基于論證探究式教學(xué)模型的高中生物學(xué)教學(xué)實踐

[中圖分類號] G633.91 [文獻標識碼］A [文章編號] 1674-6058（2025）17-0066-05

《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）中明確指出，生物學(xué)課程要求學(xué)生主動地參與學(xué)習(xí)，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習(xí)得生物學(xué)知識[1]。此外，課程標準還強調(diào)，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)重視對學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。科學(xué)思維，即在搜集大量事實和證據(jù)的基礎(chǔ)上，運用科學(xué)的方法對生物學(xué)現(xiàn)象進行觀察，提出生物學(xué)相關(guān)問題，以達到對生物學(xué)本質(zhì)的理解。

而培養(yǎng)學(xué)生的論證能力是培養(yǎng)科學(xué)思維、提高核心素養(yǎng)的重要途徑之一，應(yīng)用論證探究式教學(xué)模型能夠提高學(xué)生的質(zhì)疑批判、分析推理、科學(xué)論證、科學(xué)表述等能力，促使學(xué)生像科學(xué)家一樣進行思考。

一、論證模型

（一）論證探究式教學(xué)模型

論證探究式教學(xué)模型也稱為“ADI模型”（Argument-Driven Inquiry，ADI），由 Sampson等人[2]于2008年提出，其內(nèi)容的核心是將科學(xué)論證過程和探究活動相結(jié)合，包含8個階段，依次為明確研究問題并根據(jù)問題提出觀點，搜集歸納材料，設(shè)計實施實驗并獲取數(shù)據(jù)，依據(jù)觀點和證據(jù)進行論證，反思，撰寫研究報告，同行評議，完善提交的研究報告等。該模型內(nèi)容較為詳盡，能夠全方面最大程度地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維，但較為繁雜，在一節(jié)課中難以實現(xiàn)。因此，筆者依據(jù)實際教學(xué)情況對其進行改良，建立了新的模型（如圖1）。新模型包括設(shè)置情境，引出主題；基于事實，形成主張；質(zhì)疑反駁，修訂主張；討論交流，明確主張；產(chǎn)生新問題，誘發(fā)新矛盾；總結(jié)成果，達成共識等環(huán)節(jié)，當主張不合理時可重新循環(huán)，最終形成正確的主張。

圖1論證探究式教學(xué)模型

（二）基于ADI的“對細胞膜結(jié)構(gòu)的探索”論證模型

“對細胞膜結(jié)構(gòu)的探索”是人教版高中生物學(xué)必修1第三章第一節(jié)第二部分的內(nèi)容。在之前的學(xué)習(xí)中，學(xué)生掌握了細胞膜的功能，探究過細胞膜的成分，并了解了細胞膜主要由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)構(gòu)成，同時通過探究過程掌握了科學(xué)的探究方法，這些都為本次學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

真正的科學(xué)論證過程應(yīng)該是這樣的：學(xué)生明確研究目的，并且能夠根據(jù)目的自主尋找可以佐證的材料，最終運用材料開展論證并得出正確的結(jié)論。本節(jié)內(nèi)容延續(xù)了第一節(jié)課的科學(xué)探究方法——結(jié)合科學(xué)史和相關(guān)資料，以科學(xué)家的思維進行論證。對高一的學(xué)生而言，他們雖然在第一節(jié)課中對相關(guān)內(nèi)容、方法有所了解，但讓其像科學(xué)家一樣進行論證探究還是具有一定難度的。因此，在第一節(jié)課的基礎(chǔ)上，筆者選擇引導(dǎo)式的科學(xué)探究方法，即提供相關(guān)的材料和證據(jù)，讓學(xué)生根據(jù)論證需要進行材料選擇。

在突破“蛋白質(zhì)在細胞膜上的分布\"這一教學(xué)重點時，教師提供事實材料，引導(dǎo)學(xué)生對蛋白質(zhì)的分布情況進行猜測。學(xué)生先結(jié)合資料，運用類比推理等方法形成主張；隨后，小組上臺展示論證過程，其他小組通過后續(xù)材料和事實對主張進行反駁和質(zhì)疑；最終得出蛋白質(zhì)在細胞膜上呈現(xiàn)出鑲在表面、嵌入其中、貫穿整體的結(jié)論。為修正細胞膜的靜態(tài)模型，教師提供相關(guān)資料，讓學(xué)生通過論證分析，形成正確的結(jié)構(gòu)觀。課堂結(jié)尾，為研判學(xué)生是否掌握了論證探究的方法以及是否達成了對細胞膜流動鑲嵌模型的共識，教師設(shè)計了課堂評價量表。

基于ADI的“對細胞膜結(jié)構(gòu)的探索”相關(guān)內(nèi)容的論證模型如圖2、3、4所示。

證據(jù)1：羅伯特森在電鏡下觀察到的 質(zhì)疑：單一電鏡下的圖 證據(jù)3：細胞膜的平均厚度為細胞膜呈現(xiàn)出暗—亮—暗的結(jié)構(gòu) 像不夠客觀，不足以說 7～10nm ，磷脂分子的平均厚證據(jù)2：電鏡下的大分子物質(zhì)一般透 明蛋白質(zhì)在細胞膜上 度為 2～3nm ，蛋白質(zhì)的平均光性較差，小分子物質(zhì)透光性較好 的分布情況 厚度為 10nm

主張：

1.蛋白質(zhì)均勻地分布↑ 原主張修正 主張

4.有的蛋白質(zhì)分布在

磷脂分子的內(nèi)部推理1：若細胞膜的結(jié)構(gòu)為“蛋白質(zhì)一磷脂一蛋白推理：由于蛋白質(zhì)為大分子物 質(zhì)”，那么細胞膜的厚度大約要有 22～23nm 但實際質(zhì)，磷脂為小分子物質(zhì)，推測蛋 其只有 7～10nm ；若蛋白質(zhì)單一地分布在磷脂分子白質(zhì)在細胞膜上的分布應(yīng)該是 的一側(cè)，那細胞膜的厚度應(yīng)該有 12～13nm （2“蛋白質(zhì)—磷脂一蛋白質(zhì)” 推理2：若細胞膜上的蛋白質(zhì)有的分布在膜的內(nèi)部，那么細胞膜的厚度大概為 10nm 推理1：胰島素不需要進入細胞，細胞便可以合成糖原，降低血糖含量，說明細胞膜表面有能夠感知胰島素傳遞信號的物質(zhì)推理2：水分子通過細胞膜的速率明顯高于人工膜，證明人工膜上缺少生物膜上的天然物質(zhì)，這種物質(zhì)能加速水分子的跨膜運輸速率，而磷脂分子的尾部是疏水的，所以這種物質(zhì)應(yīng)該形成了一種貫穿于磷脂分子的通道，避免水分子和磷脂分子接觸推理3：細胞膜內(nèi)部存在這樣一種物質(zhì)，它能夠?qū)Ｒ坏貙⒓毎獾奈镔|(zhì)運送到細胞內(nèi)部猜測：

圖4“細胞膜具有流動性\"論證模型

二、教學(xué)過程

（一）情境導(dǎo)入，分析討論，引出主題

合理的情境引人與使用，可以使學(xué)生在分析理論和解決問題時有實際依據(jù)，從而實現(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)。教師首先呈現(xiàn)本節(jié)課的貫穿式情境：20世紀初，血型還未廣泛普及應(yīng)用于臨床輸血時，曾有醫(yī)生嘗試給一名產(chǎn)后大出血的A型血女性輸血。當時并不知道供血者與受血者的血型，因此，在輸入B型血后不久，患者出現(xiàn)了嚴重的發(fā)熱、寒戰(zhàn)、腰痛等癥狀，隨后出現(xiàn)血紅蛋白尿，最終因急性腎衰竭而死亡。

材料展示后，教師請學(xué)生思考以下幾個問題：1.材料中的女性產(chǎn)生嚴重反應(yīng)的原因是什么？2.如果注射的是A型血，會不會引發(fā)這個問題？為什么？3.以上材料反映出生物體的細胞膜具有什么功能呢？4.如果你是一名科研工作者，需要注意哪些問題？學(xué)生依托生活常識及學(xué)習(xí)經(jīng)驗做出如表1的回答。緊接著，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：生物體的結(jié)構(gòu)與功能是緊密聯(lián)系的，特定的結(jié)構(gòu)往往對應(yīng)特定的功能，那細胞膜應(yīng)具備何種結(jié)構(gòu)才能實現(xiàn)其相應(yīng)的功能呢？結(jié)合上節(jié)課學(xué)習(xí)過的“細胞膜主要由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)構(gòu)成”知識，引出本節(jié)課的探究主題：蛋白質(zhì)在細胞膜上的分布。

表1學(xué)生解釋與科學(xué)解釋對比

續(xù)表

由表1可知，學(xué)生的回答傾向于口語化表達，尚未能夠從抽象和概括的角度構(gòu)建概念。但這種表達方式卻是學(xué)生理解問題的重要途徑，對學(xué)生構(gòu)建概念體系具有關(guān)鍵作用。因此，教師在協(xié)助學(xué)生深入理解概念本質(zhì)的同時，應(yīng)致力于將學(xué)生的口語化表達轉(zhuǎn)化為用專業(yè)術(shù)語來表達，以此培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和探究精神。此外，教學(xué)過程中，教師還應(yīng)恰當融入思想政治教育元素，如引導(dǎo)學(xué)生思考作為科研工作者應(yīng)如何行動，以增強學(xué)生的社會責任意識，從而全面落實立德樹人的根本任務(wù)。

（二）論證推理，質(zhì)疑反駁，修正主張

學(xué)生分組進行探討，推測蛋白質(zhì)在細胞膜上的分布情況，并各自陳述小組觀點。在此基礎(chǔ)上，教師呈現(xiàn)兩份關(guān)鍵資料：資料1展示了羅伯特森通過電子顯微鏡觀察到的細胞結(jié)構(gòu)，資料2闡述了電子顯微鏡成像的基本原理。隨后，教師提出了三個引導(dǎo)性問題：1.在電子顯微鏡下，細胞膜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了哪些特征？2.這些特征的成因是什么？3.細胞膜具有怎樣的結(jié)構(gòu)？通過這些問題，教師引導(dǎo)學(xué)生綜合分析電鏡圖像中細胞膜呈現(xiàn)的“暗一亮一暗”三層結(jié)構(gòu)，并結(jié)合電子顯微鏡成像原理，最終形成一個初步的主張：蛋白質(zhì)在細胞膜中均勻分布，細胞膜可能具有“蛋白質(zhì)一脂質(zhì)一蛋白質(zhì)”三層結(jié)構(gòu)。

科學(xué)探究是永無止境的，嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度是科研工作者的必備精神。有學(xué)生提出了質(zhì)疑：僅憑電子顯微鏡下的物像無法全面客觀地證實細胞膜的具體結(jié)構(gòu)。面對這一質(zhì)疑，教師提供關(guān)于細胞膜及其各組成部分厚度的詳細數(shù)據(jù)。各小組通過邏輯推理，發(fā)現(xiàn)原先的主張存在缺陷，并依據(jù)新數(shù)據(jù)提出了蛋白質(zhì)分布于細胞膜內(nèi)部的主張。隨后，各小組代表上臺展示他們的論證過程，其他小組成員則對論證過程進行補充和完善，共同完成對蛋白質(zhì)在細胞膜上的分布的初步論證。整個論證過程詳見圖2。

蛋白質(zhì)在細胞膜上的分布僅限于磷脂分子的內(nèi)部嗎？為了深人探討這一問題，教師提供四份關(guān)鍵資料：薩瑟蘭關(guān)于胰島素作用機制的實驗、水分子跨膜運輸速度對比實驗、人工脂質(zhì)體中載體蛋白轉(zhuǎn)運功能實驗，以及利用同位素標記法研究載體蛋白轉(zhuǎn)運功能實驗。學(xué)生利用這些資料，對蛋白質(zhì)在細胞膜上的分布進行推理分析。不過，這些推理主要基于細胞膜的功能，而非直接觀察，因此主張尚缺乏客觀證據(jù)。面對這一挑戰(zhàn)，教師進一步引導(dǎo)學(xué)生深人思考以下問題：1.細胞膜的基本骨架是什么？2.構(gòu)成細胞膜基本骨架的單元具有哪些特性？3.若蛋白質(zhì)分布其中，應(yīng)具備哪些特性？學(xué)生根據(jù)細胞膜的基本骨架一一磷脂雙分子層的特點，即頭部的磷酸基團具有親水性，尾部的脂肪酸鏈具有疏水性，推斷蛋白質(zhì)若分布于磷脂雙分子層中，也應(yīng)同時具有疏水區(qū)和親水區(qū)，以確保與磷脂分子的相容性，避免相互排斥。學(xué)生根據(jù)這一推理繪制蛋白質(zhì)在細胞膜上的分布圖。隨后，教師展示細胞膜蛋白親水區(qū)和疏水區(qū)的圖像（如圖5），以及蛋白質(zhì)在細胞膜中的分布圖（如圖6），并介紹科學(xué)家用于觀察蛋白質(zhì)分布的方法一一冰凍蝕刻法切割細胞膜。最終，學(xué)生根據(jù)這些材料對原有主張進行修正，并提出新的主張：細胞膜中的蛋白質(zhì)有的鑲嵌于磷脂雙分子層表面，有的嵌人其中，有的則貫穿整個磷脂雙分子層。整個論證過程詳見圖3。

圖5細胞膜蛋白的親水區(qū)和疏水區(qū)

圖6蛋白質(zhì)在細胞膜中的分布

圖7“糖類在細胞膜上的分布\"論證模型

探討細胞膜是動態(tài)結(jié)構(gòu)還是靜態(tài)結(jié)構(gòu)時，教師采用細胞融合模擬活動來進行引導(dǎo)。具體方法是：讓5名學(xué)生手牽手圍成一圈，模擬一個細胞，另5名學(xué)生模擬另一個細胞；將這兩個“細胞”合并，形成一個10人組成的大“細胞”。活動結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生進行深入思考：1.每位同學(xué)在模擬活動中代表的是什么？2.這兩個小組是如何實現(xiàn)融合的？3.從這個活動中可以得出什么結(jié)論？學(xué)生意識到，原有的5名學(xué)生需要改變位置才能讓另外5名學(xué)生加入。這一活動啟發(fā)學(xué)生認識到細胞膜的磷脂分子并非固定不動的，而是動態(tài)變化的。教師進一步要求學(xué)生舉例說明哪些生物學(xué)現(xiàn)象表明細胞膜是流動的。為了增強這一結(jié)論的科學(xué)性，教師引人阿克塞爾羅德等人的熒光漂白恢復(fù)技術(shù)以及弗雷和埃迪登等科學(xué)家進行的人、鼠細胞融合實驗的史料，從科學(xué)的角度證實細胞膜的流動性。整個論證過程詳見圖4。

（三）綜合分析，深度學(xué)習(xí)，補充主張

在學(xué)生提出疑問和反駁意見并形成新的主張之后，教師進一步指導(dǎo)學(xué)生整合之前提出的各種主張，以構(gòu)建一個更加全面和具體的關(guān)于細胞膜結(jié)構(gòu)的理論框架。在此基礎(chǔ)上，教師展示了細胞膜的流動鑲嵌模型，對學(xué)生提出的主張進行了細致的檢驗和評價。隨后，教師鼓勵學(xué)生深人思考如何證實細胞膜成分中確實存在糖類，以及如何揭示糖類的具體分布情況。學(xué)生運用論證模型來解答這一問題，相關(guān)論證過程如圖7所示。

（四）總結(jié)歸納，完善課堂評價體系

教學(xué)結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生對本節(jié)課的知識點進行總結(jié)，并鼓勵他們將課前教師提供的真實情境與所學(xué)知識聯(lián)系起來，重新進行解釋，從而實現(xiàn)知識向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)化。在學(xué)生論證的過程中，教師需及時對學(xué)生的論證過程和提出的主張進行評價，確保其科學(xué)性和可行性。這一評價過程通常采用表現(xiàn)性評價，因為它是基于解決具體問題和處理實際任務(wù)的量化評價方式3。針對本節(jié)課的教學(xué)目標，教師制定了相應(yīng)的教學(xué)評價標準，具體內(nèi)容如表2所示。

表2“對細胞膜結(jié)構(gòu)的探索”課堂評價量表

三、總結(jié)反思

學(xué)生基于論證主題的論證過程，實際上就是對生物學(xué)概念的深度學(xué)習(xí)和建構(gòu)過程。本節(jié)課將論證探究式教學(xué)模型應(yīng)用到高中生物學(xué)教學(xué)中，以真實情境作為切入點，基于“對細胞膜結(jié)構(gòu)的探索\"這一教學(xué)主題，延伸出\"細胞膜為‘蛋白質(zhì)一脂質(zhì)一蛋白質(zhì)’的結(jié)構(gòu)\"和“細胞膜具有流動性”兩個子主題。學(xué)生通過分析、比較、綜合，形成初步主張，后續(xù)又通過質(zhì)疑反駁、搜集證據(jù)修正主張，最終得到結(jié)論。學(xué)生在形成初步主張時會有很多千奇百怪的想法，有些甚至缺乏科學(xué)性。因此，教師在面對這些想法的時候一定要嚴肅、認真地對待，通過小組評議和引導(dǎo)讓學(xué)生明確該想法的不足，這樣才能夠保護學(xué)生的好奇心、自尊心和求知欲，鼓勵他們勇敢地面對科學(xué)探究的過程。此外，在情境選擇和探究過程中，教師應(yīng)巧妙地融入思想政治教育元素。例如，引導(dǎo)學(xué)生思考：作為科研工作者，面對輸血錯誤事件應(yīng)采取何種行動？科學(xué)家為追求科研真相付出了努力，我們應(yīng)如何效仿？通過這些元素來實現(xiàn)對學(xué)生社會責任和科學(xué)精神的培養(yǎng)。最后，讓學(xué)生將本節(jié)課所學(xué)的知識應(yīng)用到實際問題解決中，以實現(xiàn)知識的學(xué)有所用。

盡管論證探究式教學(xué)模型能夠有效提升學(xué)生的科學(xué)思維能力，但并非所有的教學(xué)內(nèi)容都適宜采用這種探究式的教學(xué)方法。一般來說，適合運用論證探究式教學(xué)模型的內(nèi)容需滿足以下特征：1.應(yīng)具備一定的挑戰(zhàn)性及內(nèi)在邏輯性，以便進行有效的推理和論證；2.應(yīng)基于扎實的科學(xué)背景，包含確鑿的事實材料或科學(xué)數(shù)據(jù)，可為論證提供堅實的證據(jù)基礎(chǔ)；3.應(yīng)與學(xué)生的認知相契合，并與生活實際相聯(lián)系，便于構(gòu)建貼近實際的教學(xué)情境。

[參考文獻]

[1」中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]SAMPSON V，GROOMS J. Science as argument-driven inquiry：the impact on students'conceptions ofthenature ofscientific Inquiry[J].International jouralofscience education，2008，31（5）：655-674.

[3」錢敏艷.指向?qū)W科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標敘寫與課堂實踐：以“種群的數(shù)量特征”為例[J].中學(xué)生物學(xué)，2022，38（7）：11-13.

（責任編輯 羅艷）