索”的科學(xué)史資料的過程中，三次呈現(xiàn)分別對應(yīng)著三次分析提煉觀點的內(nèi)容。首先，學(xué)生根據(jù)化學(xué)家拉瓦錫與巴斯德的研究結(jié)論初步得出觀點：酒精發(fā)酵的實質(zhì)是一種化學(xué)現(xiàn)象。然后，學(xué)生再根據(jù)巴斯德的顯微鏡觀察結(jié)果與巴氏殺菌法的起源，進一步整合已有觀點：發(fā)酵過程不是酵母菌的直接作用導(dǎo)致的，而是微生物生命活動的結(jié)果。最后，學(xué)生根據(jù)畢希納的實驗結(jié)果，總結(jié)提煉已有觀點：釀酒發(fā)酵的本質(zhì)是酵母菌中某些物質(zhì)的催化作用。

在對“酶本質(zhì)的探索”內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中，教師需要對各種觀點進行概括總結(jié)。教師首先根據(jù)薩姆納的實驗結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生持有初步的觀點“脲酶是蛋白質(zhì)”；再通過展示諾斯羅普對酶結(jié)晶的高度提純和深入研究結(jié)果，進一步引導(dǎo)學(xué)生提煉觀點“酶本質(zhì)是蛋白質(zhì)”；最后根據(jù)切赫、奧爾特曼發(fā)現(xiàn)四膜蟲的rRNA具有催化活性的科學(xué)史資料，從而引導(dǎo)學(xué)生再次完善并提煉觀點“酶的本質(zhì)是活細胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機物，其中絕大部分酶是蛋白質(zhì)，少數(shù)酶是RNA”。

5 發(fā)揮主觀能動性：批判思維貫穿論證流程

學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師在教學(xué)過程中要充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和能動性。教師利用具有轉(zhuǎn)折性的科學(xué)史資料，引導(dǎo)學(xué)生以批判性思維重新審視持有觀點，發(fā)掘觀點存在的不足，進而完善觀點。同時，教師引導(dǎo)學(xué)生換位思考，當(dāng)自己持有的觀點遭受質(zhì)疑時，可以采取哪些措施驗證或者完善觀點，并討論方法的可行性與完備性。

教師通過“釀酒發(fā)酵本質(zhì)的探索”過程可以發(fā)展學(xué)生的批判性思維。教師首先引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)巴斯德的顯微鏡觀察現(xiàn)象，反思拉瓦錫的觀點，再引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)李比希對巴斯德的反駁觀點，思考巴斯德如何證明酵母菌在酒精發(fā)酵中發(fā)揮的作用，最后引導(dǎo)學(xué)生對于李比希的觀點和巴斯德可以用怎樣的實驗研究自己的觀點提出質(zhì)疑。教師通過這些設(shè)疑，幫助學(xué)生深度思考，促進觀點的形成和提煉完善。

參考文獻

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［2］聶曉倩，張鋒.基于科學(xué)史的中學(xué)生物學(xué)元探究教學(xué)——以“酶本質(zhì)的探索”為例［J］.中學(xué)生物學(xué)，2021，37（5）：10-12.

［3］何曉瑩，李楚華.教材中“關(guān)于酶本質(zhì)的探索”的幾點探討［J］.中學(xué)生物學(xué)，2020，36（6）：3-5.

［4］COSTA A B，郝軍山.詹姆斯·薩姆納與脲酶引起的爭論［J］.世界科學(xué)，1990（6）：54-55＋46.