基于论证和问题解决的高中生物课堂教学——以“细胞核的结构和功能”为例

周芳 荣莹

（无锡市第一女子中学 江苏无锡 214000）

1 科学论证与科学思维

2013年，美国新一代科学教育标准（NGSS）强调科学论证在科学领域和科学课堂之间建立起了一个桥梁，通过参与基于证据的科学论证构建某种解释，能够帮助学生理解证据和明确推理过程。科学论证充分体现了科学思维的特征。如果学生要理解科学，发展科学思维的能力，教师必须将要论证的实践活动引入课堂。如何在课堂上有效的实施论证式教学策略，成为了目前科学教育领域的研究热点之一。

“细胞核是细胞的‘控制中心’”，这一重要概念的得出，正是经历了“共同体围绕某一论题，利用科学的方法收集证据，运用一定的论证方式解释、评价自己及他人证据与观点之间的相关性，促进思维的共享与交锋，最终达成较为可接受结论”。因此，下面基于图尔敏论证模式展开教学，学生根据资料，结合已有知识，深入剖析事实，提出相应的观点或主张；依据经验或知识，提出质疑；再根据教师提供的证据、资料或学生的经验进行分析辩驳，从而完善或认可主张（图1）。

图1 论证式教学流程

2 问题解决

问题解决是由一定情境引起的，按照一定的目标，应用各种认知活动、技能等，经过一系列思维操作，使问题得以解决的过程。在教学上，问题解决就是师生基于真实问题解决方案、共同理解任务、交流观念和思想，实现由当前目标状态到预期目标状态转变的探究活动。在“细胞核的结构和功能”教学中，教师要围绕“结构”和“功能”两大主题——结构是功能的基础，功能是结构的体现，有效地引出细胞核功能及结构，并且让学生深刻理解之间的逻辑关系也是本堂课的重点。因此，笔者以“细胞的控制中心是什么？→细胞核可能是细胞的控制中心→细胞核是细胞代谢和遗传的控制中心→细胞核为什么是细胞代谢和遗传的控制中心”为顺序，架构课堂脉络，不仅解决“是什么”，更进一步地让学生知道“为什么”，促进深度学习。

3 教学过程

3.1 创设情境，引出问题

教师创设情境，引导学生思考：生物钟是生物体生命活动的内在节律，与人体健康息息相关，美国遗传学家杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴殊，以及迈克尔·杨深入钻研生物钟机理，并获得2017年诺贝尔生理或医学奖。他们发现在夜晚周期蛋白（Per蛋白）在果蝇体内积累，到了白天又会被分解，以24 h为周期增加和减少，与昼夜节律惊人地一致。那么细胞内是什么结构在调控蛋白质周期性的变化？细胞的控制中心是什么？

设计意图：学生对于细胞核并不陌生，在初高中课堂上已多次接触，缺乏新鲜感。因此，教师设计导入情境，既有高科技元素，又与生活、健康密切相关，旧酒装新瓶，激发学生兴趣，培养学生良好的生活观念。

3.2 基于证据，解决问题

3.2.1 细胞核可能是细胞的控制中心

教师展示肌细胞、变形虫、受精卵等不同真核细胞图片。学生分析资料，得出：真核细胞具有细胞膜、细胞质、细胞核。并根据已有知识和经验，提出假说：细胞核可能是细胞的控制中心。学生提出质疑：哺乳动物成熟的红细胞中没有细胞核。另有学生辩驳：人体红细胞寿命较短，大约只有120 d。教师引导学生思考：“真核细胞中绝大部分细胞存在细胞核，少数没有细胞核的细胞寿命短，不能长时间存活，说明了什么？”学生通过辨析，得出主张：细胞的控制中心可能是细胞核。该过程如图2所示。

图2 “细胞核可能是细胞的控制中心”论证式教学流程

设计意图：课堂教学要遵循学生的认知规律，始于学情，高于学情。在此之前，学生已有用光学显微镜观察各种各样细胞的经验，对细胞结构有了初步的认识。因此，教师要引导学生从细胞结构的统一性，分析推理细胞的控制中心，培养学生总结归纳能力，使学生初步感悟结构与功能观；并且也让学生初步接触论证式教学，为接下来的学习作铺垫。

3.2.2 细胞核是细胞遗传和代谢的控制中心

3.2.2.1 变形虫实验

教师提供资料：科学家将变形虫切成两半，一半有核，一半无核。无核的一半虽然仍能消化已经吞噬的食物，但不能摄取食物，对外界刺激不再发生反应。有核的一半情况则大不相同，照样摄食，对刺激仍有反应，失去的伸缩泡可以再生，还能生长和分裂。学生分析资料，得出主张：主张变形虫的生命活动与细胞核有关。并提出质疑：变形虫切割过程中容易造成机械损伤，也会导致变形虫的死亡？学生分小组讨论，得出设计实验进行辩驳思路：①降低实验中机械损伤的强度；②将变形虫无核部分重新植入细胞核，观察变形虫生命状态。教师展示资料：科学家在上述无核的一半变形虫内及时植入另一个同种变形虫的细胞核，各种生命活动又会恢复。学生完善主张：变形虫的生命活动离不开细胞核。该过程如图3所示。

图3 “变形虫的生命活动离不开细胞核”论证式教学流程

设计意图：教师从结构到功能，以单细胞生物变形虫的切割实验为例，引导学生论证细胞的控制中心可能与细胞核有关。资料中的实验对象简单，实验步骤操作方便，学生易于理解，因此教师调整教材给定的资料顺序，符合学生的认知水平，也符合课堂从易到难的教学策略。

3.2.2.2 蝾螈受精卵缢裂实验

教师提供资料：科学家用头发将蝾螈的受精卵橫缢为有核和无核的两半，中间只有很少的细胞质相连。结果，有核的一半能分裂，无核的一半停止分裂。当有核的一半分裂到16～32个细胞时，将一个细胞核挤到无核的一半，这一半也会开始分裂。最后，两半都能发育成正常的胚胎，只是原来无核的一半发育的慢一些。并提出问题：该实验的自变量是什么？该实验哪些地方体现了对照原则？学生讨论，得出主张：细胞的分裂、分化与细胞核有关，有核才能分裂、分化成正常胚胎。

设计意图：学生通过文字的阅读分析、比较总结，提高了信息转化能力和语言表达能力；并且以多细胞生物为例，进一步论证细胞核的功能。

3.2.2.3 伞藻实验

教师介绍伞藻（一种单细胞生物）相关资料，强调伞藻的结构（由假根、柄、顶帽）、再生能力强（如果把顶帽除去，就又会很快长出新的顶帽）等特征。德国科学家哈姆林利用伞藻进行了嫁接实验，把一种伞藻（伞形帽）的顶帽和足部都去除，并与另一种伞藻（菊花帽）的假根相连，会长出新的顶帽，这个顶帽的结构会同时带有两种伞藻的特征。在此基础上将新顶帽去除，重新长出来的顶帽为菊花帽。学生阅读并思考：①伞藻嫁接长出中间形态顶帽，可能的原因是什么？②切掉顶帽后重新长出的顶帽不是中间形态顶帽，而是与提供什么部位的相同？③这说明了什么问题？

学生分小组讨论分析，在教师引导后回答：①伞藻嫁接后长出中间形态顶帽，说明伞藻顶帽的形态建成是伞藻柄和假根共同作用的结果，柄和假根对伞藻顶帽的生成都有影响。②第二次长出的顶帽形态与提供假根的伞藻相同。③柄中有细胞质，假根中有细胞质和细胞核，刚开始柄和假根中都有决定伞帽形态的物质，由各自原来伞藻的细胞核合成，所以顶帽呈中间形态；再次生长顶帽的时候，储存在细胞质中的上述物质消耗完了，新的影响顶帽形成的物质是在重组伞藻的细胞核指导下合成的，所以伞帽的形态与假根相同。因此，学生得出主张：伞帽的形态建成与细胞核有关。并提出质疑：第二次伞帽的形态跟提供假根的伞藻一样，假根中不仅有细胞核还有部分细胞质，虽柄也是由细胞质构成的，但是不能完全排除假根中细胞质对于伞帽形态的影响。

教师提供资料：哈姆林还发现，若在藻体未长出帽状体前，先将细胞核取出。然后观察，发现去核的藻体不再形成伞状的帽状体。若晚些时候去除细胞核，则只有一部分藻体长出完整的、非常细小的帽状体，而大部分藻体不能长出，或长得很不完全。去核的时间越晚，形成的帽状体越完全。如果把取出的细胞核，经过一段时间再放回去，藻体的发育能力又完全恢复，长出完整的帽状体。

学生完善主张：伞藻顶帽形态确实由细胞核控制。

该论证过程如图4所示。

图4 “伞藻顶帽形态由细胞核控制”论证式教学流程

设计意图：教师通过查阅文献，发现教科书上伞藻嫁接与核移植实验结果与真实史料有区别。所以，以真实的科学史为资料，让学生向科学家一样，经历科学探究的论证过程，培养学生批判性思维，将知识获取与科学思维品质发展有机整合。

3.2.2.4 核移植实验

教师梳理核移植部分发展史，从有记载的第一例体细胞核移植动物非洲爪蟾，到非人灵长类动物食蟹猴“中中”“华华”的诞生。这些事实不断地在证明“细胞核控制着生物的大多数性状”。

设计意图：教师简要梳理克隆的科学发展史，强调中国科学家作出的贡献，引导学生关注社会热点，激发学生爱国热情，增强社会责任意识。

3.3 阐明机理，解释问题

要深刻地理解细胞核是细胞代谢和遗传的控制中心，就要理解细胞核为什么拥有这样的功能。教师根据生命观念的结构与功能相适应的观点，引导学生从细胞的结构中寻找答案，展示细胞核亚显微结构图，并结合教科书上文字，促使学生初步认识细胞核结构。学生观看细胞核结构及功能视频，寻找细胞核结构与其功能相适应的证据，并总结细胞核结构与功能的关系（表1）。

表1 细胞核结构与功能关系

教师提出问题并展示诺贝尔奖获得者的部分研究成果：生物体为何能精准地调控per蛋白的浓度呢？per蛋白的浓度变化是受细胞核中DNA的调控的，夜晚per基因被激活，per蛋白合成，浓度升高；白天per基因活性被抑制，蛋白的合成受阻。遗传信息像细胞生命活动的“蓝图”，指导物质合成、能量转换和信息交流，完成生长、发育、衰老和凋亡，所以细胞核是遗传信息库，是细胞代谢和遗传的控制中心。

设计意图：教师利用文字、图片、视频之间的信息转换，提升学生信息搜索和整理能力，并且使学生能够运用获取的知识，解决实际问题，解释细胞核功能，深化细胞核功能概念；其次，呼应开头，让生命教育、健康教育融入课堂，培养学生养成良好的生活习惯。

4 教学反思

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出：要在生物学课堂应用论证教学的策略培养学生科学思维。相比传统的“细胞核”课堂教学，论证式课堂教学更能激发学生的求知欲、批判力和探索力，课堂氛围更为活跃。以与学生密切联系的、与健康息息相关的生物钟出发，提出相应的问题，层层递进，以观察和实验为手段，从不同角度寻找证据，联系已有的知识经验，提出可能的、合理的推理，在此基础上，进一步质疑、探究，从而完善主张，解决问题。论证过程也有助于学生理解细胞核如何控制细胞的代谢和遗传，既呼应开头，解释问题，又可以为后续学习做铺垫。当然，教师在进行论证式教学的时候，要充分考虑学生的学情，面对不同学习能力的学生，在资料的给予、呈现方式、问题设置上都要有所区别，确保学生能够够得着、想得到、说得出，从而产生思维碰撞，提升科学思维和科学品质。

波普尔认为，所有的生活都是问题的解决，生活中充满了学习机会，终身学习是十分重要的。而问题解决是终身学习能力的关键因素。以问题推进课堂和学习，学生在问题引领下，利用已有的或者教师提供的资料，获取信息，通过论证等方式进行整合，并表达观点。与此同时，学生在问题的基础上延伸和生成新的问题，以达到对上述解析更深层次的认识和理解，更有利于解决生活实践或者学习探索情境中的各种问题。