基于科學(xué)發(fā)展史的論證式教學(xué)設(shè)計(jì)研究

黃巍 林松

1問(wèn)題的提出：科學(xué)發(fā)展史與論證式教學(xué)的關(guān)系

1958年，英國(guó)哲學(xué)家圖爾敏（Toulmin）提出了論證研究的經(jīng)典模型。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，“知識(shí)推理”和“論證”被引入課堂，論證式教學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。基于科學(xué)發(fā)展史的論證式教學(xué)能夠讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C推理方式，學(xué)習(xí)科學(xué)家解決科學(xué)問(wèn)題的思考方式和研究方法，運(yùn)用生物學(xué)事實(shí)進(jìn)行思維，利用實(shí)驗(yàn)證據(jù)和邏輯進(jìn)行論證，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的有效手段。

2科學(xué)發(fā)展史論證式教學(xué)的課前準(zhǔn)備

高中生物中很多知識(shí)的形成都經(jīng)歷了科學(xué)家漫長(zhǎng)的探索歷程，學(xué)生無(wú)法通過(guò)推理或?qū)嶒?yàn)探究獲得，這就要求教師提供較多事實(shí)性資料，通過(guò)合理設(shè)計(jì)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)概念。

2.1掌握學(xué)科知識(shí)的發(fā)展史

科學(xué)發(fā)展史的論證式教學(xué)設(shè)計(jì)，無(wú)論是以新的理論發(fā)現(xiàn)和概念構(gòu)建過(guò)程作為論證的主題，還是將科學(xué)發(fā)展歷程中的實(shí)驗(yàn)證據(jù)、演繹推理過(guò)程等作為教學(xué)的素材，都要求教師準(zhǔn)確、全面掌握相關(guān)科學(xué)史內(nèi)容。

2.1.1獲取科學(xué)研究的原始資料

科學(xué)研究的原始資料包括科學(xué)家發(fā)表的原始論文、手稿、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、照片等。原始資料可以確保教學(xué)內(nèi)容的真實(shí)可靠，讓學(xué)生在重溫科學(xué)家的研究歷程中，更深入地理解學(xué)科知識(shí)的發(fā)展起源和過(guò)程。

2.1.2關(guān)注科學(xué)研究的發(fā)展歷程

科學(xué)理論的發(fā)展歷程是新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)不斷累積的過(guò)程，是科學(xué)家不同觀點(diǎn)之間不斷質(zhì)疑、推理和論證的過(guò)程。例如，在探究光合作用產(chǎn)生氧氣來(lái)源的歷程中，從范·尼爾提出設(shè)想，到希爾實(shí)驗(yàn)的部分印證，再到魯賓、卡門(mén)的同位素示蹤實(shí)驗(yàn)，才最終證明氧氣全部來(lái)自于水。因此，教師在收集素材時(shí)不能只重視研究結(jié)果，更應(yīng)關(guān)注知識(shí)形成的過(guò)程。

2.2建構(gòu)論證式教學(xué)的模型

以圖爾敏的經(jīng)典論證模型為基礎(chǔ)，建構(gòu)基于科學(xué)發(fā)展史的論證式教學(xué)模型（圖1）。該模型的第一階段是“創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境”，教師根據(jù)學(xué)生的前概念創(chuàng)設(shè)情境，在引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突的基礎(chǔ)上，促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并提出問(wèn)題。第二階段是“分析資料一提出主張”，學(xué)生根據(jù)教師提供的科學(xué)史素材提出主張，即對(duì)問(wèn)題的猜想、解釋或假設(shè)。第三階段是“分析證據(jù)一質(zhì)疑辯駁一修正主張一得出結(jié)論”，學(xué)生通過(guò)小組合作學(xué)習(xí)的形式，分析科學(xué)家的研究過(guò)程和結(jié)果，以此為論據(jù)對(duì)之前提出的主張進(jìn)行論證，在質(zhì)疑、辯駁的過(guò)程中修正主張，還可以依據(jù)新的事實(shí)和證據(jù)反復(fù)修正，得出結(jié)論。

2.3基于論證的問(wèn)題設(shè)計(jì)

論證式教學(xué)需要學(xué)生積極參與思考、探究和論證。教師應(yīng)設(shè)計(jì)高質(zhì)量的問(wèn)題，讓學(xué)生在解決問(wèn)題時(shí)實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自主建構(gòu)，提升科學(xué)思維能力。教師在設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，要注意：①教師可圍繞科學(xué)研究的核心思想、關(guān)鍵步驟和價(jià)值意義等進(jìn)行設(shè)計(jì)問(wèn)題，問(wèn)題要有一定的挑戰(zhàn)性。②教師應(yīng)基于提供給學(xué)生的科學(xué)史資料，提出問(wèn)題，讓學(xué)生在問(wèn)題的引發(fā)下，從資料中獲取證據(jù)對(duì)主張進(jìn)行評(píng)估、辯駁、修正和完善。③在科學(xué)研究過(guò)程中，一個(gè)問(wèn)題的解決不是研究的終結(jié)，往往還伴隨著新問(wèn)題的產(chǎn)生。因此，問(wèn)題應(yīng)有遞進(jìn)性，能引導(dǎo)學(xué)生持續(xù)、深入地探究，保持學(xué)習(xí)的動(dòng)力與興趣。④對(duì)同樣的現(xiàn)象或研究結(jié)果，不同的科學(xué)家會(huì)有不同的解讀。問(wèn)題應(yīng)能引發(fā)學(xué)生不同的見(jiàn)解，促進(jìn)學(xué)生在爭(zhēng)論中完成對(duì)知識(shí)的建構(gòu)。⑤提出的問(wèn)題應(yīng)能引發(fā)學(xué)生思考，在思考的基礎(chǔ)上產(chǎn)生疑問(wèn)，進(jìn)而提出問(wèn)題，培養(yǎng)批判性思維和創(chuàng)新精神。

3“光合作用的探究歷程”的論證式教學(xué)設(shè)計(jì)

“光合作用的探究歷程”一節(jié)課，闡述了科學(xué)家探索光合作用過(guò)程和本質(zhì)的漫長(zhǎng)歷程，筆者圍繞三個(gè)核心概念創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生基于教師提供的事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用科學(xué)論證推理的方法，分析和體驗(yàn)科學(xué)家對(duì)光合作用的探索歷程，讓學(xué)生逐步自主建構(gòu)概念，從而突破教學(xué)難點(diǎn)。

3.1“光反應(yīng)和暗反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)”的論證式教學(xué)具體步驟

3.1.1創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境

教師提出問(wèn)題：光合作用一定要在光照下進(jìn)行嗎？

3.1.2分析資料，提出主張

教師提供資料1：1771年，普利斯特利證實(shí)“植物能夠更新空氣”。1779年，英格豪斯發(fā)現(xiàn)：只有在光照下“植物更新空氣”才能成功。

學(xué)生分組討論，提出主張：光合作用需要光照。

3.1.3分析證據(jù)，修正主張

教師提供資料2：20世紀(jì)初，布萊克曼研究了多因素對(duì)光合作用的影響。他發(fā)現(xiàn)，光照強(qiáng)度較低時(shí)，光合作用的主要限制因素是“光照強(qiáng)度”，而在較高光照強(qiáng)度下，則為“溫度”和“CO2濃度”。

學(xué)生分組討論，在教師的引導(dǎo)下，通過(guò)質(zhì)疑和辯駁，發(fā)現(xiàn)：如果光合作用反應(yīng)的全過(guò)程都需要光照，則在不同光照強(qiáng)度下，光照強(qiáng)度應(yīng)該都是光合作用的主要限制因素。但在較高的光照強(qiáng)度下，光照強(qiáng)度的增強(qiáng)并不能使光合作用速率進(jìn)一步提高，主要限制因素變?yōu)闇囟群虲O2濃度。學(xué)生從而修正主張：光合作用可能存在需要光和不需要光的兩個(gè)反應(yīng)階段。

3.1.4分析證據(jù)，驗(yàn)證主張，得出結(jié)論

教師提供資料3：德國(guó)科學(xué)家瓦伯格用小球藻進(jìn)行閃光試驗(yàn)，每組處理總時(shí)長(zhǎng)均為135s。A組先光照后黑暗，時(shí)間各67.5s;B組先光照后黑暗，光暗交替處理，時(shí)間各7.5s;C組先光照后黑暗，光暗交替處理，時(shí)間各3.75s：D組光照時(shí)間為135s。四組的光合作用產(chǎn)物的相對(duì)含量分別為50%、70%、94%、100%。并提出問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生思考：①同樣光照時(shí)間內(nèi)，哪組植物合成的有機(jī)物最多？②單位光照時(shí)間內(nèi)，為何光暗交替的C組比一直光照的D組光合作用的產(chǎn)物更多？③A、B、c三組結(jié)果比較，光照交替的頻率越高，產(chǎn)物越多，這說(shuō)明什么？

學(xué)生分析資料，討論后發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)挝还庹諘r(shí)間內(nèi)，光暗交替的C組比一直光照的D組所產(chǎn)生的光合作用的產(chǎn)物更多，說(shuō)明植物在黑暗時(shí)仍能進(jìn)行光合作用，這意味著光合作用反應(yīng)中確實(shí)存在需要光和不需要光的兩個(gè)反應(yīng)階段，即“光反應(yīng)”和“暗反應(yīng)”。光照交替的頻率越高，產(chǎn)物越多，說(shuō)明當(dāng)失去光照的支持時(shí)，光合作用不能維持太長(zhǎng)時(shí)間，說(shuō)明兩個(gè)反應(yīng)之間存在聯(lián)系，暗反應(yīng)的進(jìn)行需要光反應(yīng)為其提供支持。

3.1.5得出結(jié)論

學(xué)生根據(jù)分析瓦伯格的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論：光合作用存在“光反應(yīng)”和“暗反應(yīng)”不同階段。

3.2“探究光合作用產(chǎn)物中氧氣來(lái)源”的論證式教學(xué)具體步驟

3.2.1創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境

教師提出問(wèn)題：光合作用的反應(yīng)物中H2O和CO2均含有O，產(chǎn)物中的O2來(lái)源是H2O，還是CO2？或者二者兼有？

3.2.2分析資料，提出主張

教師提供資料1：因?yàn)闅怏w間更易轉(zhuǎn)化，19世紀(jì)末的科學(xué)家普遍認(rèn)為，CO2在光的作用下被分解為CO和O2。

學(xué)生分析資料，提出主張：O2來(lái)自于同為氣體的CO2。

3.2.3分析證據(jù)，修正主張

教師提供資料2：范·尼爾通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出紫硫細(xì)菌合成有機(jī)物的反應(yīng)式，從氧化還原的角度出發(fā)，與高等植物的光合作用進(jìn)行比較研究。

根據(jù)資料，教師提出問(wèn)題：①紫硫細(xì)菌的這個(gè)反應(yīng)是光合作用嗎？為什么？②兩個(gè)反應(yīng)式有什么異同點(diǎn)？③比較研究的結(jié)果，對(duì)探究氧氣來(lái)源有何啟示？

教師引導(dǎo)學(xué)生分析資料，進(jìn)行質(zhì)疑和辯駁。有的學(xué)生認(rèn)為“紫硫細(xì)菌的這個(gè)反應(yīng)是光合作用，因?yàn)槔霉饽軐O2合成有機(jī)物”;有的學(xué)生認(rèn)為“該反應(yīng)不是光合作用，因?yàn)闆](méi)有產(chǎn)生O2”。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)反應(yīng)都利用光能將CO2合成有機(jī)物，但高等植物和紫硫細(xì)菌反應(yīng)產(chǎn)物中分別有O2和S，紫硫細(xì)菌反應(yīng)產(chǎn)物中的S明顯來(lái)自H2S，通過(guò)類(lèi)比推理，可以推測(cè)光合作用產(chǎn)生的O2來(lái)自于H2O，而非CO2。學(xué)生修正主張：O2可能來(lái)自于H2O。

3.2.4分析證據(jù)，驗(yàn)證主張

教師提供資料3：英國(guó)化學(xué)家希爾在一個(gè)密閉的裝置中加入離體葉綠體的懸浮液和高鐵鹽，并進(jìn)行抽真空處理，在光照下，該實(shí)驗(yàn)裝置中產(chǎn)生了O2。并提出問(wèn)題：①希爾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出什么結(jié)論？②該實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有產(chǎn)生糖，若通入CO2后重復(fù)實(shí)驗(yàn)，就可以產(chǎn)生糖，說(shuō)明什么？③希爾實(shí)驗(yàn)是否能夠證明O2只來(lái)自H2O7

學(xué)生分析資料，通過(guò)質(zhì)疑和辯駁，發(fā)現(xiàn)：①在抽真空處理后，裝置中沒(méi)有CO2，在光照下能產(chǎn)生O2，說(shuō)明光合作用產(chǎn)生的O2來(lái)自于H2O;②希爾實(shí)驗(yàn)中水光解產(chǎn)生O2和利用CO2產(chǎn)生糖應(yīng)該是兩個(gè)不同的過(guò)程，再一次為光合作用存在著需要光的光反應(yīng)階段和不需要光的暗反應(yīng)階段提供了有力證據(jù);③該實(shí)驗(yàn)只能證明O2有來(lái)自H2O，但是O2可能也來(lái)源于CO2。教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考：什么方法可以更加直接地證明氧氣的來(lái)源？請(qǐng)學(xué)生閱讀并分析以下資料。

教師提供資料4：美國(guó)科學(xué)家魯賓、卡門(mén)利用3組含有不同比例同位素¹⁸O的水和碳酸氫鹽分別培養(yǎng)小球藻，光照相同時(shí)間后，檢測(cè)產(chǎn)生的氧氣中含¹⁸O的比率與水中含¹⁸O的比例基本相同。

學(xué)生分析資料，根據(jù)魯賓、卡門(mén)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證主張：O2全部來(lái)源于H2O。

3.2.5得出結(jié)論

學(xué)生得出結(jié)論：在關(guān)于氧氣來(lái)源的探究歷程中，科學(xué)家們綜合運(yùn)用了生物學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)的研究方法、成果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證據(jù)累積，證明了光合作用產(chǎn)生的氧氣全部來(lái)自于水。

教學(xué)流程歸納為如圖3所示。

3.3“探究碳同化途徑”的論證式教學(xué)具體步驟

3.3.1創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境

教師提出問(wèn)題：1785年科學(xué)家明確光合作用吸收CO2，1864年薩克斯證明光合作用產(chǎn)物中有淀粉。那么，CO2是如何轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的？

3.3.2分析資料，提出主張

教師提供資料1：卡爾文將培養(yǎng)出來(lái)的多組小球藻置于密閉容器中，注入¹⁴CO2，每隔一段時(shí)間（如0.5s、5s、30s），將小球藻浸入熱乙醇中殺死并提取研磨液，分離、鑒定其中全部含¹⁴C的標(biāo)記物。同化時(shí)間設(shè)定5s時(shí)C3（三碳化合物）、C5（五碳化合物）和葡萄糖穩(wěn)定地顯現(xiàn)，把時(shí)間縮N o.5s時(shí)，C3是第一個(gè)顯現(xiàn)的穩(wěn)定產(chǎn)物。

學(xué)生分組討論、分析，發(fā)現(xiàn)：“同化時(shí)間越長(zhǎng)，能檢測(cè)到含“C的穩(wěn)定產(chǎn)物就越多，新出現(xiàn)的產(chǎn)物應(yīng)該是光合作用反應(yīng)中較晚產(chǎn)生的物質(zhì)，由此就可以確定含¹⁴C有機(jī)物出現(xiàn)的時(shí)間順序。C3是第一個(gè)顯現(xiàn)的穩(wěn)定產(chǎn)物，因此C3是光合作用反應(yīng)中由CO2轉(zhuǎn)化形成的第一種物質(zhì)。從而提出主張：CO2→C3→C5;CO2→C3→（CH2O）。

3.3.3分析證據(jù)，修正主張

4總結(jié)：基于科學(xué)發(fā)展史的論證式教學(xué)的教育價(jià)值

培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是生物學(xué)教學(xué)的重要目標(biāo)。讓學(xué)生學(xué)會(huì)在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題，并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析、解決問(wèn)題，是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑?？茖W(xué)發(fā)展史呈現(xiàn)了知識(shí)形成的完整過(guò)程，蘊(yùn)含著豐富的學(xué)科思維，是真實(shí)情境的重要來(lái)源。

新的科學(xué)理論的建立往往是在原有理論（觀念）與新信息（證據(jù)）之間引發(fā)的認(rèn)知沖突中，經(jīng)過(guò)質(zhì)疑、推理和論證等認(rèn)知過(guò)程形成的。論證式教學(xué)將科學(xué)理論建立過(guò)程的論證活動(dòng)遷移到課堂中，相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)模式中教師的直接講授，論證式教學(xué)更加注重讓學(xué)生在依據(jù)事實(shí)和證據(jù)對(duì)原有理論（觀念）進(jìn)行辯駁、修正的過(guò)程中自主構(gòu)建核心概念，讓學(xué)習(xí)知識(shí)和提升思維有機(jī)融合，能夠有效提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。