巧用論證式教學優化高中生物學實驗教學

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2025）14-0108-04

當前高中生物學實驗教學存在兩大突出問題：一是舍本逐末，教師直接把結論或規律告訴學生，導致學生運用講、記、練的方式替代動手操作，學生只能死記硬背以應付考試；二是簡單模仿，即教師按照教材按部就班地展示實驗裝置，學生模仿實驗過程得到已知結果，學生雖然參加了動手操作，但科學探究意識和創造性思維沒有得到很好的培養。長此以往，將導致學生只能按照預先設定好的實驗過程得到教材中的結果，難以對有價值的問題進行研究。本研究以論證式教學為抓手，聚焦教學實踐，探尋突破高中生物學實驗教學困境的新路徑。

一、論證式教學的內涵

“論證”一詞最早建立在邏輯學的研究上，后來一些科學家認為論證是對不同觀點或相互矛盾的思想，通過提出假設然后尋找證據進而得出結論的過程。論證式教學是將科學領域的論證引入課堂，使學生在理解科學理念和科學精髓的同時，親歷類似科學家論證的過程，并以此推動自己的思維發展。這一教學模式既注重實驗結果、最后的結論，又注重論證質量、論證過程，能夠發展學生的科學思維能力。學生在假設和預測、嘗試驗證假設的過程中不斷發現問題、尋找證據、作出評價以及相互修正，時刻進行著深度思考和探究。由于學生在論證式教學中參與了辯論和探討，能夠積極主動地參與學習，從而展示出對科學現象的不同理解甚至超越，這不僅能夠加強師生之間的互動，而且能夠深化學生對科學本質的理解，進而提升學生的學科核心素養。

二、論證式教學的框架

論證式教學一般包括提出問題、解釋、觀點猜想、支持或辯駁、得出結論等五個步驟（如圖1所示）。學生通過經歷抽絲剝繭的過程，主動參與學習，獲取信息，尋找證據，檢驗假設。教師作為引導者，需精心設計層層遞進的探究任務，從簡單的現象觀察到復雜的原理推導，逐步引領學生深入探究知識的本質。

這一過程以教師為主導、以學生為主體，從研究問題的提出，到資料分析，再到辯駁論證，這樣一個邏輯嚴密、學生充分參與的論證過程，潛移默化地影響著學生的思維習慣，他們不再滿足于被動接受知識，而是主動在探究中挖掘問題本質，面對分歧敢于各抒己見，在思維碰撞中不斷完善、優化自己的認知，加深對科學知識的理解并發展批判性思維，掌握科學探究方法。長此以往，學生將不僅在生物學領域建立起牢固的知識體系，而且將科學思維與態度融入日常學習與生活，為未來在各個領域的發展鋪就堅實且富有活力的道路。

三、高中生物學論證式教學實例

“探索酵母菌細胞呼吸方式”一節是人教版普通高中生物學教科書必修1第5章第3節的實驗，學生需探究酵母菌細胞呼吸方式并檢測其產物 CO₂ 和酒精。論證式教學以其獨特的教學邏輯，為該實驗教學提供了科學且高效的實施路徑；在論證式教學的框架下，“探索酵母菌細胞呼吸方式”實驗的教學過程被賦予了更具邏輯性和思辨性的色彩（教學流程如圖2所示）。

（一）情境激趣，觸發疑惑

師：提到酵母菌，你會想到它有哪些用途呢？

生：制作面包、饅頭，釀制葡萄酒。

師：是的，酵母菌和我們的生活息息相關，廣泛用于制作面包、饅頭和釀制葡萄酒。在制作面包、饅頭的過程中添加酵母菌后，我們會發現，面團的氣孔很多，面團變得松軟。家里釀制葡萄酒的時候，發酵罐必須密封，并不定期排出罐中的氣體。

師：接下來，我們一起梳理探究思路。要探究酵母菌在有氧和無氧條件下的呼吸產物，關鍵在于精準控制實驗變量。對有氧組，我們要確保氧氣持續充足供應，可利用氣泵連接玻璃管，將空氣緩慢通入酵母菌培養液中，讓酵母菌充分進行有氧呼吸；而無氧組，需將盛有酵母菌培養液的錐形瓶嚴密封閉，杜絕氧氣進入，構建無氧環境。

師：實驗中，我們用澄清石灰水來捕捉二氧化碳的蹤跡，石灰水變渾濁就是二氧化碳生成的有力信號，渾濁程度還能大致反映二氧化碳產生量的多少。至于酒精，準備好酸性重鉻酸鉀溶液，無氧發酵一段時間后，取培養液樣本滴加酸性重鉻酸鉀溶液，若溶液顏色從鮮橙色變成灰綠色，便確鑿證明了酒精的存在。現在，大家以小組為單位，開始動手搭建實驗裝置，開啟這場探索酵母菌呼吸奧秘的奇妙之旅，記得仔細觀察、如實記錄實驗現象。

設計意圖：教師利用生活中的證據引導學生推測酵母菌細胞呼吸能夠產生 CO₂ 使面包變得松軟多孔，并且在密封無氧的條件下，它能夠產生酒精。那么事實上是不是這樣？就需要引導學生去探究。于是自然而然地引出接下來的猜想與探究。

（二）問題導向，解釋猜想

師：我們今天要探討的問題是，根據我們的生活經驗和酵母菌的相關信息，探究酵母菌的呼吸方式和呼吸生成物分別有哪些。你們會作出什么樣的假設？

生：我們的假設是酵母菌有氧呼吸生成 CO₂ ，無氧呼吸生成 CO₂ 和酒精。

師：接下來我們需要設計實驗，搜集證據，驗證同學們做出的假設是否正確。

教師活動：教師播放視頻，展示學生課前利用過氧化氫和新鮮的肝臟研磨液制取氧氣的過程，引導學生運用類比的方法尋找本實驗的自變量及控制自變量的方法。

師：那么，因變量是什么，如何檢測？是否產生CO₂ 或酒精？

學生活動：學生搜集資料，發現可以用溴麝香草酚藍溶液檢測 CO₂ ，即當存在 CO₂ 時，溶液由藍色變為綠色，再變為黃色；可以用酸性重鉻酸鉀溶液檢測酒精，當存在酒精時，溶液由橙色變為灰綠色。

師：第三步，請思考實驗的無關變量有哪些，如何控制。

學生活動：學生思考教師提出的問題，認為酵母菌菌種、培養液的體積、培養溫度、培養時間等為該實驗中的無關變量，保持這些條件相同且適宜即可控制無關變量。

師：明確了變量，接下來我們一起設計實驗步驟。

師生活動：師生一起設計實驗。有氧呼吸實驗組，將酵母菌培養液置于帶塞錐形瓶中，通過玻璃管連接氣泵，持續通入經NaOH溶液凈化的空氣，確保進入的空氣中不含二氧化碳；無氧呼吸實驗組，同樣將酵母菌培養液放入錐形瓶，迅速用橡膠塞密封，隔絕空氣，營造無氧環境。而對于無關變量，選用同一批次、活力相近的酵母菌菌種，嚴格量取相同體積的培養液，把兩組實驗裝置放置在恒溫培養箱中，維持適宜且相同的溫度，并且控制培養時間一致。

師：現在，請各小組依據我們梳理的步驟，著手組裝實驗裝置，開啟探索之旅，期待大家通過實驗驗證自己的假設。

學生活動：學生開展實驗，收集實驗數據。實驗過程中，學生定時觀察因變量的變化。每隔一段時間，從有氧組和無氧組培養液中各取適量上層清液，分別滴加溴麝香草酚藍溶液，記錄溶液從藍色變為綠色再變成黃色所需時間，對比兩組二氧化碳產生速率。在無氧組反應一定時長后，取少量培養液，緩慢滴加酸性重鉻酸鉀溶液，仔細觀察溶液顏色是否從橙色轉變為灰綠色，以此判斷酒精是否生成[2]。

設計意圖：在設計探究實驗過程中，教師利用問題鏈引導學生逐步突破實驗設計過程中的難點，類比已有知識和經驗，不斷完善、優化實驗設計，最后整理出完整清晰的實驗步驟。以問題為導向，學生才能真正深入思考，從而促使他們透徹地理解整個實驗設計的過程，明晰每項操作的意圖和作用，進而才能科學、精準地操作實驗以印證前面提出的各種猜想。

（三）尋找證據，梳理歸納

師：好，我們的實驗時間到了。下面我們來聽聽同學們通過實驗之后都收集到了什么證據，結果與預期假設是否一致？不一致的話，會提出什么新的主張？

學生活動：小組代表分別進行分享。

師：你們對之前的假設做出什么主張？你們小組提出什么疑問？

生1：在實驗的過程中，我們發現有氧與無氧兩個組都沒有檢測到酒精。是不是反應時間短，無氧組的溶液中存在氧氣？

師：先解決第一個問題，有請研究性小組成員代表展示他們的研究結果。

生2：我們小組運用了三種方法進行酒精的檢測。第一種方法是，酵母菌培養液反應較長一段時間后，從有氧組和無氧組各取 2mL 培養液，分別向其中加入 0.5mL 酸性重鉻酸鉀，靜置較長一段時間后，無氧組觀察到灰綠色。第二種方法是利用酒精的揮發性進行檢測，測得在試管壁有少量的灰綠色。第三種方法是用呼吸式酒精測試儀對酒精進行檢測，測得有氧組酒精濃度為0、無氧組酒精濃度為1.3g/L 。通過三種方法檢測，我們總結得出有氧組沒有產生酒精，無氧組產生酒精，量較少。

生3：我們在課前3小時利用抽氣泵和食品密封袋制作酵母菌培養液無氧環境，在適宜溫度下進行培養，再利用 CO₂ 測試儀和呼吸式酒精測試儀分別檢測 CO₂ 和酒精。我們得到了不同時間段有氧組和無氧組的 CO₂ 數據。經過分析發現，有氧組 CO₂ 產生速率更快，且產生量明顯多于無氧組。這與我們之前對酵母菌呼吸方式的理解相符—有氧條件下酵母菌能更高效地進行呼吸作用產生 CO_2? 0

師：非常好，這兩組同學通過不同的實驗方式，都收集到了有價值的證據。從這些證據來看，我們最初關于酵母菌呼吸產物的假設，部分得到了驗證。有氧條件下，酵母菌產生較多 CO₂ ；無氧條件下，確實產生了酒精，雖然量較少，但通過多種檢測方法都能證明其確實存在。不過，從實驗過程和結果中，我們也能發現一些新問題。比如，為什么無氧組產生的酒精量相對較少呢？這可能與環境是否完全無氧、反應時間、培養液成分等多種因素有關。另外，在檢測過程中，不同檢測方法的靈敏度和準確性也會對結果產生影響。

師：接下來，我們一起探討如何進一步優化實驗，以得到更精確的結果。對于無氧環境的優化，除了像剛才同學提到的提前制備無氧環境，是否還有其他更好的方法？在檢測環節，不同檢測方法的原理和適用場景，我們又該如何更合理地選擇和組合？大家結合剛才的實驗過程和結果，暢所欲言，看看能碰撞出哪些新的思路和想法，讓我們對酵母菌的呼吸方式和產物的探究更加深入和完善。

設計意圖：教師通過組織學生分享，同時鼓勵不同組別之間針對不同的結果提出了質疑和反駁，既讓學生從實踐中獲取證據，并利用這些證據試圖解釋前面的猜想，又讓學生通過互相質疑和反駁，不斷優化推理的邏輯性與實驗設計，修正并完善主張。

（四）認可猜想，得出結論

師：通過現場測試我們看到了 CO₂ 的測試值變為9999，說明產生的氣體是 CO_2° 酒精測試值為 1.3g/L 由此可以看出，酵母菌無氧呼吸產生了 CO₂ 和酒精。

師：在同學們做實驗的過程中，老師也用呼吸式酒精測試儀對各組的酒精進行測試。測得的數據如表1所示。根據這些數據，再結合同學們自己實驗得到的數據，我們對之前作出的主張進行修正。

生：酵母菌細胞有氧呼吸產生 CO₂ ，不產生酒精；無氧呼吸產生 CO₂ 和酒精。

師：（總結）通過這次對酵母菌呼吸方式的深入探究，同學們不僅掌握了科學實驗的方法與流程，還切身體會到科學探究的嚴謹性與趣味性。從最初基于生活現象的大膽假設，到設計實驗時對變量的細致把控，再到面對實驗結果時的理性分析與思考，每一步都凝聚著大家的智慧與努力。這次實驗還讓我們明白，科學知識并非一成不變，而是在不斷地質疑、驗證與修正中得以完善[3]。就如同對酵母菌呼吸產物的認識，從最初的猜想，歷經實驗的重重檢驗，才得到如今較為準確的結論。希望同學們能將這份科學探究精神延續到今后的學習與生活中，遇到問題時，勇于探索，善于思考，用科學的方法揭示事物的本質，不斷豐富自己的知識儲備，提升解決問題的能力。

設計意圖：教師利用科學的測試儀，驗證、修正學生的實驗結論，以此達到認可學生整個探究過程、提高學生學習成就感的目的。通過總結，學生進一步提煉本次探究的思路，即根據生活經驗和已有知識提出問題、進行假設、設計實驗、收集證據，各組形成不同的主張，提出疑問、反駁，再結合各種補充的證據修正主張。

（五）遷移應用，課外延伸

師：有的實驗組將酵母菌有氧呼吸組的培養液取樣鑒定后，檢測出其中也含有酒精，為什么會出現這種情況呢？實驗操作如何提供充足的氧氣？該實驗是否能只做一組，即初期供氧后期不供氧來進行前后對照？如何分別對產物進行檢測？如何巧妙地避免溶液中的氧氣和容器內溶液上方空氣中的氧氣干擾實驗？檢測到的 CO₂ 一定是酵母細胞呼吸生成的嗎？如何改進實驗裝置？針對這些疑問，同學們可在課后深入探究。

設計意圖：教師利用誤差案例事實，引導學生進行更深層次、更全面的拓展思考，這既能增強學科魅力，使學生更深刻地理解知識，鞏固學習成果，又能使學生通過深入思考問題強化學科思維，培養創新能力。

在論證探究式教學過程中，學生通過主動參與學習，在提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設的過程中學習生物學知識，養成科學思維習慣，形成積極的科學態度，發展創新能力與實踐能力，有利于提高科學探究、推理和思辨能力。但是教師需要注意，并不是所有的生物學教學都能夠采用論證式教學，不同的內容應適配不同的教學方式，不同的學習方式也有各自的優勢和適用條件，論證式教學只是眾多教學方式中的一種，而非唯一的一種。教師可以根據教學內容的不同，采取演示、講授、辯論、模擬、游戲、角色扮演、專題研討、項目設計、案例研究等多樣化的教學方式，這樣才能收獲更理想的課堂教學效果。

參考文獻

[1劉恩山，曹保義.解讀《普通高中生物課程標準（2017年版）》[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2]徐小穎，金英善，吳曉霞，等.論證式教學在高中生物學教學中的應用[J].中學生物教學，2022（36）：11-14.

[3]王栩.論證式教學法在中學生物教學中的實踐探究[J].考試周刊，2019（44）：1.

注：本文系廣西教育科學規劃2021年度立項課題“基于核心素養的論證式教學在高中生物課堂中的實踐及研究”（2021C547）的研究成果。

（責編劉小璦）