基于论证的“细胞通过分裂增殖”（第一课时）教学设计
朱满员
摘 要：《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确提出“在生物学课堂应用论证教学的策略培养学生科学思维”。所谓论证，就是运用论据证明观点的逻辑过程和方式，其精髓是用证据支持观点。在“细胞通过分裂增殖”一节的教学中，通过浸入式论证将论证整合到学生探寻科学规律的过程中，贯穿于提出问题、实验探究、解释现象、解读资料等环节中，更能落实新课标提出的“生命观念的教学需要落实在每一节课堂教学之中”这一理念，尤其是生物学科独有的、最有价值的生命观念“进化与适应观”，从而培养学生的论证意识和科学思维的习惯。
关键词：浸入式论证;“细胞通过分裂增殖”教学;教学设计
所谓论证，就是运用论据证明观点的逻辑过程和方式。图尔敏首次将论证引入科学教育领域，并提出著名的图尔敏论证模型。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称“《课标》”）中明确提出“在生物学课堂应用论证教学的策略培养学生科学思维”，但图尔敏的论证模式对于高中的初学者来说过于复杂，故修改为图尔敏的精简模式（见表1），以凸显论证的精髓——用证据支持观点。
由表1可见，科学与非科学的论证，其区别不在于有无证据，而在于证据的合理性、相关性、可靠性，以及推理过程是否客观并合乎逻辑，是否有条件与范围的限定等。
基于论证的教学方式就是将科学论证方式引入课堂中，使学生有机会理解科学基础元素和科学本质，它是培养学生科学思维的有效策略。下面以普通高中教科书《生物学》必修一《分子与细胞》最后一节中的“细胞通过分裂增殖”（第一课时）为例，探讨如何将科学的论
证方式融入课堂教学活动中。
一、教材分析
《课标》将“内容聚焦大概念”列入生物学课程的基本理念。大概念是在若干重要概念的基础上形成的，重要概念又是在次位概念的基础上形成的，次位概念则由若干生物学事实性知识组成。必修一模块包括两个大概念：一是细胞是生物体结构与生命活动的基本单位;二是细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖。本节内容就属于第二个大概念下的重要概念“细胞会经历生长、增殖、分化、衰老和死亡等生命进程”中的三个次位概念之一“描述细胞通过不同的方式进行分裂，其中有丝分裂保证了遗传信息在亲代和子代细胞中的一致性”[1]。对于构建生命观来说，它是不可或缺的重要部分，也是让學生理解生命层次性的重要切入点。
本节的教学内容有：
①活动：模拟探究细胞的大小与扩散作用的关系。②细胞的分裂经历细胞周期。活动：制作和观察根尖细胞有丝分裂临时装片，或观察其永久装片。③染色体在有丝分裂过程中呈规律性变化。④有丝分裂可保证细胞亲子代间遗传物质的稳定性。⑤癌细胞可以无限制地分裂。
第一课时的教学涉及①②④部分的内容。
二、教学目标
通过本章的学习，让学生认识到生物新个体的繁殖、生长、发育、衰老直至死亡等生命进程，是以细胞的生命历程为基础的;能解释细胞的增殖、分化、衰老和死亡对生物个体生长、发育的意义;能运用实验发展观察能力和探究能力，运用推理与图文模型发展高质量的思维范式和习惯，运用所学知识辨别与其相悖的错误思维和虚假宣传，增强社会责任感，进而达成进化与适应的生命观。具体如下：
1.简述细胞的生长与增殖，发展科学思维。
2.通过分析细胞的有丝分裂并概述其过程，落实生命观念、科学探究和科学思维。
3.通过举例，分析概括细胞分化与细胞全能性的关系。
4.通比较细胞分化与癌变的区别，说明癌细胞的主要特征，讨论恶性肿瘤的防治措施以及简述细胞衰老、凋亡和人类健康的关系，形成生命观念、社会责任感 。
三、教学过程
（一）引入
教师展示单细胞界的“巨无霸”——变形虫吞噬草履虫的动图，请学生说说细胞大的好处。
【设计意图】①从“大”的好处入手，反衬出细胞之所以小，必然有一个意想不到的巨大优势。②通过“大的好处多多，但细胞都很小”所造成的“认知冲突”，让学生主动去探寻细胞小的缘由——激发学生的学习兴趣与好奇心是课堂“引入”环节的应有之义。
（二）探究细胞小的优势
教师展示科学家的猜测：细胞小有利于细胞与外界的物质交换。
理由是：①细胞是个开放的系统，必定需要与外界进行物质交换，而物质交换必定是通过细胞的边界——细胞膜进行的;②细胞越小，其相对表面积（即膜面积）就越大，物质交换的效率就越大。
证据一（数理推理）：若细胞近似于一个半径为R的球体，则球的表面积S=4[πR2]，球的体积V=4[πR3/3]，球的相对表面积S/V=3/R。可见，R越小，球的相对表面积就越大。
证据二（学生实验）：分别用边长为1cm、2cm、3cm的加了酚酞的琼脂块模拟小、中、大细胞，并将琼脂块浸泡在0.1%的NaOH溶液中3分钟。NaOH渗入琼脂块中遇酚酞呈红色，由此可反映出物质交换的效率。最后在修正过的实验数据记录表中处理相关数据，得出结论。
【设计意图】①基于论证式的教学理念，一个观点的提出需要有理由、有证据。理由与证据的展示旨在让学生初步体验“论证过程”。②在教材中的实验数据记录表中增加一列即扩散效率（NaOH扩散体积/琼脂块体积），来反映物质的交换效率。因为NaOH溶液在大小不同的琼脂块中渗入的深度都是相同的，若只测量此深度，则无法体现出扩散效率与细胞大小的关系。③记录表再增加一栏，假设琼脂块的边长为a，NaOH扩散的深度为b，NaOH的扩散效率就等于1-（1-2b/a）3。如此改进，给学生提供了两种推导路径，既可以通过具体数据找到规律，也可以通过数学公式推出规律，而且后者得出的结论更具“普适性”。
教师展示论证的简化模式图（图略）后提出问题：证明“细胞小有利于细胞与外界的物质交换”的论证过程严谨吗？比照论证的简化模式图，在该论证活动中，哪个是观点？哪些是支持理由的依据？哪些是支持观点的证据？
学生比照模式图进行复盘，归类。
【设计意图】①教师通过展示论证的简化模式图，让学生明确“细胞小有利于细胞与外界的物质交换”是观点，理由有两个，依据和证据各一，并能区分说明理由的依据与支持观点的证据。②通过上述的比对，培养学生科学论证的意识，或者在采纳某观点前要有质疑其理由是否合理、证据是否可靠的习惯。③可为后续学习萨顿的遗传染色体学说，区分理由、证据与解释作铺垫。
教师再补充证据三（事实证据）：用繁殖周期作为反映物质交换与代谢效率的指标，来比较三种单细胞生物的大小与其物质交换代谢效率的相关性（如表2）。
【设计意图】①通过补充事实证据来表明支持观点的证据既可来自实验（符合生物学科认同的研究方法），也可来自客观的可验证的科学事实。②希望学生能体悟到细胞既不能无限变大（因为繁殖、代谢会变慢），也不能太小（毕竟要容纳那么多的细胞器），明确真核细胞的大小一般为10～30微米是进化中的最优方案，落实进化的生命观。
教师追问：都说鱼与熊掌不能兼得，有没有一种解决方案既能享受大细胞的好处，又能保留小细胞的优势？
【设计意图】①再次制造认知冲突，提升学生的学习探究兴趣。②自然而然地揭示出多细胞生物独特的生存优势，而使之成为进化的“必然结果”。③渗透“进化与适应观”，呈现生物的核心概念，有效落实生命观念的教学。生命观念中的“进化与适应观”是生物学课程所特有的，学会用进化的观点来解释生命现象，是深度学习的重要标志。
（三）初识有丝分裂
由多细胞生物体内细胞的分类，引出体细胞的分裂方式是有丝分裂，而生殖细胞的分裂方式是减数分裂。教师再从“鸡蛋中只能孵出小鸡，人的细胞有丝分裂后产生的还是人的细胞”等科学事实中，让学生思考并体悟有丝分裂的意义是保持亲子代细胞遗传物质的稳定性，即亲子代细胞中染色体的数目是恒定的。
设计任务：①认识染色体。教师先借助图1中的甲图，帮助学生厘清染色质、染色体、DNA三者的关系，为有丝分裂的学习作铺垫。②再引导学生将具象的染色质抽象出简化的染色体示意图。
【设计意图】图1中的甲图是具象的染色体构成示意图，展现了从DNA到染色体的众多细节。但新课程的教学理念是要淡化细枝末节的内容，强调对重要概念的理解。所以，甲图虽具体，但不会出现在作业或考试中，而丙图才是最常见的表示染色体的方法，并要求学生掌握该染色体中只含一个DNA分子。可是学生不易将丙图与甲图联系起来，现通过乙图作为“中介”：先将甲图抹去许多细节只留下要掌握的内容，抽象成乙图，再由乙图抽象成丙图。这样，学生对染色体与DNA以及DNA数量就会有更深刻的理解。
（四）认识细胞周期
当学生理解了简化的染色体后，教师再画一个有4条染色体的体细胞。让学生思考，如果此细胞有丝分裂后产生了两个子细胞，由有丝分裂的存在意义可知，每个子细胞也必然含有4条染色体。请推测，在黑框处（如图2）必然发生了什么？并说明推理的理由。
【设计意图】①引导学生比较黑框输入信息与输出信息的区别，通过逆向思维推测出不管具体过程如何，细胞必定做了两件事：染色体的复制与染色体的平均分配，这即为观点。②学会从进化的视角去寻找解释观点的理由：这是保证亲子代细胞染色体数目、形态一致的唯一机制，也是亿万年 “优胜劣汰”进化长河中胜出的最优机制。只有如此，不仅能保证分裂前后亲子代细胞遗传信息的一致性，还能使两个子细胞可以周而复始地继续分裂。由此进入细胞周期的教学，更符合教材的编排序列，也能减少学生的混乱感。
教师追问：支持理由的依据可以基于常识，但还缺乏支持上述观点的证据，证据在哪里呢？
接著，教师展示一张荧光标记的动物细胞有丝分裂动图以及洋葱根尖分生区细胞有丝分裂的显微照片，作为最直观的实验证据展现有丝分裂过程中染色体的周期性变化。然后，再根据染色体的周期性引出细胞周期示意图（图略）及相关概念。
【设计意图】①再次利用“观点、理由、证据”的论证模式来组织教学，让学生始终浸润在“观点需要证据支持”的论证氛围中。②人的理解过程并非一蹴而就的，将染色体的周期性变化与教材中的周期图有机地结合起来，有助于学生理解细胞周期的概念和本质。
（五）小结
教师可以自行小结，也可请学生回顾本节课的学习收获。
四、教学反思
反思整节课的教学过程，有以下两个亮点。
（一）浸入式论证的整合
论证式教学将科学的论证引入课堂，是一种促进学生思维发展的有效教学模式。根据将论证融入课堂的形式，可以将论证教学分为浸入式论证教学、结构式论证教学和社会科学式论证教学[2]。结构式论证教学强调论证结构的规范与完整，并要求学生能应用到各种解释性的实践活动中。社会科学式论证教学不要求学生理解科学规律，强调的是社会背景在科学教学中的影响与相互作用。而浸入式论证教学是将论证整合到学生探寻科学规律的过程中，贯穿于提出问题、实验探究、解释现象、解读资料等环节中，它更注重论据的合理性、相关性和可靠性。浸入式论证更能完整地展现生物学科的科学本质，更符合《课标》的要求。本课时的论证策略就采用了浸入式论证教学的方式，在“探究细胞小的优势”和“认识细胞周期”等教学环节中都有论证推理的应用。尤其是“探究细胞小的优势”这一环节，完整地展示了科学论证的四要素——观点、理由、证据与推理。而且教材中只为“细胞越小，物质交换效率越高”的观点提供了一个模拟实验的证据，教师则补充了支持理由的依据和支持观点的事实证据，让论证的证据链更合理、可靠、完备。同时，教师也完善了实验中的数据记录表，提升了实验证据的相关性。
（二）进化生命观的渗透
新课程提出“生命观念的教学需要落实在每一节课堂教学之中”。有的教师认为只要涉及细胞，就是落实生命观了，但这样的落实“门槛”太低。生物学科独有的、最有价值的生命观念，便是“进化与适应观”。著名的生物学家杜布赞斯基说：“若无进化之光，生物学毫无道理。”本节课从“细胞小的优势”到“多细胞生物的产生”再到“细胞周期”，都有进化观点的渗透，让学生学会运用进化论的观点解释生命现象，这不仅是科学思维、深度学习的重要体现，也是一种思维方式的重大转变。
参考文献：
[1]刘恩山，曹保义.普通高中生物学课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018：41-63.
[2] 何嘉媛，刘恩山.论证式教学策略的发展及其在理科教学中的作用[J].生物学通报，2012（5）：33.
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