论证式教学策略在高中生物科学史教学中的应用

林秋映

1论证式教学策略

论证式教学策略在20世纪90年代提出，是当前国际科学教育比较关注的研究领域。其实质就是将科学研究中的论证引入课堂教学，让学生经历类似科学家的论证实践活动，在分析资料、得出主张、反思质疑、辩驳论证中探究问题，体验知识的构建过程。本文主要参考Toulmin论证模式（由图1所示）来进行论证式教学。

2高中生物教材中的科学史

生物科学史是生物科学发生、发展的历史，包括生物科学知识的发展、生物科学方法的演进以及生物科学家的科学精神。生物科学史不仅隐含丰富的科学实验方法和科学观点，而且具有很高的情感教育价值，是高中生物教学中不可缺少的部分。人教版高中生物教材中的科学史有细胞学说的建立过程、生物膜结构的探索历程、酶的本质、光合作用的探究历程、基因位于染色体上、DNA双螺旋结构模型的构建、植物生长素的发现等。科学的发展往往是一个“肯定一否定一肯定”的循环过程，特定阶段得出的科学结论往往需要经受后来者的质疑，这与论证式教学不谋而合。因此，论证式教学策略非常适用于科学史教学。

3“生物膜的流动镶嵌模型”的论证式教学策略

以当今科学教育界倡导的论证模式为设计思路，将“对生物膜结构的探索历程”分为三个核心问题。按照“提出问题，提出观点，提出质疑，辩驳论证”的流程教师，引导学生在分析和体验科学家建立生物膜模型的过程中，逐步形成关于生物膜结构的科学观点。最后，教师借助教具，根据已有科学结论，促进学生建构生物膜的流动镶嵌模型，从而突出教学重点。

3.1对生物膜成分的探索

教师提出问题：一种物质或物体的结构，实际上是指其组成成分之间的组合形式，探索生物膜的结构，首先需要知道膜的组成成分是什么。

教師提供资料：19世纪末，欧文顿用500多种物质对植物细胞进行上万次的通透性实验，发现凡是溶于脂质比不能溶于脂质的物质更易进入细胞。

教师引导学生提出假说：膜由脂质组成。

教师引导学生提出质疑：资料是否为假说提供了充分的论据支撑？

教师提供资料：①科学家在实验中发现，细胞膜会被溶解脂质的溶剂溶解，也会被蛋白酶分解，使得细胞膜被破坏。②20世纪初，科学家第一次将膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，化学分析表明，膜的主要成分是脂质和蛋白质。

教师引导学生得出结论：膜的主要成分是脂质和蛋白质。

探索生物膜成分的论证式教学流程归纳为图2。

3.2对磷脂分子排布的探索

教师提出问题：既然膜的成分主要是脂质和蛋白质，那么这些成分是怎么组成膜的？

教师提供资料：经检验证明，细胞膜中的脂质主要是指磷脂。磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸等所组成的分子，“头”部磷酸是亲水的，“尾”部脂肪酸是疏水的。

教师引导学生构建模型：画出磷脂分子在空气一水界面的排列方式。

教师提供论据：1917年，朗姆瓦将磷脂分子在空气水界面排成单层，结果头部浸入水中，尾部浮于水面。

教师提供论据：单细胞生物草履虫生活在有水的环境中；人体血细胞生活在血液中，血液的主要成分是水；人体其他组织细胞生活在组织液中，其主要成分也是水，并且细胞内有85%～90%的化合物是水。

教师引导学生提出质疑：在内外都是水的环境中，磷脂分子会如何排列？

教师引导学生构建模型：画出磷脂分子完全在水中的排列。

教师提供论据：1925年，荷兰科学家戈特和格伦德，用丙酮从人的红细胞膜中提取脂质，在空气一水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积约为红细胞表面积的2倍。

教师引导学生得出结论：磷脂分子头部朝外，尾部朝内，排成连续的两层。

探索磷脂分子排布的论证式教学流程归纳为图3。

3.3对蛋白质分子排布和膜流动性的探索

教师提出问题：膜的成分主要是磷脂和蛋白质，磷脂分子的排布清楚了，那蛋白质是如何排布的呢？

教师提供资料：20世纪50年代，电子显微镜诞生了。电子显微镜的工作原理是电子束照到大分子物质上会呈现黑暗，反之呈现明亮。科学家用它来观察细胞膜。1959年，罗伯特森在电镜下看到细胞膜呈现清晰的暗—明—暗的三层结构，并结合其他科学家的工作，大胆提出生物膜的单位膜模型。

教师引导学生提炼单位膜模型的两个观点：①膜为蛋白质—脂质—蛋白质三层，蛋白质呈对称分布；②蛋白质分子和磷脂分子都是静止不动的。

教师提供论据：构成蛋白质的氨基酸的侧链基团，有的疏水，有的亲水。有的蛋白质外围都是亲水基团，疏水基团藏于内部，则整个蛋白质亲水；有的蛋白质外围都是疏水基团，亲水基团藏于内部，则整个蛋白质疏水；有的蛋白质部分亲水，部分疏水。

教师引导学生提出质疑：蛋白质是对称地分布在脂质外部吗？

教师引导学生构建模型：在磷脂双分子层上画出蛋白质的可能排布。

教师提供论据：随着冰冻蚀刻技术的发展，科学家观察到细胞膜的具体结构。冰冻蚀刻技术原理是将标本用干冰、液氮等冰冻后，用冷刀断开，升温后干冰迅速升华，从而暴露出断裂面结构，再经特殊处理，可用电镜观察到细胞膜结构（展示图片）。

教师引导学生修正观点①：蛋白质分子有的镶在磷脂分子的表面，有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有的横跨整个磷脂双分子层。

教师提供论据：变形虫运动和摄食；分泌蛋白形成过程；洋葱鳞片叶外表皮细胞的质壁分离。

教师引导学生提出质疑：生物膜是静止不动的吗？

教师引导学生阅读书本：1970年，弗雷和埃迪登进行了荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合实验。用发红色荧光的染料标记人细胞表面的蛋白质分子，用发绿色荧光的染料标记小鼠细胞表面的蛋白质分子，将小鼠细胞与人细胞融合。这两种细胞刚融合时，融合细胞的一半发绿色荧光，一半发红色荧光，在37℃下经过40 min，两种颜色的荧光均匀分布。

教师提供论据：磷脂分子细胞膜上的脂质分子主要有四种运动方式：①沿膜平面的侧向运动；②围绕轴心的自旋运动；③尾部的摆动运动；④双层分子之间的翻转运动。

教师引导学生修正观点②：膜上蛋白质分子和磷脂分子可以运动；膜具有一定的流动性。

教师引导学生建构模型：学生结合已有的科学知识，利用教具建构生物膜模型，说出膜的组成成分、基本支架、蛋白质的存在形式和结构特点。

教师引导学生认可主张：1972年，桑格和尼克森提出的流动镶嵌模型的主要内容。

探索蛋白质排布和膜流动性的论证式教学流程归纳为图4。

4教学反思

4.1问题导向，脉络清晰

教师将生物膜结构的探索历程分解为生物膜组成成分、磷脂分子的排布、蛋白质分子的排布和膜的流动性4个问题，把关于生物膜结构探索历程的科学史梳理得较为清晰。

4.2论证教学，逻辑严谨

教师遵循“提出问题——分析资料，提出观点——分析资料，提出质疑——分析资料，辩驳论证——修正（认可）观点”的教学流程，使结论的得出更加严谨，更具有说服力，同时还锻炼了学生的理性思维和批判质疑精神。

4.3模型建构，重点突出

模型构建方法贯穿整个探索历程。学生体验到建构模型的方法，并在得出科学结论后，利用已有知识构建模型，说出流动镶嵌模型基本内容，从而强化了对流动镶嵌模型的理解。