科學(xué)解釋的“演繹-規(guī)律模型”在科學(xué)思維能力提升中的應(yīng)用
——以“有絲分裂”教學(xué)為例

王景花

（江蘇省華羅庚中學(xué) 江蘇常州 213200）

生命科學(xué)不僅是一個(gè)結(jié)論豐富的知識(shí)體系，也包涵了人類認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象特有的思維方式和探究歷程，是基于正常研究邏輯進(jìn)行問(wèn)題解決的過(guò)程。因此，對(duì)于生命科學(xué)等學(xué)科的課教學(xué)自然強(qiáng)調(diào)對(duì)科學(xué)事實(shí)的理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程。一堂有質(zhì)量的生物課應(yīng)該從學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出學(xué)科主張到努力尋求證據(jù)來(lái)表達(dá)和論證主張，最終達(dá)到對(duì)學(xué)科概念內(nèi)涵的深度理解和創(chuàng)新應(yīng)用。下面從科學(xué)解釋常用的一種“演繹-規(guī)律模型”對(duì)“有絲分裂”一課教學(xué)進(jìn)行科學(xué)解釋，展示提升學(xué)生科學(xué)思維能力的課堂特色。

1 科學(xué)解釋與科學(xué)思維關(guān)系的研究

《K-12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨學(xué)科概念和核心概念》一文指出，科學(xué)解釋是要求學(xué)習(xí)者在回答所要調(diào)查的問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該將證據(jù)放在優(yōu)先地位，從而使證據(jù)與結(jié)論之間建立起聯(lián)結(jié)。科學(xué)解釋就是在證據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的科學(xué)推理，使證據(jù)和結(jié)論之間產(chǎn)生聯(lián)結(jié)，近而建構(gòu)起來(lái)的對(duì)于問(wèn)題的解釋?？茖W(xué)解釋的三要素為提出學(xué)科主張、例舉科學(xué)事實(shí)、科學(xué)邏輯推理支持主張。以生物學(xué)為例，學(xué)科主張是對(duì)生物學(xué)某一重要概念的陳述。例舉有效證據(jù)主要指《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）規(guī)定的必修內(nèi)容和選擇性必修內(nèi)容，由生物學(xué)的基本概念、基本規(guī)律、基本方法組成的學(xué)科知識(shí)體系。科學(xué)邏輯推理主要指《課程標(biāo)準(zhǔn)》中科學(xué)思維的要素，如歸納與概括、演繹與推理等。簡(jiǎn)而言之，就是對(duì)生命現(xiàn)象背后的原理進(jìn)行論證，進(jìn)而給予現(xiàn)象更豐富的意義內(nèi)涵。

科學(xué)思維是指在認(rèn)識(shí)事物解決問(wèn)題的過(guò)程中，尊重事實(shí)證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，基于證據(jù)和邏輯，應(yīng)用比較分類、歸納演繹、分析綜合、模型建構(gòu)等方法，進(jìn)行獨(dú)立的思考判斷，多角度辯證分析問(wèn)題，對(duì)已知的觀點(diǎn)結(jié)論進(jìn)行批判審視，包容或質(zhì)疑最終提出創(chuàng)造性意見(jiàn)的品格能力。在科學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)強(qiáng)調(diào)科學(xué)事實(shí)作為證據(jù)的真實(shí)可信，更要將科學(xué)事實(shí)與學(xué)科主張之間的邏輯聯(lián)系從不同角度進(jìn)行建構(gòu)以訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維技能，從而達(dá)到提升科學(xué)思維能力的目的。

科學(xué)解釋相關(guān)要素與科學(xué)思維的關(guān)系圖解如圖1所示。

2 科學(xué)解釋的“演繹-規(guī)律模型”的解讀

演繹-規(guī)律模型由亨普爾和奧本海默于1948年在“解釋的邏輯研究”中提出。演繹-規(guī)律模型提出的學(xué)科主張或陳述是生物學(xué)科中的一些自然定律或重要概念。科學(xué)解釋就是為該自然定律或重要概念所蘊(yùn)含的表象建構(gòu)邏輯意義，從一般性的已知前提出發(fā)，通過(guò)邏輯推理演繹得出具體陳述或個(gè)別結(jié)論。該模型組成包涵2個(gè)充分條件：①解釋項(xiàng)與被解釋項(xiàng)之間確有邏輯關(guān)系，故解釋必須是一個(gè)從解釋項(xiàng)到被解釋項(xiàng)的有效演繹推理；②解釋項(xiàng)的陳述必須是由權(quán)威的論證結(jié)果或真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推理的普遍定律，是可反復(fù)檢驗(yàn)的，以保證該演繹推理的可靠、可信、可操作。滿足了這兩個(gè)充分條件的解釋才是一個(gè)科學(xué)解釋?？茖W(xué)解釋的“演繹-規(guī)律模型”結(jié)構(gòu)圖解如圖2所示。

該模型的科學(xué)解釋分為三部分：

①被解釋項(xiàng)提出學(xué)科主張：由課堂中具體問(wèn)題提出學(xué)科主張。例如，在有絲分裂課堂教學(xué)中，教師展示大象和小鼠個(gè)體有差異而細(xì)胞的顯微照片顯示兩者細(xì)胞大小無(wú)差異，引導(dǎo)學(xué)生提出學(xué)科主張：多細(xì)胞個(gè)體通過(guò)增加細(xì)胞數(shù)量實(shí)現(xiàn)個(gè)體的生長(zhǎng)。

②解釋項(xiàng)例舉科學(xué)事實(shí)：引用以解釋現(xiàn)象的權(quán)威言論或?qū)嶒?yàn)過(guò)程，包括陳述科學(xué)研究一般過(guò)程和引用普適定律的概念。例如，學(xué)生討論、設(shè)計(jì)觀察實(shí)驗(yàn)：用NaOH溶液浸泡不同邊長(zhǎng)的含酚酞的瓊脂立方塊。一定時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)瓊脂塊中NaOH擴(kuò)散的深度相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)證明細(xì)胞體積越大相對(duì)表面積越小，細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸速率越慢。可知，多細(xì)胞生物的每個(gè)細(xì)胞不能無(wú)限長(zhǎng)大。

③基于前兩項(xiàng)的科學(xué)解釋：建立解釋項(xiàng)與被解釋項(xiàng)的邏輯聯(lián)結(jié)。細(xì)胞隨著體積的長(zhǎng)大，表面積和體積的比例下降，細(xì)胞與外界物質(zhì)交換的速率降低。所以，在細(xì)胞體積不能無(wú)限長(zhǎng)大的情況下，多細(xì)胞生物通過(guò)細(xì)胞的分裂增加細(xì)胞數(shù)量實(shí)現(xiàn)個(gè)體的生長(zhǎng)。

教師應(yīng)用“演繹-規(guī)律模型”，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)中的被解釋項(xiàng)尋找有效科學(xué)實(shí)證，既能讓學(xué)生親自體驗(yàn)科學(xué)事實(shí)的收集過(guò)程，又能通過(guò)提出主張訓(xùn)練概括質(zhì)疑的科學(xué)思維能力和歸納演繹等方法。在解釋項(xiàng)中，學(xué)生通過(guò)對(duì)經(jīng)典物質(zhì)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的觀察演繹推理，對(duì)多細(xì)胞生物的生長(zhǎng)的本質(zhì)進(jìn)行科學(xué)解釋，實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)中由感知力向思維力的提升。

3 演繹-規(guī)律模型在科學(xué)思維能力提升中的應(yīng)用

“有絲分裂”教學(xué)是高中生物學(xué)《必修1·分子與細(xì)胞》中概念2“細(xì)胞的生存需要能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并通過(guò)分裂實(shí)現(xiàn)增殖”的重要內(nèi)容。細(xì)胞增殖的概念教學(xué)相對(duì)抽象，尤其對(duì)于染色體、染色單體、DNA等數(shù)量的變化規(guī)律，學(xué)生很難理解，所以教師應(yīng)用科學(xué)解釋的“演繹-規(guī)律模型”對(duì)這些變化的規(guī)律進(jìn)行分析，便于學(xué)生深度理解變化的本質(zhì)，遷移應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)。

課堂開(kāi)始，教師展示一組洋蔥在連續(xù)培養(yǎng)10 d、根尖從沒(méi)有長(zhǎng)出到出現(xiàn)大量又白又長(zhǎng)不定根的圖片，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)這一現(xiàn)象提出質(zhì)疑：洋蔥根尖的自然生長(zhǎng)是怎樣實(shí)現(xiàn)的？

師生共同討論，教師指導(dǎo)學(xué)生合作完成生自制洋蔥根尖分生區(qū)臨時(shí)裝片，操作數(shù)碼顯微鏡完成根尖細(xì)胞分裂圖象的觀察實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀察分生區(qū)的細(xì)胞尋找科學(xué)事實(shí)。

事實(shí)①：視野中分生區(qū)細(xì)胞呈緊密排列的正方形分布，不同細(xì)胞經(jīng)堿性染料染色可觀察到大而明顯的細(xì)胞核，有的細(xì)胞中有兩個(gè)核。

事實(shí)②：少數(shù)細(xì)胞中明顯呈現(xiàn)染色體的線性結(jié)構(gòu)，有的細(xì)胞很清晰，有的模糊。

根據(jù)以上事實(shí)，學(xué)生提出學(xué)科主張：細(xì)胞通過(guò)核中染色體的分裂實(shí)現(xiàn)核的數(shù)量增殖。并將這兩個(gè)科學(xué)事實(shí)作為解釋項(xiàng)，對(duì)被解釋項(xiàng)的學(xué)科主張進(jìn)行科學(xué)解釋：根尖先通過(guò)分生區(qū)細(xì)胞中染色體的平均分配實(shí)現(xiàn)核的分裂，再通過(guò)細(xì)胞質(zhì)的分裂以增加細(xì)胞數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)根尖的自然生長(zhǎng)。

教師利用真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、尋找證據(jù)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行理性分析、科學(xué)歸因。這樣不僅培養(yǎng)了學(xué)生尊重事實(shí)依據(jù)、深度思考、提出學(xué)科主張的學(xué)習(xí)技能，也提升了學(xué)生歸納、演繹、分析、綜合等科學(xué)思維能力。

教師提出問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知矛盾：①分生區(qū)細(xì)胞核中染色體的平均分配是如何實(shí)現(xiàn)的？②細(xì)胞質(zhì)的分裂又是如何實(shí)現(xiàn)的？

教師鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)第一個(gè)問(wèn)題提出學(xué)科主張：染色體先進(jìn)行復(fù)制，再通過(guò)有規(guī)律的變化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和數(shù)量的平均分配，以保證親子代核內(nèi)遺傳物質(zhì)的一致。

師生共同尋找科學(xué)事實(shí)，教師組織學(xué)生討論遺傳物質(zhì)的載體染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、重要特征。播放顯微鏡下的動(dòng)植物活細(xì)胞有絲分裂過(guò)程的動(dòng)態(tài)實(shí)證視頻，引導(dǎo)學(xué)生解釋細(xì)胞在分裂過(guò)程中染色體分別經(jīng)歷了復(fù)制、螺旋、排中、分離、消失等一個(gè)連續(xù)動(dòng)態(tài)的分裂過(guò)程；指導(dǎo)學(xué)生到黑板上建構(gòu)有絲分裂中染色體行為變化的過(guò)程模型（用扭扭棒模擬染色體、吸鐵石模擬著絲粒、黃色纏繞在著絲粒上的橡皮筋模擬紡錘絲，建構(gòu)物理模型），并描述染色體變化的本質(zhì)。

學(xué)生基于以上科學(xué)事實(shí)，對(duì)學(xué)科主張進(jìn)行科學(xué)解釋：一個(gè)動(dòng)態(tài)分裂的活細(xì)胞會(huì)經(jīng)歷分裂間期的染色體復(fù)制等物質(zhì)準(zhǔn)備及分裂期染色體的出現(xiàn)、著絲粒排中及著絲粒分裂被紡錘絲牽拉移向細(xì)胞兩極等行為的規(guī)律性、周期性變化過(guò)程。這些行為變化可以實(shí)現(xiàn)遺傳物質(zhì)穩(wěn)定傳遞，減少變異的發(fā)生。

動(dòng)態(tài)實(shí)證視頻和靜態(tài)物理模型的建構(gòu)可以讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)論證過(guò)程，發(fā)展他們的批判性思維、模型建構(gòu)和提出創(chuàng)造性觀點(diǎn)等品格素養(yǎng)能力。

教師追問(wèn)：活細(xì)胞內(nèi)染色體的平均分配離不開(kāi)紡錘體的作用，紡錘體是什么？它是怎樣形成的？并再次播放有絲分裂過(guò)程的動(dòng)態(tài)視頻，引導(dǎo)學(xué)生觀看并提出質(zhì)疑：染色體的平均分配是通過(guò)哪些物質(zhì)或結(jié)構(gòu)的共同參與實(shí)現(xiàn)的？

教師主動(dòng)提出學(xué)科主張：分裂時(shí)染色體數(shù)量的均分與細(xì)胞骨架蛋白有關(guān)。

教師給學(xué)生提供大學(xué)教材《細(xì)胞生物學(xué)》中的科學(xué)事實(shí)：分裂前期紡錘體的形成包含了高等植物細(xì)胞兩極發(fā)出的紡錘絲和動(dòng)物中心體發(fā)出的星狀射線。這些結(jié)構(gòu)都屬于動(dòng)力微管蛋白或馬達(dá)蛋白，它們都是細(xì)胞骨架蛋白。這些動(dòng)力微管等形成的紡錘體必須有附著支點(diǎn)即動(dòng)粒，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)染色體的牽拉移動(dòng)，電鏡下的動(dòng)粒為圓盤形結(jié)構(gòu)，其外側(cè)有動(dòng)粒微管等組成的紡錘絲附著，內(nèi)側(cè)與著絲粒相互交織，分裂時(shí)每條中期染色體上含兩個(gè)動(dòng)粒，分別位于著絲粒的兩側(cè)（圖3）。后期姐妹染色單體黏合和分離的機(jī)制與黏連蛋白質(zhì)及分離酶有關(guān)（圖4）。在后期向末期推進(jìn)過(guò)程中，紡錘絲的縮短與動(dòng)粒微管蛋白的解聚有關(guān)，也與沿微管運(yùn)動(dòng)的馬達(dá)蛋白等有關(guān)。

學(xué)生基于上述事實(shí)，對(duì)主張進(jìn)行科學(xué)解釋：分裂過(guò)程中染色體通過(guò)細(xì)胞骨架中黏連蛋白的纏繞、牽拉、降解及動(dòng)粒微管蛋白的解聚和馬達(dá)蛋白的運(yùn)動(dòng)等行為實(shí)現(xiàn)了染色體的平均分配。

教師提出問(wèn)題：如果利用某種化學(xué)物質(zhì)抑制細(xì)胞中紡錘體的形成，那么處于分裂狀態(tài)的細(xì)胞中的染色體將會(huì)停留在什么階段，經(jīng)過(guò)一個(gè)分裂周期這些細(xì)胞中的染色體數(shù)目會(huì)不會(huì)發(fā)生變化？如果會(huì)將發(fā)生怎樣的變化？正常情況下，核內(nèi)遺傳物質(zhì)平均分配后是否細(xì)胞質(zhì)也能實(shí)現(xiàn)精確的分配呢？并播放有絲分裂過(guò)程的細(xì)胞質(zhì)分裂的動(dòng)態(tài)視頻，引導(dǎo)學(xué)生觀看并提出質(zhì)疑：細(xì)胞質(zhì)的分配是怎樣實(shí)現(xiàn)的，動(dòng)植物細(xì)胞質(zhì)的分配是相同的方式嗎？

教師引導(dǎo)學(xué)生提出學(xué)科主張：細(xì)胞質(zhì)的分裂有細(xì)胞中多種蛋白質(zhì)和膜泡的參與，不同細(xì)胞質(zhì)分裂存在明顯差異。

教師再次提供大學(xué)教材中的相關(guān)科學(xué)事實(shí)：動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)的分裂開(kāi)始時(shí)，在赤道板周圍的細(xì)胞膜向細(xì)胞內(nèi)凹陷成縊縮環(huán)稱分裂溝，它由細(xì)胞中肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白參與形成。在分裂溝的下方，除肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白外，還有小膜泡、微管等物質(zhì)聚集在一起形成一個(gè)環(huán)形致密層，稱中間體。細(xì)胞質(zhì)分裂初期，許多肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白圍繞中間體裝配成微絲進(jìn)而組成微絲束環(huán)繞細(xì)胞稱收縮環(huán)。收縮環(huán)收縮，分裂溝逐漸加深，細(xì)胞的形狀也由原來(lái)的圓形逐漸變?yōu)闄E圓、啞鈴形，收縮環(huán)處的細(xì)胞膜逐漸融合，直到兩個(gè)子細(xì)胞相互分離；植物細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)分裂在赤道板中央有些殘留的紡錘體微管密集，微管以平行的方式排列成圓柱狀結(jié)構(gòu)，稱為成膜體，高爾基體產(chǎn)生的小泡和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成的囊泡等也集中在成膜體上彼此融合，形成由膜包圍的平板，即細(xì)胞板。細(xì)胞板上的囊泡中所攜帶的多糖釋放出來(lái)，生成果膠、半纖維素、果膠質(zhì)的胞間層和初生細(xì)胞壁的其他成分。囊泡的膜則在初生細(xì)胞壁的兩側(cè)形成新的細(xì)胞膜。同時(shí)，更多的高爾基體囊泡繼續(xù)積累融合，使細(xì)胞板不斷向四周延伸與其外周的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜連接融合，并有纖維素、微絲等沉積在新形成的細(xì)胞板上，最終形成與原細(xì)胞壁相連的新細(xì)胞壁。

學(xué)生基于以上事實(shí)，對(duì)主張進(jìn)行科學(xué)解釋：動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)的分裂是在細(xì)胞中肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白及微管蛋白和膜泡的參與下形成收縮環(huán)將細(xì)胞膜收縮融合完成分裂；植物細(xì)胞質(zhì)的分裂是由細(xì)胞中微管蛋白和膜泡等先形成細(xì)胞板，細(xì)胞板釋放其中的多糖形成胞間層和初生壁，由于細(xì)胞板的不斷延伸最終與外周的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜連接融合完成分裂。

4 結(jié)語(yǔ)

基于科學(xué)解釋的“演繹-規(guī)律模型”進(jìn)行的“有絲分裂”課堂教學(xué)，通過(guò)對(duì)細(xì)胞核內(nèi)遺傳物質(zhì)的復(fù)制、均分及細(xì)胞質(zhì)的分配等幾個(gè)重要概念的科學(xué)解釋，實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)知識(shí)內(nèi)涵的層次性理解和意義的建構(gòu)，對(duì)生命現(xiàn)象和規(guī)律背后的原理進(jìn)行真實(shí)有效論證進(jìn)而給予現(xiàn)象規(guī)律更豐富的意義內(nèi)涵，體現(xiàn)出生命教育的科學(xué)性和豐富的發(fā)展性，是對(duì)知識(shí)本質(zhì)的深度理解和整合。本節(jié)課上，教師應(yīng)用科學(xué)解釋的“演繹-規(guī)律模型”推理建構(gòu)個(gè)性化的認(rèn)知意義系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程，模擬科學(xué)論證的過(guò)程發(fā)展批判性思維，培養(yǎng)學(xué)生推理、歸納等科學(xué)思維品質(zhì)、增強(qiáng)對(duì)學(xué)科知識(shí)的遷移應(yīng)用能力，培養(yǎng)提升了學(xué)生的科學(xué)思維能力等學(xué)科核心素養(yǎng)。