图尔敏论证模型在生物学概念教学中的实践研究

（安徽省合肥市第一中学 安徽合肥 230061）

在教学实践中，教师发现很多学生缺乏将证据和理论联系的能力，常表现忽视证据、不会应用证据、主观臆断等现象，并将此类现象归因为粗心，其本质是在于重实证思维习惯的缺乏。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》将科学思维定义为尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。科学思维的形成并非与生俱来，而论证是培养科学思维的重要途径之一。论证是指由断定一个或一些判断的真实性，进而断定另一个判断的真实性。依靠推理能得出符合逻辑的判断，但不能保证它符合客观实际。而通过论证则要求判断是真实的，因此论证是重实证、合逻辑的思维形式，在科学思维的培养过程中有着不可替代的作用。

1 图尔敏论证模式

英国逻辑学家图尔敏（Toulmin）提出的论证模型由6个元素组成（图1）：资料、主张和根据3个基本元素；限定、反驳和支持3个补充元素（可选用元素）。

图1 图尔敏论证模型

①资料是指可以作为接受论证的起始基础和证据。②根据是连接主张和资料之间的桥梁，说明如何由资料推理得到主张。③主张是对问题所发表的见解或看法，也可以表示论证的结论。④限定表示什么情境下才能使得主张成立。⑤反驳是指阻止从资料得出主张的因素。⑥支持是指用于证明的权威资源，可以包括某些法则、条文、原理、理论或定律公式等，是众人能接受的通则，用以证明提出的理由［2］。

2 基于图尔敏论证模型的生物膜系统概念教学

2.1 生物膜系统概念教学的论证模型

生物膜系统概念教学的论证模型如图2所示。

2.2 生物膜系统概念的教学实践

2.2.1 资料

教师展示分泌蛋白合成和运输动画视频，并分析其过程。

2.2.2 根据

教师引导学生思考：内质网、高尔基体和细胞膜共同配合完成分泌蛋白的加工和运输，体现了三者在功能上的紧密联系。为什么囊泡膜能够与高尔基体膜、细胞膜融合并成为其中一部分？

教师由此说明膜成分和结构相似，否则无法实现囊泡和膜的融合，进而促进学生理解内质网、高尔基体和细胞膜在结构上的间接联系。对于学习膜结构上的直接联系，教师通过展示“内质网膜与细胞膜核膜的联系图”即可完成。

2.2.3 主张

学生归纳得出：细胞中的细胞器膜、细胞膜、核膜等结构共同构成了生物膜系统。

由于归纳推理具有或然性，前提和结论之间不具备逻辑必然，很多学生在同化概念过程中存在困难。例如，面对“核膜是否具有流动性的判断”“内质网膜结构的分析”等问题时，不能正确作答，原因在于没有真正理解生物膜系统之间的内在联系。因此，教师需要进一步促进学生顺应概念，即为主张提供必要支持。

2.2.4 支持

教师展示资料，创设情境，提出问题，引导学生思考：

（1）细胞内的很多酶通过附着在膜结构上起催化作用，这种附着有何意义？为何膜上固定是酶而不是反应物？学生讨论作答：酶能够重复利用，同时使反应场所相对固定。教师也可以类比固定化酶技术促进理解。因此，“许多重要的化学反应都在生物膜上进行，这些化学反应需要酶的参与，广阔的膜面积为多种酶提供了大量的附着位点”。

（2）细胞内很多重要的化学反应通常连接成串，一个反应的产物成为下一个反应的原料，一种酶只能催化一个特定的化学反应，图3表示一组酶依次发挥作用，将物质A转变为F，形成一条代谢途径。酶附着在膜上，除了固定的作用外，对细胞内众多连续进行的化学反应有何意义？

图3 某种物质的代谢途径

（3）展示细胞代谢网络图——细胞内的化学反应众多，各种物质在不同反应之间彼此联系形成复杂的代谢网络。那么，细胞是怎样避免反应之间的相互干扰呢？

2.2.5 主张

学生思考、讨论后，得出：细胞中的细胞器膜、细胞膜、核膜等结构共同构成了生物膜系统。这些生物膜的组成成分和结构很相似，生物膜系统使细胞内各种结构协调配合，保证了细胞内生命活动高效而有序地进行。

3 基于图尔敏论证模型的减数分裂概念教学

3.1 减数分裂概念教学的论证模型

减数分裂概念教学的论证模型如图4所示。

图4 减数分裂概念教学的论证模型

3.2 减数分裂概念的教学实践

教师展示唐氏综合征患者的相关材料，明确染色体的稳定对于维持物种稳定性的重要意义。并引导学生思考：生物体是如何维持亲子代染色体的稳定呢？以草履虫分裂生殖为例，分析有丝分裂在无性生殖过程中维持亲子代遗传性状稳定的作用。有性生殖过程如何实现染色体的稳定？

3.2.1 资料

教师展示资料，引导学生分析：

（1）Weismann的预测——在卵细胞和精子成熟的过程中，必然有一个特殊的过程使染色体数目减少一半；受精时，精子与卵细胞融合，恢复正常的染色体数目。

（2）1883年，科学家用体细胞中只有2对染色体的马蛔虫作为材料进行研究，发现马蛔虫精子和卵细胞中的染色体数目都只有体细胞的一半，而在受精卵中又恢复成2对。该实验证实了Weismann的预测，人们把这个染色体数目减半的特殊过程称为减数分裂。

3.2.2 根据1

教师设置问题情境，激发学生产生认知冲突：要实现染色体数目减半，细胞分裂几次?分裂前染色体发生复制么?学生提出假说：①染色体不复制，细胞直接分裂1次；②染色体复制1次，细胞连续分裂2次。学生讨论：假说①中，染色体不复制，细胞直接分裂，能够快速产生配子。假说②中，根据细胞增殖的规律，细胞分裂之前需要进行物质准备，必然需要进行染色体复制。

3.2.3 支持1

教师展示资料：Poweel在1887年首次观察到了马蛔虫减数分裂的过程，发现马蛔虫的一个原始生殖细胞经过减数分裂后产生4个细胞。由此可见，细胞一定是分裂了2次，即假说②正确。

3.2.4 根据2

教师引导学生思考：减数分裂过程中染色体只复制1次，而细胞却连续分裂2次，两次分裂过程中，如何实现染色体精确的分配呢？姐妹染色单体只能分一次，还有一次分什么？并展示果蝇体细胞染色体组成图，将其中的染色体组成编号为AA′BB′CC′DD′（图5）所示，引导学生探究同源染色体分离。

图5 果蝇体细胞染色体组成

学生探究后，提出实现染色体数目减半的两种不同方案：①ABCD+A′B′C′D（′子细胞中染色体形态不同）；②AA′BB′+CC′DD（′子细胞中有形态相同染色体）。学生讨论回答：如果是方案②，产生的生殖细胞中可能会丢掉一些种类的染色体，不利于遗传性状的维持。并展示果蝇配子染色体组成图，支持方案②。

由此，学生归纳：减数分裂过程中发生一次与有丝分裂不同的染色体分离，这种在减数分裂过程中能够分离的染色体，称为同源染色体。教师进而引出同源染色体的概念教学，具体教学策略与本文主题无直接关联，不再赘述。

3.2.5 支持2

教师展示减数分裂同源染色体特殊行为的科学史材料：

（1）1901年，Montgonery在研究同一植物的有丝分裂和减数分裂过程时发现，有一个物种，2N=14，染色体间大小差异很大，在减数分裂中期只能看到7条染色体。减少的一半染色体到哪里去了？因为此时细胞并没有一分为二，推测染色体必然发生了相互配对。如果配对发生在父方或母方染色体内部，不仅配对的染色体大小不合适，且配对完成后剩下一条不能成对，与观察的结果不符。因此配对的染色体中，必然一条来自父方，一条来自母方。这种同源染色体两两配对的现象叫做联会。

（2）1903年，Sutton提出，在减数分裂后期同源染色体会随机分离。如果分离是按照特定规律进行，即父方染色体分向一极而母本的染色体在另一极，则会大大减少后代的种类数。后来科学家研究发现雄蝗虫（2n=23，XO型）减数第一次分裂结束后，产生2类细胞，一类细胞含有X染色体，一类细胞不含性染色体。1913年，Eleanor Carothers发现雄蝗虫（2n=23，XO型）常染色体中有一对特殊的同源染色体，其大小不等，她统计了300多个细胞，X染色体与那对大小相异的同源染色体的组合，接近1∶1。因此，得出同源染色体的随机分离导致非同源染色体的自由组合。

3.2.6 主张

教师引导学生分析科学史资料，使学生明确了同源染色体的分离过程，进而加深学生对特殊分裂方式的理解。最终，学生自主建构减数分裂的概念：有性生殖过程中染色体数目减半的特殊分裂方式，染色体复制一次，细胞连续分裂2次。

3.3 教学反思

教师引导学生以事实和证据作为思维的起点，摒弃主观臆断，是科学思维培养的重要内容。图尔敏的论证模型在多个环节都需要充分使用证据，再通过科学的思维方法得出合理结论，因此在科学思维培养过程中有着重要的实践价值。