实验课堂的“论证”策略在培养学生科学素养中的运用
2022-06-08
随着高中生物教材中探究实验比例的增加，学生动手和实践的机会有了一定的提高。但教师仅仅强调学生的动手能力，要求学生参与课堂的观察和验证性实验是远远不够的，还要注重培养学生将科学的思维方式运用到解决生活中问题，以及做出正确的选择的能力。论证探究式教学（Argument-Driven Inquiry，ADI）是一种强调培养学生利用资料进行合理的推理和论证的能力，培养学生科学思维方式的一种新型教学策略。“论证”策略的运用让学生经历类似科学家评价资料、提出主张、为主张辩驳的过程，既培养了学生科学的思维方式，引导学生主动在实验证据与推理的基础上建构和完善科学观点，又在质疑和论证中培养了学生的实验科学素养。现以“探究影响酶活性的条件”这一课例，浅谈“论证”策略在实验课堂的实施及对学生学科素养养成的影响。
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1 “论证”策略运用于生物实验课堂示例
“探究影响酶活性的条件”是高中生物探究实验之一，其教学重难点不仅是让学生体验探究的过程，更重要的是引导学生自主选择合适的材料进行相关影响酶活性条件的探究，将实验数据作为提出的假说的证据来证实自己的推断，在和他人协商中达成共识，在使学生经历从分析资料到提出主张、寻求实验证据、辩驳及形成结论的训练中，影响学生的思维习惯，发展学生的交流技能，激发学生的潜能和学习的积极性。
1.1 提供素材以创设情境，明确探究目标
教师先提供相关素材：如课外兴趣小组汇报“比较不同动植物细胞过氧化氢酶活性的实验成果”。并提出问题：为什么酶的活性有差异？
学生1提出自己的主张：酶的活性不同是由于不同材料自身内部因素决定的。
学生2：同一生物材料由于外部条件差异也可能不同，比如制备酶时，研磨材料的温度影响。
对学生2的主张，学生3继续补充实例：发烧、胃酸对体内细胞的代谢活动有影响，外部温度、pH可影响酶的活性。
学生4论述：根据所学，酶的化学本质大多是蛋白质，影响蛋白质结构的因素很多，如高温、酸碱条件、重金属使之变性等。
在教师的引导下，学生明确了本节实验课探究的课题为“探究影响酶活性的条件”，但还需要实验的证据。
1.2 开放实验以活跃思维，完善实验设计
教师要尽可能开放实验、尽可能提供多的实验材料和仪器，让学生根据自己要探究的课题来验证自己的主张或假设。不同组的学生通过讨论，分别选择温度、pH或重金属盐等作为探究的自变量。这样既尊重了学生的学习兴趣，也让学生明白了研究的自主性。在设计环节，教师引导学生思考材料如何选择，自变量及因变量的控制。
以pH为例，组1选择探究pH对过氧化氢酶活性的影响，设置了盐酸、蒸馏水及NaOH溶液3组的变量，以观察试管内产生气泡的情况做为因变量。设计方案见表1。
学生1质疑滴加顺序：不能先将底物与酶混合再用酸或碱处理。原因是酶具有高效性，应先对酶进行酸、碱处理后再加底物。
学生2对学生1质疑：后加的底物过氧化氢也可能使反应体系的pH变化。
组1提出改进意见：对底物和酶分别用相应的酸碱条件处理，用pH试纸确定酸碱度再混合。
其他小组还提出可以用带火星的木条复燃检测氧气产生情况或用排水法测气体产生速率。教师表示肯定，继续提问：该实验需要设置对照组吗？
组1：不需要，不同实验组之间相互对照。
对于同一影响条件，组2选择探究pH对淀粉酶活性的影响。因变量是用碘液检测淀粉是否反应。
教师提问：能不能选择斐林试剂检测产物？
组2：不宜使用斐林试剂。斐林试剂使用时需要加热，使反应温度改变。
学生1反驳：反应已经结束，过酸或过碱已经破坏了酶的结构，斐林试剂的使用不影响产物的检测。
组2再举证反驳：斐林试剂呈碱性，与盐酸会发生中和，不宜使用。若要使用，反应后、检测前可将各反应的pH调整一致。
在师生、生生互动中层层推进、逐步完善方案，学生学会了控制变量，领悟了对照实验的思想等。
1.3 质疑辩论以推理解惑，达成探究共识
实验结果是一个主张或假说最有说服力的证据。实施实验后，大多数小组探究了pH对过氧化氢酶活性的影响，实验结果显著，并得出了结论：pH会影响酶的活性，当遇到过酸或过碱条件，酶的活性几乎为零。这些小组的实验结果相互成为了他们提出主张的证据。
但是，部分组学生在实验操作中又发现了新的问题：组2在探究pH对淀粉酶活性影响的实验中， NaOH溶液处理组未出现预期的蓝色，呈无色（结果见表2）。
汇报结果后，学生们讨论出现无色的可能原因。
学生1：碱性条件下，淀粉酶仍有活性，淀粉被分解了。
学生2：NaOH是淀粉分解的催化剂。
学生3反驳：通过进一步实验，将3号试管样液用斐林试剂检测，无砖红色沉淀出现，说明淀粉未分解，推翻前两种可能性。
学生4：化学课上学过NaOH可以与Cl2反应，同是卤族元素，推测NaOH与I2的反应。
教师：同学们可以继续查阅资料，证实这一推断。同时我们发现选用淀粉和淀粉酶这组材料，不太适合用来探究pH这一影响因素。
组3：在研究温度对淀粉酶活性的影响中，高温（100℃）处理组未出现预期的蓝色，一段时间再加碘液为什么又出现蓝色？
学生1：碘液加的不够多。
学生2：高温条件可能会影响淀粉的检测。高温下，分子运动加剧，淀粉和碘分子碰撞的机会很小，不易结合。
教师：在常温下，淀粉和碘会结合形成蓝色的化合物。高温确实会影响淀粉和碘的反应。建议高温处理后，等冷却再检测，结果更可信。
学生3：我们组是冰水处理组（约0℃），实验时未出现预期的蓝色，又是什么原因呢？
学生4：可能是酶处理的时间不够，酶仍有活性，或是混合底物和酶时离开了冰水浴的条件，未严格控制温度，淀粉分解了。
教师：实验中的无关变量也是影响实验结果的因素，因此为了得到准确有力的实验证据，我们应该怎么做？
学生：“严格控制实验的无关变量”、“规范实验的操作步骤”、“重复实验减小误差”……
实验课是全员参与的，比起“教师提问―学生回答―教师评价”的课堂，论证式的课堂给了学生更多生生互动，协商解决问题的机会，学生参与度的质和量得到了很大的提升。在充满质疑与论证的课堂，学生的思维得到了很好的训练。这种互动模式可以总结为：学生1提出主张→教师请全班就学生1的想法进行讨论→学生2质疑→学生1反驳→学生3再质疑→学生1再反驳→……→达成共识，构建知识。
2 论证探究式教学策略对学生科学素养的影响
通过以上的教学实例，不难发现“论证”的实验课堂是一种促进学生有意义学习的尝试。论证式教学策略得以实施，其理论基础是建构主义学习理论。建构主义认为学习不是对知识的记载和吸收，应该是超越知识的获得，强调学习是一种知识建构的过程，是知识的社会协商，是社会实践的参与。目前的实验课堂教学缺少的正是学生自主建构科学想法，并进行理性协商的过程。论证式的课堂提倡开放性，但也可遵循一定的步骤。本案例中针对“影响酶的活性的因素”这一教学内容，采用教师提供相关素材，并设置情境引出问题，让学生通过思考尝试提出不同主张，并为自己的主张寻找论据，可以从已有的知识储备、教材、自己的思考和推理，并借助实验证据、然后得出初步的结论。在这一过程中，教师引导不同主张的学生试着阐述，对方认可或反驳，最终达成共识，并完善和评价了实验方案。这一系列过程不仅提高了学生的科学思维能力，发展了学生的论证能力，提高了学生的认知水平，也实现“提高学生生物科学素养”这一高中生物课程的核心育人目标。
参考文献：
何嘉媛，刘恩山.论证探究式教学模型及其在理科教学中的应用.生物学通报.2012，10.
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1 “论证”策略运用于生物实验课堂示例
“探究影响酶活性的条件”是高中生物探究实验之一，其教学重难点不仅是让学生体验探究的过程，更重要的是引导学生自主选择合适的材料进行相关影响酶活性条件的探究，将实验数据作为提出的假说的证据来证实自己的推断，在和他人协商中达成共识，在使学生经历从分析资料到提出主张、寻求实验证据、辩驳及形成结论的训练中，影响学生的思维习惯，发展学生的交流技能，激发学生的潜能和学习的积极性。
1.1 提供素材以创设情境，明确探究目标
教师先提供相关素材：如课外兴趣小组汇报“比较不同动植物细胞过氧化氢酶活性的实验成果”。并提出问题：为什么酶的活性有差异？
学生1提出自己的主张：酶的活性不同是由于不同材料自身内部因素决定的。
学生2：同一生物材料由于外部条件差异也可能不同，比如制备酶时，研磨材料的温度影响。
对学生2的主张，学生3继续补充实例：发烧、胃酸对体内细胞的代谢活动有影响，外部温度、pH可影响酶的活性。
学生4论述：根据所学，酶的化学本质大多是蛋白质，影响蛋白质结构的因素很多，如高温、酸碱条件、重金属使之变性等。
在教师的引导下，学生明确了本节实验课探究的课题为“探究影响酶活性的条件”，但还需要实验的证据。
1.2 开放实验以活跃思维，完善实验设计
教师要尽可能开放实验、尽可能提供多的实验材料和仪器，让学生根据自己要探究的课题来验证自己的主张或假设。不同组的学生通过讨论，分别选择温度、pH或重金属盐等作为探究的自变量。这样既尊重了学生的学习兴趣，也让学生明白了研究的自主性。在设计环节，教师引导学生思考材料如何选择，自变量及因变量的控制。
以pH为例，组1选择探究pH对过氧化氢酶活性的影响，设置了盐酸、蒸馏水及NaOH溶液3组的变量，以观察试管内产生气泡的情况做为因变量。设计方案见表1。
学生1质疑滴加顺序：不能先将底物与酶混合再用酸或碱处理。原因是酶具有高效性，应先对酶进行酸、碱处理后再加底物。
学生2对学生1质疑：后加的底物过氧化氢也可能使反应体系的pH变化。
组1提出改进意见：对底物和酶分别用相应的酸碱条件处理，用pH试纸确定酸碱度再混合。
其他小组还提出可以用带火星的木条复燃检测氧气产生情况或用排水法测气体产生速率。教师表示肯定，继续提问：该实验需要设置对照组吗？
组1：不需要，不同实验组之间相互对照。
对于同一影响条件，组2选择探究pH对淀粉酶活性的影响。因变量是用碘液检测淀粉是否反应。
教师提问：能不能选择斐林试剂检测产物？
组2：不宜使用斐林试剂。斐林试剂使用时需要加热，使反应温度改变。
学生1反驳：反应已经结束，过酸或过碱已经破坏了酶的结构，斐林试剂的使用不影响产物的检测。
组2再举证反驳：斐林试剂呈碱性，与盐酸会发生中和，不宜使用。若要使用，反应后、检测前可将各反应的pH调整一致。
在师生、生生互动中层层推进、逐步完善方案，学生学会了控制变量，领悟了对照实验的思想等。
1.3 质疑辩论以推理解惑，达成探究共识
实验结果是一个主张或假说最有说服力的证据。实施实验后，大多数小组探究了pH对过氧化氢酶活性的影响，实验结果显著，并得出了结论：pH会影响酶的活性，当遇到过酸或过碱条件，酶的活性几乎为零。这些小组的实验结果相互成为了他们提出主张的证据。
但是，部分组学生在实验操作中又发现了新的问题：组2在探究pH对淀粉酶活性影响的实验中， NaOH溶液处理组未出现预期的蓝色，呈无色（结果见表2）。
汇报结果后，学生们讨论出现无色的可能原因。
学生1：碱性条件下，淀粉酶仍有活性，淀粉被分解了。
学生2：NaOH是淀粉分解的催化剂。
学生3反驳：通过进一步实验，将3号试管样液用斐林试剂检测，无砖红色沉淀出现，说明淀粉未分解，推翻前两种可能性。
学生4：化学课上学过NaOH可以与Cl2反应，同是卤族元素，推测NaOH与I2的反应。
教师：同学们可以继续查阅资料，证实这一推断。同时我们发现选用淀粉和淀粉酶这组材料，不太适合用来探究pH这一影响因素。
组3：在研究温度对淀粉酶活性的影响中，高温（100℃）处理组未出现预期的蓝色，一段时间再加碘液为什么又出现蓝色？
学生1：碘液加的不够多。
学生2：高温条件可能会影响淀粉的检测。高温下，分子运动加剧，淀粉和碘分子碰撞的机会很小，不易结合。
教师：在常温下，淀粉和碘会结合形成蓝色的化合物。高温确实会影响淀粉和碘的反应。建议高温处理后，等冷却再检测，结果更可信。
学生3：我们组是冰水处理组（约0℃），实验时未出现预期的蓝色，又是什么原因呢？
学生4：可能是酶处理的时间不够，酶仍有活性，或是混合底物和酶时离开了冰水浴的条件，未严格控制温度，淀粉分解了。
教师：实验中的无关变量也是影响实验结果的因素，因此为了得到准确有力的实验证据，我们应该怎么做？
学生：“严格控制实验的无关变量”、“规范实验的操作步骤”、“重复实验减小误差”……
实验课是全员参与的，比起“教师提问―学生回答―教师评价”的课堂，论证式的课堂给了学生更多生生互动，协商解决问题的机会，学生参与度的质和量得到了很大的提升。在充满质疑与论证的课堂，学生的思维得到了很好的训练。这种互动模式可以总结为：学生1提出主张→教师请全班就学生1的想法进行讨论→学生2质疑→学生1反驳→学生3再质疑→学生1再反驳→……→达成共识，构建知识。
2 论证探究式教学策略对学生科学素养的影响
通过以上的教学实例，不难发现“论证”的实验课堂是一种促进学生有意义学习的尝试。论证式教学策略得以实施，其理论基础是建构主义学习理论。建构主义认为学习不是对知识的记载和吸收，应该是超越知识的获得，强调学习是一种知识建构的过程，是知识的社会协商，是社会实践的参与。目前的实验课堂教学缺少的正是学生自主建构科学想法，并进行理性协商的过程。论证式的课堂提倡开放性，但也可遵循一定的步骤。本案例中针对“影响酶的活性的因素”这一教学内容，采用教师提供相关素材，并设置情境引出问题，让学生通过思考尝试提出不同主张，并为自己的主张寻找论据，可以从已有的知识储备、教材、自己的思考和推理，并借助实验证据、然后得出初步的结论。在这一过程中，教师引导不同主张的学生试着阐述，对方认可或反驳，最终达成共识，并完善和评价了实验方案。这一系列过程不仅提高了学生的科学思维能力，发展了学生的论证能力，提高了学生的认知水平，也实现“提高学生生物科学素养”这一高中生物课程的核心育人目标。
参考文献：
何嘉媛，刘恩山.论证探究式教学模型及其在理科教学中的应用.生物学通报.2012，10.