論證式教學策略在高中生物科學史教學中的應用

林秋映

1論證式教學策略

論證式教學策略在20世紀90年代提出，是當前國際科學教育比較關注的研究領域。其實質就是將科學研究中的論證引入課堂教學，讓學生經歷類似科學家的論證實踐活動，在分析資料、得出主張、反思質疑、辯駁論證中探究問題，體驗知識的構建過程。本文主要參考Toulmin論證模式（由圖1所示）來進行論證式教學。

2高中生物教材中的科學史

生物科學史是生物科學發生、發展的歷史，包括生物科學知識的發展、生物科學方法的演進以及生物科學家的科學精神。生物科學史不僅隱含豐富的科學實驗方法和科學觀點，而且具有很高的情感教育價值，是高中生物教學中不可缺少的部分。人教版高中生物教材中的科學史有細胞學說的建立過程、生物膜結構的探索歷程、酶的本質、光合作用的探究歷程、基因位于染色體上、DNA雙螺旋結構模型的構建、植物生長素的發現等。科學的發展往往是一個“肯定一否定一肯定”的循環過程，特定階段得出的科學結論往往需要經受后來者的質疑，這與論證式教學不謀而合。因此，論證式教學策略非常適用于科學史教學。

3“生物膜的流動鑲嵌模型”的論證式教學策略

以當今科學教育界倡導的論證模式為設計思路，將“對生物膜結構的探索歷程”分為三個核心問題。按照“提出問題，提出觀點，提出質疑，辯駁論證”的流程教師，引導學生在分析和體驗科學家建立生物膜模型的過程中，逐步形成關于生物膜結構的科學觀點。最后，教師借助教具，根據已有科學結論，促進學生建構生物膜的流動鑲嵌模型，從而突出教學重點。

3.1對生物膜成分的探索

教師提出問題：一種物質或物體的結構，實際上是指其組成成分之間的組合形式，探索生物膜的結構，首先需要知道膜的組成成分是什么。

教師提供資料：19世紀末，歐文頓用500多種物質對植物細胞進行上萬次的通透性實驗，發現凡是溶于脂質比不能溶于脂質的物質更易進入細胞。

教師引導學生提出假說：膜由脂質組成。

教師引導學生提出質疑：資料是否為假說提供了充分的論據支撐？

教師提供資料：①科學家在實驗中發現，細胞膜會被溶解脂質的溶劑溶解，也會被蛋白酶分解，使得細胞膜被破壞。②20世紀初，科學家第一次將膜從哺乳動物的紅細胞中分離出來，化學分析表明，膜的主要成分是脂質和蛋白質。

教師引導學生得出結論：膜的主要成分是脂質和蛋白質。

探索生物膜成分的論證式教學流程歸納為圖2。

3.2對磷脂分子排布的探索

教師提出問題：既然膜的成分主要是脂質和蛋白質，那么這些成分是怎么組成膜的？

教師提供資料：經檢驗證明，細胞膜中的脂質主要是指磷脂。磷脂是一種由甘油、脂肪酸和磷酸等所組成的分子，“頭”部磷酸是親水的，“尾”部脂肪酸是疏水的。

教師引導學生構建模型：畫出磷脂分子在空氣一水界面的排列方式。

教師提供論據：1917年，朗姆瓦將磷脂分子在空氣水界面排成單層，結果頭部浸入水中，尾部浮于水面。

教師提供論據：單細胞生物草履蟲生活在有水的環境中；人體血細胞生活在血液中，血液的主要成分是水；人體其他組織細胞生活在組織液中，其主要成分也是水，并且細胞內有85%～90%的化合物是水。

教師引導學生提出質疑：在內外都是水的環境中，磷脂分子會如何排列？

教師引導學生構建模型：畫出磷脂分子完全在水中的排列。

教師提供論據：1925年，荷蘭科學家戈特和格倫德，用丙酮從人的紅細胞膜中提取脂質，在空氣一水界面上鋪展成單分子層，測得單分子層的面積約為紅細胞表面積的2倍。

教師引導學生得出結論：磷脂分子頭部朝外，尾部朝內，排成連續的兩層。

探索磷脂分子排布的論證式教學流程歸納為圖3。

3.3對蛋白質分子排布和膜流動性的探索

教師提出問題：膜的成分主要是磷脂和蛋白質，磷脂分子的排布清楚了，那蛋白質是如何排布的呢？

教師提供資料：20世紀50年代，電子顯微鏡誕生了。電子顯微鏡的工作原理是電子束照到大分子物質上會呈現黑暗，反之呈現明亮。科學家用它來觀察細胞膜。1959年，羅伯特森在電鏡下看到細胞膜呈現清晰的暗—明—暗的三層結構，并結合其他科學家的工作，大膽提出生物膜的單位膜模型。

教師引導學生提煉單位膜模型的兩個觀點：①膜為蛋白質—脂質—蛋白質三層，蛋白質呈對稱分布；②蛋白質分子和磷脂分子都是靜止不動的。

教師提供論據：構成蛋白質的氨基酸的側鏈基團，有的疏水，有的親水。有的蛋白質外圍都是親水基團，疏水基團藏于內部，則整個蛋白質親水；有的蛋白質外圍都是疏水基團，親水基團藏于內部，則整個蛋白質疏水；有的蛋白質部分親水，部分疏水。

教師引導學生提出質疑：蛋白質是對稱地分布在脂質外部嗎？

教師引導學生構建模型：在磷脂雙分子層上畫出蛋白質的可能排布。

教師提供論據：隨著冰凍蝕刻技術的發展，科學家觀察到細胞膜的具體結構。冰凍蝕刻技術原理是將標本用干冰、液氮等冰凍后，用冷刀斷開，升溫后干冰迅速升華，從而暴露出斷裂面結構，再經特殊處理，可用電鏡觀察到細胞膜結構（展示圖片）。

教師引導學生修正觀點①：蛋白質分子有的鑲在磷脂分子的表面，有的部分或全部嵌入磷脂雙分子層中，有的橫跨整個磷脂雙分子層。

教師提供論據：變形蟲運動和攝食；分泌蛋白形成過程；洋蔥鱗片葉外表皮細胞的質壁分離。

教師引導學生提出質疑：生物膜是靜止不動的嗎？

教師引導學生閱讀書本：1970年，弗雷和埃迪登進行了熒光標記的小鼠細胞和人細胞融合實驗。用發紅色熒光的染料標記人細胞表面的蛋白質分子，用發綠色熒光的染料標記小鼠細胞表面的蛋白質分子，將小鼠細胞與人細胞融合。這兩種細胞剛融合時，融合細胞的一半發綠色熒光，一半發紅色熒光，在37℃下經過40 min，兩種顏色的熒光均勻分布。

教師提供論據：磷脂分子細胞膜上的脂質分子主要有四種運動方式：①沿膜平面的側向運動；②圍繞軸心的自旋運動；③尾部的擺動運動；④雙層分子之間的翻轉運動。

教師引導學生修正觀點②：膜上蛋白質分子和磷脂分子可以運動；膜具有一定的流動性。

教師引導學生建構模型：學生結合已有的科學知識，利用教具建構生物膜模型，說出膜的組成成分、基本支架、蛋白質的存在形式和結構特點。

教師引導學生認可主張：1972年，桑格和尼克森提出的流動鑲嵌模型的主要內容。

探索蛋白質排布和膜流動性的論證式教學流程歸納為圖4。

4教學反思

4.1問題導向，脈絡清晰

教師將生物膜結構的探索歷程分解為生物膜組成成分、磷脂分子的排布、蛋白質分子的排布和膜的流動性4個問題，把關于生物膜結構探索歷程的科學史梳理得較為清晰。

4.2論證教學，邏輯嚴謹

教師遵循“提出問題——分析資料，提出觀點——分析資料，提出質疑——分析資料，辯駁論證——修正（認可）觀點”的教學流程，使結論的得出更加嚴謹，更具有說服力，同時還鍛煉了學生的理性思維和批判質疑精神。

4.3模型建構，重點突出

模型構建方法貫穿整個探索歷程。學生體驗到建構模型的方法，并在得出科學結論后，利用已有知識構建模型，說出流動鑲嵌模型基本內容，從而強化了對流動鑲嵌模型的理解。