立足生物學(xué)模型構(gòu)建的論證式教學(xué)研究

左開俊

模型構(gòu)建作為生命科學(xué)研究中常用于簡化描述、客觀描繪或結(jié)構(gòu)搭建一些現(xiàn)象或事實的方式，通常被生物學(xué)家所使用。在實際的生物學(xué)模型構(gòu)建課教學(xué)中，模型特征的強加預(yù)設(shè)、虛假探究與要點灌輸?shù)痊F(xiàn)象常有發(fā)生，其課程價值得不到深度開發(fā)與轉(zhuǎn)化。與此同時，論證式教學(xué)作為近年來國際科學(xué)教育界常被提及的教學(xué)法，尚缺乏在模型構(gòu)建課中的實踐研究。因此，研究者嘗試立足生物學(xué)模型構(gòu)建課進(jìn)行論證式教學(xué)研究。

一、以論證式教學(xué)實施模型構(gòu)建的優(yōu)勢分析

（一）論證任務(wù)可促進(jìn)學(xué)生建?；顒拥木呱砘?/h3>

論證式教學(xué)是一種將科學(xué)論證引入課堂，讓學(xué)生循著事實、證據(jù)進(jìn)行推理分析，逐步得出結(jié)論的一種教學(xué)方法或模式。從表象上來看，論證式教學(xué)是給予了學(xué)生一定論證任務(wù)的，而這些任務(wù)通常會以問題的形式牽引著學(xué)生思考，讓學(xué)生在任務(wù)的驅(qū)動下達(dá)成主動學(xué)習(xí)。此外，論證式教學(xué)中發(fā)布的學(xué)習(xí)任務(wù)必須是激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，與他們的生活實際相關(guān)聯(lián)；并且任務(wù)的設(shè)置應(yīng)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，通過學(xué)生借由各類先行組織者材料進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)、科學(xué)探究或推理論證而完成。論證式教學(xué)中給予的論證任務(wù)應(yīng)具備激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、增強學(xué)生探究欲望，并促進(jìn)他們實踐應(yīng)用的功能。而學(xué)生進(jìn)行模型構(gòu)建的過程也并非一蹴而就，往往需要其憑借自身的興趣與探究欲望，在一次次建模修整與完善中收獲成就感。由此可見，論證式教學(xué)中的論證任務(wù)恰恰給予了學(xué)生模型構(gòu)建的各類學(xué)習(xí)活動，并且能夠讓學(xué)生在親身經(jīng)歷、關(guān)聯(lián)實際與拾級而上中，不斷達(dá)成具身化的學(xué)習(xí)過程。

（二）論證要素可助推學(xué)生建模認(rèn)知的條件性

科學(xué)論證教學(xué)源起于西方，而論證的英文為argument（討論），可見論證的過程應(yīng)當(dāng)是學(xué)習(xí)者與情境材料、數(shù)據(jù)表單、他人經(jīng)驗等不斷討論，進(jìn)而綜合得出自我判斷的過程。誠然，科學(xué)論證的過程并非憑空臆測或直覺推斷，它需要經(jīng)由事實證據(jù)鏈的反復(fù)推理、不斷分析方能得出優(yōu)質(zhì)答案。正如麥克尼爾教授在簡化了科學(xué)論證的模型時所提出的科學(xué)論證至少包含“證據(jù)——推理——主張”三類基本要素[1]?？梢姡茖W(xué)家真實的模型構(gòu)建是根據(jù)部分限定條件推測的，并會隨著條件證據(jù)的改變不斷發(fā)生變化，這也體現(xiàn)了科學(xué)本質(zhì)中知識的暫定性。然而，學(xué)生在初步學(xué)習(xí)生物學(xué)模型構(gòu)建課的時候，易被其外觀美感與特征要點所吸引，而忽視模型構(gòu)建背后經(jīng)由條件限制與證據(jù)推理發(fā)生的條分縷析過程。以論證式教學(xué)進(jìn)行模型構(gòu)建教學(xué)，往往會先讓學(xué)生區(qū)分什么是證據(jù)、推論與主張，并依據(jù)相關(guān)證據(jù)分析推理去評價模型適切性，進(jìn)而調(diào)整完善模型。學(xué)生經(jīng)歷了科學(xué)論證的過程，不僅可以讓學(xué)生體會到科學(xué)家建模過程的艱辛與堅守，還能夠讓學(xué)生認(rèn)識到當(dāng)下科學(xué)世界的構(gòu)建均源自事實推論間的螺旋式上升。

（三）論證過程可達(dá)成學(xué)生建模思維的科學(xué)化

論證式教學(xué)不僅包含了上文所述的科學(xué)證據(jù)與共同體主張之間的討論過程，還包含了學(xué)生推理顯性化、明晰化與不斷完善的過程。學(xué)生推理的過程就是其思維的變化過程，因而論證過程包含了學(xué)生個體圖式的修正。受限于含蓄、內(nèi)斂、強調(diào)努力學(xué)習(xí)的傳統(tǒng)教學(xué)文化，我國多數(shù)的科學(xué)課堂教學(xué)并不熱鬧，學(xué)生學(xué)習(xí)模型構(gòu)建的思維是默會與內(nèi)隱的，其在論證模型構(gòu)建合理性的時候往往會因思維的淺層或偏頗，導(dǎo)致模型構(gòu)建的囫圇吞棗。而科學(xué)論證教學(xué)的過程可以將學(xué)生推理過程顯性化暴露出來，并依據(jù)各類證據(jù)不斷完善修正，學(xué)生在此過程中便達(dá)成了自身建模思維的科學(xué)化。正如何克抗教授所言，建模思維中體現(xiàn)著定性思維、定量思維、計算思維與系統(tǒng)思維等[2]。想要促進(jìn)這些思維的不斷生成、完善，乃至于科學(xué)化，必然是一個不斷學(xué)習(xí)與探索的過程，而論證式教學(xué)恰恰印證了這一過程。論證式教學(xué)中的“證據(jù)為基”體現(xiàn)了以質(zhì)性或量化資料為依據(jù)的定性或定量思維，而其中推理過程的不斷完善、隨著證據(jù)的更新而不斷統(tǒng)整，則體現(xiàn)了模型構(gòu)建中所需要的系統(tǒng)思維。

二、以論證式教學(xué)實施模型構(gòu)建的課例展示

（一）依據(jù)情境體驗，構(gòu)建經(jīng)典模型

教學(xué)過程：教師首先依據(jù)生活情境析出模型構(gòu)建的現(xiàn)象，即以學(xué)生日常生活經(jīng)歷為啟動點，激發(fā)學(xué)生歸納“植物細(xì)胞吸水和失水”的生活現(xiàn)象，例如“糖拌西紅柿，有水滲出”、“萎蔫的花枝插入清水瓶中，又重回堅挺”等。緊接著，教師讓學(xué)生依據(jù)現(xiàn)象進(jìn)行微觀的模型構(gòu)建與解釋，即以上述現(xiàn)象為啟發(fā)點，激發(fā)學(xué)生從細(xì)胞結(jié)構(gòu)的視角，畫出水分從細(xì)胞滲出或進(jìn)入的模型圖，總結(jié)出植物吸水和失水的原理。當(dāng)細(xì)胞液濃度比外界溶液濃度低時，細(xì)胞液的水分就會穿過原生質(zhì)層向細(xì)胞外滲出，液泡的體積逐漸縮小，由于原生質(zhì)層的伸縮性大于細(xì)胞壁的伸縮性，所以當(dāng)細(xì)胞壁停止收縮后，原生質(zhì)層繼續(xù)收縮，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜與細(xì)胞壁分開，這種現(xiàn)象就稱之為質(zhì)壁分離；反之稱為質(zhì)壁分離復(fù)原。接下來，教師則讓學(xué)生根據(jù)教材的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)探究，即用洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞為實驗材料，分別用0.3 g/ml的蔗糖溶液、清水驗證植物細(xì)胞的吸水和失水模型的科學(xué)性與可行性。

設(shè)計意圖：從學(xué)生生活經(jīng)歷中尋找鮮明目標(biāo)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)身邊發(fā)生的生物學(xué)現(xiàn)象（滲透失水和吸水），激發(fā)其對解決生物學(xué)現(xiàn)象的學(xué)習(xí)欲望；然后，引導(dǎo)學(xué)生從細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型的角度出發(fā)，結(jié)合相關(guān)已學(xué)知識，通過演繹與推理，畫出成熟植物細(xì)胞質(zhì)壁分離的模型圖；最后結(jié)合科學(xué)實踐，闡述生命現(xiàn)象，論證“質(zhì)壁分離與復(fù)原”模型構(gòu)建的科學(xué)性、合理性。該教學(xué)過程的深度含義有三：第一，讓學(xué)生感受糖拌西紅柿失水現(xiàn)象，有助于觸動其右大腦半球形象思維區(qū)域的興奮；第二，讓學(xué)生構(gòu)建植物細(xì)胞失水模型，有助于推動其左大腦半球抽象思維區(qū)域的驛動；第三，讓學(xué)生通過科學(xué)實踐，驗證構(gòu)建模型的正確與否，旨在主張模型構(gòu)建應(yīng)建立在科學(xué)驗證的基礎(chǔ)上，啟迪學(xué)生從實際出發(fā)，客觀而辯證地深入剖析內(nèi)在規(guī)律，繼承和發(fā)揚遵循科學(xué)規(guī)律努力探尋真知的優(yōu)秀品質(zhì)。

（二）質(zhì)疑驅(qū)動變式，構(gòu)建多維模型

教學(xué)過程：首先以問題引導(dǎo)讓學(xué)生產(chǎn)生深層思考，即教材用洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞做質(zhì)壁分離的實驗材料，其大而呈紫色的液泡，可以輔助觀察者通過對原生質(zhì)位置的變化、細(xì)胞液顏色的深淺來判斷質(zhì)壁分離的程度。但是，若實驗材料的細(xì)胞液無顏色甚至整個實驗材料都無色，植物細(xì)胞會發(fā)生質(zhì)壁分離嗎？緊接著，教師則讓學(xué)生分小組合作學(xué)習(xí)，通過假設(shè)和推理分類討論，構(gòu)建出不同的模型。如有的小組可以繪制出“無色—有色—無色”的模型，即當(dāng)實驗材料細(xì)胞液、外界溶液皆無顏色時，如果賦予原生質(zhì)層以顏色實施對照，則也可以觀察到質(zhì)壁分離。具體模型見圖1.A；還有的小組則進(jìn)行了“有色—無色”的模型構(gòu)建，即當(dāng)實驗材料細(xì)胞液、原生質(zhì)層皆無顏色時，如果賦予外界溶液以顏色實施對照，則也可以觀察到質(zhì)壁分離。具體模型見圖1.B。

圖1.“質(zhì)壁分離”觀察的論證式教學(xué)多維模型

設(shè)計意圖：該教學(xué)過程中，教師旨在引導(dǎo)學(xué)生從實驗材料的角度進(jìn)行反思：質(zhì)壁分離與質(zhì)壁分離復(fù)原的實驗材料是不是只能選擇洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞一類的材料，以及材料是否均應(yīng)具有大而呈一定顏色液泡的特質(zhì)？通過對實驗材料性質(zhì)產(chǎn)生批判性質(zhì)疑，鼓勵學(xué)生利用假設(shè)和推理、分析和判斷的方法，嘗試以先前實驗驗證的模型為基礎(chǔ)，以合作學(xué)習(xí)的形式進(jìn)行分類討論與推理預(yù)判，進(jìn)而構(gòu)建出如圖1所示的“無色—有色—無色”模型和“有色—無色”模型。這一教學(xué)過程不僅讓學(xué)生進(jìn)行了獨立思考與合作交流，還告知了學(xué)生事物的正確答案并不絕對，在生命科學(xué)中唯一沒有例外的便是例外。此外，教學(xué)過程一方面鼓勵學(xué)生不斷追求新知，養(yǎng)成實事求是、獨立思考、勇于創(chuàng)造的科學(xué)精神；另一方面激勵其博采眾長、大膽創(chuàng)新，在加強科學(xué)方法和已有知識體系學(xué)習(xí)的同時，學(xué)會以轉(zhuǎn)換模型構(gòu)建的思維，培養(yǎng)學(xué)生“窮則變、變則通、通則久”的科學(xué)思維[3]。

（三）實踐拓展關(guān)聯(lián)，論證檢驗?zāi)Ｐ?/h3>

教學(xué)過程：教師讓學(xué)生尋找資料去檢驗并論證自我的模型構(gòu)建。詳細(xì)說來，教師以學(xué)生構(gòu)建的“無色—有色—無色”模型、“有色—無色”模型為印證鏈，讓學(xué)生查閱資料、尋找能夠驗證模型可行性的實驗材料。例如，黑藻細(xì)胞的細(xì)胞液無色、原生質(zhì)層因富含大量葉綠體呈現(xiàn)綠色，其可以用于驗證“無色—有色—無色”模型；洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞的細(xì)胞液、原生質(zhì)層皆無顏色，則可在0.3 g/ml的蔗糖溶液中加入3~5滴不易通過細(xì)胞膜的紅墨水，其可以用于驗證“有色—無色”模型。緊接著，教師提供相應(yīng)的實驗材料，讓學(xué)生通過真實性、自主性的實驗去檢驗論證模型的合理性。該過程中各小組依據(jù)查閱的科學(xué)資料，確定合適的實驗材料，對本小組構(gòu)建的模型進(jìn)行現(xiàn)實性、科學(xué)性與合理性方面的論證。圖2中的A、B兩幅圖分別是學(xué)生以黑藻細(xì)胞和鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞開展驗證實驗的結(jié)果。

圖2.“質(zhì)壁分離”論證式教學(xué)的模型驗證圖

設(shè)計意圖：通過自我查閱資料、合理利用實驗材料，然后借助實驗對已構(gòu)建模型開展科學(xué)性的論證活動。論證期間，在查證、取證和舉證中要選擇恰當(dāng)?shù)挠^察材料、觀察位置和觀察角度，采用直觀的技術(shù)手段，將定量與定性的方法有機結(jié)合，客觀記錄有價值的事實性現(xiàn)象和過程，使證據(jù)確鑿。這種教法采用對經(jīng)典實驗或案例的發(fā)散性追問，借助推理與分析的手段構(gòu)建多維模型，然后用事實之印跡、事件之影像予以求證。從教學(xué)研究的現(xiàn)代轉(zhuǎn)型角度審視，其蘊含的教育深意有二：第一，創(chuàng)新設(shè)計多維模型是一種思維創(chuàng)造和知識遷移，旨在通過模型構(gòu)建實現(xiàn)教育的多元化、多樣化，提高學(xué)生對生物學(xué)知識的鞏固和加深，幫助學(xué)生開拓視野、提高對知識的歸納能力和對問題的解決能力。第二，從經(jīng)驗到證據(jù)，對已構(gòu)建模型深度追蹤，全方位、全過程、全要素地加以取證，使學(xué)生盡可能完全獨立地處于一個研究者的地位，像科學(xué)家那樣探求知識。

三、以論證式教學(xué)實施模型構(gòu)建落實的關(guān)鍵

（一）以適切的論證任務(wù)助力生物學(xué)模型構(gòu)建

模型構(gòu)建常起始于一個真實的情境，這些情境常會以經(jīng)驗總結(jié)、口頭報告甚至數(shù)據(jù)的形式淺層展現(xiàn)。這就需要在模型構(gòu)建時融入新舊知識、交互跨學(xué)科整合，在模型效化階段要遵循教學(xué)應(yīng)用的適切性原則，不能完全脫離模型的原型而變得無法溯源、無法驗證。所有的建?；顒佣汲鲎阅撤N目的，如現(xiàn)象描述、原因追尋或是預(yù)測趨勢等，其背后一定遵循知識的延展性。科學(xué)合理地構(gòu)建和運用模型，才能幫助學(xué)生實現(xiàn)知識概念的轉(zhuǎn)變、動手與合作能力的提升，使其獲取分析和解決實際問題的能力，進(jìn)而改善其學(xué)習(xí)的態(tài)度。所以，以模型構(gòu)建開展論證式教學(xué)要基于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)進(jìn)行教學(xué)活動。要多從學(xué)生的認(rèn)知角度出發(fā)，多從學(xué)生的思維角度出發(fā)，多從學(xué)生貯備的知識結(jié)構(gòu)出發(fā)，開發(fā)和探究出易于讓學(xué)生接受的模型，才能使模型內(nèi)化于學(xué)生的頭腦，成為他們分析和解決問題時心智操作的工具[4]。

（二）以模型構(gòu)建價值的追問促進(jìn)教學(xué)觀念變革

以論證式教學(xué)踐行生物學(xué)模型構(gòu)建課教學(xué)，并非單純教授模型構(gòu)建的知識，而是要幫助學(xué)生構(gòu)建與優(yōu)化心智模型。因此，教師要不斷追問模型構(gòu)建的育人價值，將學(xué)科教學(xué)的教學(xué)觀念轉(zhuǎn)型為課程育人的觀念。信息技術(shù)、概念轉(zhuǎn)變、探究教學(xué)、論證教學(xué)等的發(fā)展，又為其實踐內(nèi)容的豐富與發(fā)展提供了可能，使科學(xué)建模理論迅速與實踐結(jié)合，受到科學(xué)教育界廣泛關(guān)注[5]。模型作為表征科學(xué)的語言，是通向科學(xué)教學(xué)的階梯。若將模型僅視為教具制作，其結(jié)果只會導(dǎo)致模型構(gòu)建教學(xué)滯留于知識的淺灘；若將模型僅視為手工活動，其結(jié)果只會漠視建模的目的和功能。實則，在本案例中模型構(gòu)建與論證過程辯證交融，構(gòu)成了互相支撐的教學(xué)體系，其中融入了比較、抽象、概括、具象、實證的認(rèn)知元素，滲透了分享觀點、批判協(xié)商、合作共進(jìn)的心路歷程。所以，以論證式教學(xué)實施生物學(xué)模型構(gòu)建課，應(yīng)從培養(yǎng)“科學(xué)人才”的維度審視，加強建模元知識的理解，進(jìn)而幫助學(xué)生獲取創(chuàng)新能力與建模思維。