科学解释的“演绎-规律模型”在科学思维能力提升中的应用——以“有丝分裂”教学为例

王景花

（江苏省华罗庚中学 江苏常州 213200）

生命科学不仅是一个结论丰富的知识体系，也包涵了人类认识自然现象特有的思维方式和探究历程，是基于正常研究逻辑进行问题解决的过程。因此，对于生命科学等学科的课教学自然强调对科学事实的理解和应用所学知识解决实际问题的过程。一堂有质量的生物课应该从学生发现问题，提出学科主张到努力寻求证据来表达和论证主张，最终达到对学科概念内涵的深度理解和创新应用。下面从科学解释常用的一种“演绎-规律模型”对“有丝分裂”一课教学进行科学解释，展示提升学生科学思维能力的课堂特色。

1 科学解释与科学思维关系的研究

《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》一文指出，科学解释是要求学习者在回答所要调查的问题时，应该将证据放在优先地位，从而使证据与结论之间建立起联结。科学解释就是在证据的基础上，通过合理的科学推理，使证据和结论之间产生联结，近而建构起来的对于问题的解释。科学解释的三要素为提出学科主张、例举科学事实、科学逻辑推理支持主张。以生物学为例，学科主张是对生物学某一重要概念的陈述。例举有效证据主要指《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）规定的必修内容和选择性必修内容，由生物学的基本概念、基本规律、基本方法组成的学科知识体系。科学逻辑推理主要指《课程标准》中科学思维的要素，如归纳与概括、演绎与推理等。简而言之，就是对生命现象背后的原理进行论证，进而给予现象更丰富的意义内涵。

科学思维是指在认识事物解决问题的过程中，尊重事实证据，崇尚严谨求实，基于证据和逻辑，应用比较分类、归纳演绎、分析综合、模型建构等方法，进行独立的思考判断，多角度辩证分析问题，对已知的观点结论进行批判审视，包容或质疑最终提出创造性意见的品格能力。在科学教学中，教师应强调科学事实作为证据的真实可信，更要将科学事实与学科主张之间的逻辑联系从不同角度进行建构以训练学生科学思维技能，从而达到提升科学思维能力的目的。

科学解释相关要素与科学思维的关系图解如图1所示。

2 科学解释的“演绎-规律模型”的解读

演绎-规律模型由亨普尔和奥本海默于1948年在“解释的逻辑研究”中提出。演绎-规律模型提出的学科主张或陈述是生物学科中的一些自然定律或重要概念。科学解释就是为该自然定律或重要概念所蕴含的表象建构逻辑意义，从一般性的已知前提出发，通过逻辑推理演绎得出具体陈述或个别结论。该模型组成包涵2个充分条件：①解释项与被解释项之间确有逻辑关系，故解释必须是一个从解释项到被解释项的有效演绎推理；②解释项的陈述必须是由权威的论证结果或真实的实验数据推理的普遍定律，是可反复检验的，以保证该演绎推理的可靠、可信、可操作。满足了这两个充分条件的解释才是一个科学解释。科学解释的“演绎-规律模型”结构图解如图2所示。

该模型的科学解释分为三部分：

①被解释项提出学科主张：由课堂中具体问题提出学科主张。例如，在有丝分裂课堂教学中，教师展示大象和小鼠个体有差异而细胞的显微照片显示两者细胞大小无差异，引导学生提出学科主张：多细胞个体通过增加细胞数量实现个体的生长。

②解释项例举科学事实：引用以解释现象的权威言论或实验过程，包括陈述科学研究一般过程和引用普适定律的概念。例如，学生讨论、设计观察实验：用NaOH溶液浸泡不同边长的含酚酞的琼脂立方块。一定时间后，发现琼脂块中NaOH扩散的深度相当。实验证明细胞体积越大相对表面积越小，细胞物质运输速率越慢。可知，多细胞生物的每个细胞不能无限长大。

③基于前两项的科学解释：建立解释项与被解释项的逻辑联结。细胞随着体积的长大，表面积和体积的比例下降，细胞与外界物质交换的速率降低。所以，在细胞体积不能无限长大的情况下，多细胞生物通过细胞的分裂增加细胞数量实现个体的生长。

教师应用“演绎-规律模型”，创设真实的情境，引导学生对课堂教学中的被解释项寻找有效科学实证，既能让学生亲自体验科学事实的收集过程，又能通过提出主张训练概括质疑的科学思维能力和归纳演绎等方法。在解释项中，学生通过对经典物质扩散实验的观察演绎推理，对多细胞生物的生长的本质进行科学解释，实现了深度学习中由感知力向思维力的提升。

3 演绎-规律模型在科学思维能力提升中的应用

“有丝分裂”教学是高中生物学《必修1·分子与细胞》中概念2“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”的重要内容。细胞增殖的概念教学相对抽象，尤其对于染色体、染色单体、DNA等数量的变化规律，学生很难理解，所以教师应用科学解释的“演绎-规律模型”对这些变化的规律进行分析，便于学生深度理解变化的本质，迁移应用所学的知识。

课堂开始，教师展示一组洋葱在连续培养10 d、根尖从没有长出到出现大量又白又长不定根的图片，引导学生根据这一现象提出质疑：洋葱根尖的自然生长是怎样实现的？

师生共同讨论，教师指导学生合作完成生自制洋葱根尖分生区临时装片，操作数码显微镜完成根尖细胞分裂图象的观察实验，通过观察分生区的细胞寻找科学事实。

事实①：视野中分生区细胞呈紧密排列的正方形分布，不同细胞经碱性染料染色可观察到大而明显的细胞核，有的细胞中有两个核。

事实②：少数细胞中明显呈现染色体的线性结构，有的细胞很清晰，有的模糊。

根据以上事实，学生提出学科主张：细胞通过核中染色体的分裂实现核的数量增殖。并将这两个科学事实作为解释项，对被解释项的学科主张进行科学解释：根尖先通过分生区细胞中染色体的平均分配实现核的分裂，再通过细胞质的分裂以增加细胞数量来实现根尖的自然生长。

教师利用真实情境，引导学生发现问题、寻找证据，对问题进行理性分析、科学归因。这样不仅培养了学生尊重事实依据、深度思考、提出学科主张的学习技能，也提升了学生归纳、演绎、分析、综合等科学思维能力。

教师提出问题，引发学生产生认知矛盾：①分生区细胞核中染色体的平均分配是如何实现的？②细胞质的分裂又是如何实现的？

教师鼓励学生对第一个问题提出学科主张：染色体先进行复制，再通过有规律的变化，实现结构和数量的平均分配，以保证亲子代核内遗传物质的一致。

师生共同寻找科学事实，教师组织学生讨论遗传物质的载体染色体的形态结构、物质组成、重要特征。播放显微镜下的动植物活细胞有丝分裂过程的动态实证视频，引导学生解释细胞在分裂过程中染色体分别经历了复制、螺旋、排中、分离、消失等一个连续动态的分裂过程；指导学生到黑板上建构有丝分裂中染色体行为变化的过程模型（用扭扭棒模拟染色体、吸铁石模拟着丝粒、黄色缠绕在着丝粒上的橡皮筋模拟纺锤丝，建构物理模型），并描述染色体变化的本质。

学生基于以上科学事实，对学科主张进行科学解释：一个动态分裂的活细胞会经历分裂间期的染色体复制等物质准备及分裂期染色体的出现、着丝粒排中及着丝粒分裂被纺锤丝牵拉移向细胞两极等行为的规律性、周期性变化过程。这些行为变化可以实现遗传物质稳定传递，减少变异的发生。

动态实证视频和静态物理模型的建构可以让学生体验科学论证过程，发展他们的批判性思维、模型建构和提出创造性观点等品格素养能力。

教师追问：活细胞内染色体的平均分配离不开纺锤体的作用，纺锤体是什么？它是怎样形成的？并再次播放有丝分裂过程的动态视频，引导学生观看并提出质疑：染色体的平均分配是通过哪些物质或结构的共同参与实现的？

教师主动提出学科主张：分裂时染色体数量的均分与细胞骨架蛋白有关。

教师给学生提供大学教材《细胞生物学》中的科学事实：分裂前期纺锤体的形成包含了高等植物细胞两极发出的纺锤丝和动物中心体发出的星状射线。这些结构都属于动力微管蛋白或马达蛋白，它们都是细胞骨架蛋白。这些动力微管等形成的纺锤体必须有附着支点即动粒，才能实现对染色体的牵拉移动，电镜下的动粒为圆盘形结构，其外侧有动粒微管等组成的纺锤丝附着，内侧与着丝粒相互交织，分裂时每条中期染色体上含两个动粒，分别位于着丝粒的两侧（图3）。后期姐妹染色单体黏合和分离的机制与黏连蛋白质及分离酶有关（图4）。在后期向末期推进过程中，纺锤丝的缩短与动粒微管蛋白的解聚有关，也与沿微管运动的马达蛋白等有关。

学生基于上述事实，对主张进行科学解释：分裂过程中染色体通过细胞骨架中黏连蛋白的缠绕、牵拉、降解及动粒微管蛋白的解聚和马达蛋白的运动等行为实现了染色体的平均分配。

教师提出问题：如果利用某种化学物质抑制细胞中纺锤体的形成，那么处于分裂状态的细胞中的染色体将会停留在什么阶段，经过一个分裂周期这些细胞中的染色体数目会不会发生变化？如果会将发生怎样的变化？正常情况下，核内遗传物质平均分配后是否细胞质也能实现精确的分配呢？并播放有丝分裂过程的细胞质分裂的动态视频，引导学生观看并提出质疑：细胞质的分配是怎样实现的，动植物细胞质的分配是相同的方式吗？

教师引导学生提出学科主张：细胞质的分裂有细胞中多种蛋白质和膜泡的参与，不同细胞质分裂存在明显差异。

教师再次提供大学教材中的相关科学事实：动物细胞质的分裂开始时，在赤道板周围的细胞膜向细胞内凹陷成缢缩环称分裂沟，它由细胞中肌动蛋白和肌球蛋白参与形成。在分裂沟的下方，除肌动蛋白和肌球蛋白外，还有小膜泡、微管等物质聚集在一起形成一个环形致密层，称中间体。细胞质分裂初期，许多肌动蛋白和肌球蛋白围绕中间体装配成微丝进而组成微丝束环绕细胞称收缩环。收缩环收缩，分裂沟逐渐加深，细胞的形状也由原来的圆形逐渐变为椭圆、哑铃形，收缩环处的细胞膜逐渐融合，直到两个子细胞相互分离；植物细胞的细胞质分裂在赤道板中央有些残留的纺锤体微管密集，微管以平行的方式排列成圆柱状结构，称为成膜体，高尔基体产生的小泡和内质网形成的囊泡等也集中在成膜体上彼此融合，形成由膜包围的平板，即细胞板。细胞板上的囊泡中所携带的多糖释放出来，生成果胶、半纤维素、果胶质的胞间层和初生细胞壁的其他成分。囊泡的膜则在初生细胞壁的两侧形成新的细胞膜。同时，更多的高尔基体囊泡继续积累融合，使细胞板不断向四周延伸与其外周的细胞壁、细胞膜连接融合，并有纤维素、微丝等沉积在新形成的细胞板上，最终形成与原细胞壁相连的新细胞壁。

学生基于以上事实，对主张进行科学解释：动物细胞质的分裂是在细胞中肌动蛋白和肌球蛋白及微管蛋白和膜泡的参与下形成收缩环将细胞膜收缩融合完成分裂；植物细胞质的分裂是由细胞中微管蛋白和膜泡等先形成细胞板，细胞板释放其中的多糖形成胞间层和初生壁，由于细胞板的不断延伸最终与外周的细胞壁和细胞膜连接融合完成分裂。

4 结语

基于科学解释的“演绎-规律模型”进行的“有丝分裂”课堂教学，通过对细胞核内遗传物质的复制、均分及细胞质的分配等几个重要概念的科学解释，实现了学习过程中对知识内涵的层次性理解和意义的建构，对生命现象和规律背后的原理进行真实有效论证进而给予现象规律更丰富的意义内涵，体现出生命教育的科学性和丰富的发展性，是对知识本质的深度理解和整合。本节课上，教师应用科学解释的“演绎-规律模型”推理建构个性化的认知意义系统，引导学生体验真实的学习过程，模拟科学论证的过程发展批判性思维，培养学生推理、归纳等科学思维品质、增强对学科知识的迁移应用能力，培养提升了学生的科学思维能力等学科核心素养。