基于模型构建的论证式教学范式
人类对科学世界的认识很多时候虽然大多源自对科学现象的观察与探究，但其中依据事实与证据进行比较分析、归纳演绎与推理论证而得出的结论不在少数。模型构建在生命科学研究中常用于简化描述、客观描绘或结构搭建等一些现象或事实，通常被生物学家研究时所使用，常见的有DNA分子的双螺旋结构、细胞膜的流动镶嵌模型等。在中学生物学课程中也同样存在一些模型构建课，这些课程内容不仅可以帮助学生更好地认知、探究与应用生命科学知识，还能够引导学生沿着科学家的探秘之旅，体验发现真理的历程。然而，在实际的生物学模型构建课教学中，模型特征的强加预设、虚假探究与要点灌输等现象常有发生，其课程价值得不到深度开发与转化。因此，在实践教学中转变教学方式践行模型构建教学已经势在必行。目前，采用探究教学、情境教学与支架式教学等教学范式实施生物学模型构建课教学的尝试已经有相关研究，但论证式教学作为近年来国际科学教育界常被提及的教学法，尚缺乏相关在模型构建课中的实践研究。正因如此，研究者尝试立足生物学模型构建课进行论证式教学研究。
（一）以论证式教学实施模型构建的优势分析
1.论证任务可促进学生建模活动的具身化
论证式教学作为近年来常被国内外科学教育提及、使用与研究的一种教学方式，其本质究竟是什么？论证式教学是一种将科学论证引入课堂，让学生循着事实、证据进行推理分析，逐步得出结论的一种教学方法或模式。部分学者认为论证式教学使学生经历类似科学家的论证过程，理解科学概念和科学本质。从表象上来看，论证式教学必须是给予了学生一定论证任务的，而这些任务通常会以问题的形式牵引着学生思考，让学生在任务的驱动下达成主动性学习。此外，论证式教学中发布的学习任务必须能激发起学生的学习兴趣，与他们的生活实际相关联；并且任务的设置应符合学生认知规律，学生可借助各类先行组织者材料进行观察发现、科学探究或推理论证而完成。综上所述，论证式教学中给予的论证任务应具备激发学生学习热情、增强学生探究欲望，并促进他们实践应用的能力。而学生进行模型构建的过程也并非一蹴而就，学生往往需要凭借自身的兴趣与探究欲望，在一次次建模修整与完善中收获成就感。由此可见，论证式教学中的论证任务恰恰给予了学生模型构建的各类学习活动，并且能够让学生在亲身经历、关联实际与拾级而上中，不断达成具身化的学习过程。这就是以论证式教学实践模型构建课堂教学的优势之一。
2.论证要素可助推学生建模认知的条件性
科学论证教学源起于西方，而论证的英文为argument（讨论），可见论证的过程应当是学习者与情境材料、数据表单、他人经验等不断讨论，进而综合得出自我判断的过程。诚然，科学论证的过程并非凭空臆测或直觉推断，它需要经由事实证据链的反复推理、不断分析方能得出优质答案。在简化科学论证的模型时，研究者所提出的科学论证中至少需要包含“证据-推论-主张”三类基本要素。可见，科学家真实的模型构建是根据部分限定条件推测的，并会随着条件证据的改变不断发生变化，这也体现了科学本质中知识的暂定性。然而，学生在初步学习生物学模型构建课的时候，往往会被其外观美感与特征要点所吸引，而忽视模型构建背后经由条件限制与证据推理发生的条分缕析过程。以论证式教学进行模型构建教学，往往会先让学生区分什么是证据、推论与主张，并依据相关证据不断分析推理去评价模型适切性，进而调整、完善模型。学生经历了科学论证的过程，不仅可以让学生体会到科学家建模过程的艰辛与坚守，还能够让学生在模型构建上打破知觉体验的初映象，让其明白当下科学世界的建构均源自事实推论间的螺旋式上升。总而言之，论证式教学中的论证要素可助推学生认知到建模过程的条件依赖性。
3.论证过程可达成学生建模思维的科学化
仅是讨论对话的过程无法形成真正意义上的论证式教学。论证式教学不仅包含了上文所述的科学证据与共同体主张之间的讨论过程，还包含了学生推理显性化、明晰化与不断完善的过程。学生推理的过程就是其思维的变化过程，因而论证过程中包含了学生思维转变的过程。其实，受限于含蓄、内敛，强调努力学习的传统教学文化，我国多数的科学课堂教学并不热闹，其中学生学习模型构建的思维是默会性与内隐性的，其在论证模型构建合理性的时候往往会因思维的浅薄或偏颇，进而导致模型构建的囫囵吞枣。而科学论证教学的过程可以将学生推理过程显性化暴露出来，并依据各类证据不断完善修正，学生在此过程中便达成了自身建模思维的科学化。正如何克抗教授所言，建模思维中体现着定性思维与定量思维、计算思维、系统思维等。想要促进这些思维的不断生成、完善，乃至于科学化，必然是一个不断学习与探索的过程，而论证式教学恰恰印证了这一过程。论证式教学中的“证据为基”体现了以质性或量化资料为依据的定性或定量思维，而其中推理过程的不断完善、随着证据的更新而不断“统整”，则体现了模型构建中所需要的系统思维。由此可见，论证过程可达成学生建模思维的科学化。
（二）以论证式教学实施模型构建的课例展示
在教学的多变环境中，教师采用的教学方法时刻影响着学生的知识理解、思维深化与拓展应用，而学生在教学场域中的反馈也影响着教师对教法的改进。上文虽然从文献梳理与理论思辨的角度得出了论证式教学践行模型构建课教学存在很大优势的结论，但实际教学中将科学论证作为一种新的教学方法或思维观念引入模型构建课堂仍旧面临着诸多挑战。立足生物学模型构建的论证式教学不仅要引导学生不唯正确答案论、合理构建可视化模型、呈现论证的思维过程，还需要在教学中设置阶梯性的讨论问题、将推理任务合理分配、培养良好的倾听者（听清楚别人的论证并积极思考），更需要协调混乱的学生讨论环节，适时、适当地改变教师的角色。正因如此，笔者以“探究植物细胞的吸水和失水”实验课为例，自主创生并实施了模型构建课的论证式教学活动，以期完成教学向纵深方向铺展、知识向深度方向延展、思维向科学方向拓展的目标。
1.依据情境体验，构建经典模型
（1）教学过程。
教师首先依据生活情境分析出模型构建的现象，即以学生日常生活经历为启动点，激发学生归纳“植物细胞吸水和失水”的生活现象，例如“糖拌番茄，有水渗出”“萎蔫的花枝插入清水瓶中，又重回坚挺”等。紧接着，教师就可以依据现象让学生进行相关的模型构建与解释，即以上述现象为启发点，激发学生从细胞结构的视角，画出水分从细胞渗出或进入的模型图，总结出植物吸水和失水的原理：当细胞液浓度比外界溶液浓度低时，细胞液的水分就会穿过原生质层向细胞外渗出，液泡的体积逐渐缩小，由于原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性，所以当细胞壁停止收缩后，原生质层继续收缩，最终导致细胞膜与细胞壁分开，这种现象就称为质壁分离；反之称为质壁分离复原。接下来，教师则让学生根据教材的相关内容进行科学探究，用亲身实践进行验证，即用洋葱鳞片叶外表皮细胞为实验材料，分别用0.3 g/mL的蔗糖溶液、清水验证植物细胞的吸水和失水模型的科学性与可行性。
（2）设计意图。
从学生生活经历中寻找鲜明目标（如糖拌番茄），帮助学生发现身边发生的生物学现象（渗透失水），引导其产生对解释生物学现象的学习欲望；然后，结合鲜明目标，引导学生从细胞结构模型的角度出发，结合相关已学知识，通过演绎与推理，画出成熟植物细胞质壁分离的模型图；最后结合科学实践，阐述生命现象，论证“质壁分离与复原”模型构建的科学性、合理性。从心理学角度审视，这样的教学设计启动了学生先感受后表达的逻辑认知功能。该教学过程的深度含义有三：第一，让学生感受糖拌番茄失水现象，有助于触动其大脑右半球形象思维区域的兴奋；第二，让学生构建植物细胞失水模型，有助于推动其大脑左半球抽象思维区域的活跃；第三，让学生通过科学实践，验证模型构建得正确与否，旨在主张模型构建应建立在科学验证的基础上，启迪学生从实际出发，客观而辩证地深入剖析内在规律，继承和发扬学科核心素养的品质。
2.质疑驱动变式，构建多维模型
（1）教学过程。
教师首先以关键问题为突破口，引领学生产生深层思考，即教材用洋葱鳞片叶外表皮细胞做质壁分离的实验材料，其大而呈紫色的液泡，可以辅助观察者通过对原生质层位置的变化、细胞液颜色的深浅来判断质壁分离的程度。但是，若实验材料的细胞液无颜色，甚至整个实验材料都无色，植物细胞会发生质壁分离吗？紧接着，教师组织学生进行小组合作学习，去推理构建多维模型。具体而言，让学生通过假设推理与分类讨论，构建出不同的模型。在构建活动中，有的小组完成了“无色-有色-无色”的模型构建，即当实验材料的细胞液、外界溶液皆无颜色时，如果赋予原生质层以颜色实施对照，则也可以观察到质壁分离。具体模型详见图2-4-30A；还有的小组则完成了“有色-无色”的模型构建，即当实验材料细胞液、原生质层皆无颜色时，如果赋予外界溶液以颜色实施对照，则也可以观察到质壁分离。具体模型详见图2-4-30B。
图2-4-30 “质壁分离”观察的论证式教学多维模型
A：“无色-有色-无色”模型；B：“有色-无色”模型。
（2）设计意图。
在该教学过程中，教师重在引导学生从实验材料的角度进行反思与创新，即质壁分离与质壁分离复原的实验材料是不是只能选择洋葱鳞片叶外表皮细胞一类的材料，以及材料是否均应具备有大而呈一定颜色液泡的特质？通过对实验材料性质产生的批判性质疑，鼓励学生尝试以先前实验验证的模型为基础，以合作学习的形式进行分类讨论与推理预判，进而构建出如图2-4-30所示的“无色-有色-无色”模型和“有色-无色”模型。这一教学过程不仅让学生进行了独立思考与合作交流，还告知了学生问题的正确答案并不绝对。由此可见，此教学过程一方面鼓励学生不断追求新知，养成实事求是、独立思考、勇于创造的科学精神；另一方面激励其博采众长、大胆创新，在加强科学方法和已有知识体系学习的同时，学会以转换模型构建的思维，培养学生“穷则变、变则通、通则久”的科学思维。
3.实践拓展关联，论证检验模型
（1）教学过程。
上述过程的两类模型仅是学生的理想构建，下面教师则需要让学生寻找资料去检验并论证已建模型的可信度。详细说来，教师以学生构建的“无色-有色-无色”模型、“有色-无色”模型为印证链，让学生展开对资料的查阅，寻找能够验证模型可行性的实验材料。例如，黑藻细胞的细胞液无色、原生质层因富含大量叶绿体呈现绿色，其理论上可以用于验证“无色-有色-无色”模型；洋葱鳞片叶内表皮细胞的细胞液、原生质层皆无颜色，则可在质量浓度为3 g/mL的蔗糖溶液中加入3～5滴不易通过细胞膜的红墨水，其理论上可以用于验证“有色-无色”模型。紧接着，教师便给予学生相应的实验材料，让学生通过真实性、自主性的实验去检验论证模型的合理性。该过程中，教师应监督各小组依照查阅的资料、选择的实验材料展开对本小组构建的模型进行现实性、科学性与合理性方面的论证。图2-4-31中的A、B两幅图分别为学生以黑藻细胞和洋葱鳞片叶内表皮细胞开展的验证实验结果。
图2-4-31 “质壁分离”论证式教学的模型验证图
A：黑藻质壁分离实验结果；B：洋葱鳞片叶内表皮质壁分离实验结果。
（2）设计意图。
通过查阅资料、合理利用实验材料，然后借助实验对已建模型开展科学性的论证活动。论证期间，在查证、取证和举证中要选择恰当的观察材料、观察位置和观察角度，采用直观的技术手段，将定量与定性的方法有机结合，客观记录有价值的事实性现象和过程，使证据言之凿凿。这种方法采用对经典实验或案例的发散性追问，借助推理与分析的手段构建多维模型，然后用事实之印迹、事件之影像予以求证。从教学研究的现代转型角度审视，其蕴含的教育深意有二：第一，创新设计多维模型是一种思维创造和知识迁移，旨在通过模型构建实现教育的多元化、多样化，提高学生对生物知识的巩固和加深，帮助学生开阔视野、提高对知识的归纳能力和对问题的解决能力；第二，从经验到证据，入木三分地对已构建模型深度追踪，全方位、全过程、全要素地加以取证，使学生尽可能完全独立地处于一个研究者的地位，像科学家那样探求知识，最终实现以有效的生物学模型设计为突破口，不断推进素质教育和新课程向纵深方向发展。
（三）以论证式教学实施模型构建的落实关键
最新颁布的《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》，把“模型与建模”思维作为科学思维的组成部分，并明确要求在教学中要展开“尝试制作真核细胞的结构模型”“运用模型模拟减数分裂过程中染色体的变化”“制作DNA分子双螺旋结构模型”等教学活动。从以上引述中，我们可以看出，我国教育界对“模型与建模”引领当代教学改革产生的重要性价值，给予了充分的肯定。那么，立足模型构建的生物学课型践行论证式教学，有哪些地方是教学中的落实关键呢？
1.以适切、系统的论证任务助力生物学模型构建
从知识背景的现实性、适切性和延展性的角度思辨，模型构建常起始于一个真实的情境，这些情境常会以经验的形式、口头报告，甚至数据的形式浅层展现。这就需要在模型构建时，融入新旧知识、交互跨学科整合，在模型效化阶段遵循教学应用的适切性原则，不能完全脱离模型的原型，变得无法溯源、无法验证。所有的建模活动都出自某种目的，如现象描述、原因追寻或是预测趋势等，其背后一定遵循知识的延展性。科学合理地构建和运用模型，才能帮助学生实现知识概念的转变、动手与合作能力的提升，使其获取分析和解决实际问题的能力，进而改善其学习的态度。所以，以模型构建践行论证式教学要基于学生的“最近发展区”进行教学活动；要多从学生的认知角度出发，多从学生的思维角度出发，多从学生贮备的知识出发，开发和探究出易于让学生接受的模型，才能使模型内化于学生的大脑，成为他们分析和解决问题时心智操作的工具。
2.以模型构建价值的追问促进教学观念变革
以论证式教学践行生物学模型构建课教学，并非单纯教授模型构建的知识，而是在帮助学生构建与优化心智模型。因此，教师要不断追问模型构建的育人价值，将学科教学的教学观念转型为课程育人的观念。信息技术、概念转变、探究教学、论证教学等的发展，又为其实践内容的丰富与发展提供了可能，使科学建模理论迅速与实践结合，受到科学教育界广泛关注。模型作为表征科学的语言，是通向科学教学的阶梯。若将模型仅视为教具制作，其结果只会导致模型构建教学滞留于知识的浅滩；若将模型仅视为手工活动，其结果只会漠视建模的目的和功能。实则，在本案例中模型构建与论证过程辩证交融、构成了互相支撑的教学体系，其中融入了比较、抽象、概括、具象、实证的认知元素，渗透了分享观点、批判协商、合作共进的心路历程。所以，以论证式教学实施生物学模型构建课，应从培养“科学人才”的维度审视，加强建模知识的理解，有助于帮助学生建立科学的本质观；围绕科学概念的建模，有助于发展学生的科学思维能力；基于科学实践的验证，有助于培养学生实事求是的人生态度。
综上所述，在生物学模型构建的论证式教学中，模型构建是平台，举证评价是手段，科学实践活动是构建、分析、验证、评估和优化的历程，深度开发与转化生物学学科的育人价值是当下生物学教学改革的必由之路。
（本节部分发表于《天津师范大学学报》2022年第2期）