实验教学取向论证的尝试&以植物生长素的发现为例_向光性论文

论证取向的实验教学尝试——以“植物生长素的发现”为例，本文主要内容关键词为：生长素论文,为例论文,取向论文,实验教学论文,植物论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      论证取向的实验教学是把论证式教学策略引入实验课堂，根据Toulmin的论证模型可设计出新的“论证取向实验教学模型”（图1）[1]，该模型包含4个成分：（1）问题，是需要通过实验数据加以回应，或通过客观合理的理由加以说明的疑问。（2）证据，是任何问题研究和主张推断时必须引用的事实数据；观察或测量现象随时间的变化趋势，显示不同目标或组别之间的差异、不同变量之间的差异。（3）推理，是解释证据为什么支持主张，如何支持主张。（4）主张，是针对研究问题的结论、猜测、解释或者其他答案，符合证据的正当的结论[2]。

      在论证取向实验教学中，如何实现从“问题”引出“实验证据”，再推理得出“主张”呢？下面以“植物生长素的发现”一课为例，展示论证实验教学中研究问题的提出、实验证据的收集和主张的推导。

      

      一、论证实验教学中问题的提出

      实验教学中，驱动思考探究的最有效方法是提出问题。但不是任何问题都能引起学生的探究热情，因为问题可分为探究和非探究两类。非探究问题不需要猜想假设或探究，学生能用已有知识回答，自然会削弱学生的求知欲望；探究问题学生不能用已有知识回答，必须用实验证据来回应，可以驱动学生制订实验方案开展探究[3]。鉴于此，论证实验教学首先要设置情境，提出合理的探究问题。

      （一）设置情境，产生问题意识

      问题意识是指在认识活动中意识到难以解决或疑惑的实际问题或理论问题，并产生一种怀疑、困惑、焦虑和探索的心理状态，这种心理会驱使个体积极思维，不断提出问题和解决问题。

      论证实验过程是一个不断探索的过程，从实验思路的产生到实验方案的设计，从实验结果的分析到实验结论的得出，每一步都有论证活动，每一步都是推理的结果。因此，论证实验过程能够让学生置于真实、有意义的问题情境中，产生强烈的问题意识，甚至会遇到实验事实与认知发生冲突而疑惑不解，并产生更为强烈的问题意识，诱发学生产生探寻新的实验证据加以辩驳的强烈欲望。

      （二）分清探究类型，设置恰当问题

      生长素的发现史是由一连串探究过程组成的，主要包括向光性外因和内因的探究。如何设置恰当的问题引导学生开展有效探究呢？首先，要根据探究内容的不同选择对应的探究类型。探究类型可分为比较探究、因果探究、预测探究、条件探究、探索探究和问题解决等不同类型。其中，比较探究是根据一定标准比较不同事物，或选择符合某种标准的事物；因果探究是探究自变量和因变量之间的关系；预测探究是假设某自变量发生变化，预测将发生什么变化；条件探究是指探究某结果的出现需要什么条件；探索探究是探究原因和结果之间的初步关系，自变量还没有聚焦，需要探索，等等[3]。

      如何对号入座选择合适的探究方式呢？如探究“向光性外因”应设为条件探究，而不是因果探究，因为因果探究，自变量明确是单侧光，即探究向光性与单侧光的关系，无须学生挖掘，给学生施展的空间太小，而作为条件探究，自变量尚未聚焦，留有一定的探索空间，由学生自主推定，发挥了学生的自主性和创造性。又如，探究“感光部位、生长和弯曲部位”要设成“感光等部位在哪里？”的探索探究，“在哪里”也是尚未聚焦的自变量，需要教师引导学生逐步探索出来。再如，探究“某种影响是什么”，“是什么”难以聚焦，要先预测，并以预测的结果为前提，作出假设，设置自变量，进行实验、观察和分析，最后做出科学的判断，这里需联合运用预测探究和探索探究。

      二、论证实验教学中收集证据，回应问题

      回应任何问题都必须引用证据，构建论证。收集证据要从具体问题出发，引导学生设计合理的实验，严格控制实验变量，规范操作，准确收集实验数据、真实描述实验现象，科学处理实验数据、透彻分析实验现象，经推测和辩论，揭示事物变化规律并确立主张。

      （一）收集可靠数据，揭示变化规律

      为收集可靠数据，教师先要引导学生设计独到的实验，使实验的观测指标能准确反映探究目标。

      案例一 胚芽鞘生长和弯曲具体部位的揭示

      要探究向光性生长与弯曲原因，得先摸清生长和弯曲的具体部位，如何确定具体部位？可从头发长长、身体长高等常用的测量办法启发引导学生，推出通过测量长度的变化来界定胚芽鞘的生长，通过做记号来确定生长的部位。具体要通过前后测量标记对比得出。

      

      通过上述方法标记后，胚芽鞘分别放到暗纸箱和单孔光中培养，每隔1h进行测量记录。结果，横格距离增大或实线变成虚线的部位均在距胚芽鞘尖端约2mm以下的部位。由此可推出主张：生长和弯曲部位在胚芽鞘尖端以下（图2，图3）。

      

      （二）分析实验现象，揭示变量之间的关系

      要使实验现象能客观准确地揭示探究变量之间的关系，则必须基于科学巧妙的实验方案。

      案例二 揭示胚芽鞘向光性与尖端的关系

      要揭示胚芽鞘向光性与其尖端的关系，可借助控制实验变量法，设法给胚芽鞘施加不同干扰（不同生长条件），如切除尖端和保留尖端，去尖端若表现出某种特有的现象，即可揭示胚芽鞘向光性与其尖端的关系。实验现象是单侧光下，无尖端不生长，有尖端弯曲生长；分析得出主张：胚芽鞘的向光性与尖端有关（图4）。

      

      同理，要揭示感光性部位与尖端的关系，可设置如图5的实验变量。用锡箔分别罩着尖端和尖端以下部位，单侧光照射下，遮住胚芽鞘尖端直立生长，遮住尖端以下部位向光弯曲生长。分析得出感光部位在胚芽鞘尖端。

      

      三、论证实验教学中论证推理，得出主张

      从实验证据一般不能直接得出主张，而是要通过推理论证，才能使主张联系上证据。假说—演绎法和类比推理法都是科学研究中常用的推理论证方法，借助这两种方法开展论证实验教学，能顺利地连接证据与主张。

      （一）假说—演绎推理，得出主张

      假说—演绎推理，是在观察和分析的基础上提出问题，通过推理和想象提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验检验演绎推理的结果，如果实验结果与预期结论相符，就证明假说是正确的，反之则说明假说是错误的。假说方法在生物科学研究中有两个重要作用：一是解释作用，即对以往生物学经验、事实进行总结，说明生命现象和产生这些生命现象的机制之间的关系。二是导向作用，对未知领域提供新的探索，引导人们在相关方向继续进行研究，从而导致系列科学新成果的产生。

      案例三 “某种影响是化学物质”的推理论证

      背景 已知胚芽鞘向光弯曲生长，感受光刺激部位在尖端，生长和弯曲部位却在尖端以下。可推知尖端一定对以下部位施加了某种影响，才导致下部的生长或弯曲。那么这种影响是什么呢？

      提出假设 尖端对以下部位的影响或作用，不可能是类似动物的神经系统作用，也不可能存在某种特异的功能，那么是否有可能是某种类似动物激素的物质产生的影响？

      假说演绎 如果尖端对以下部位产生的影响真是因为某种物质，则该物质就可以透过某些介质继续发挥影响功能。若设计的实验真能观察到“影响”仍然存在，则反过来证明这种影响是化学物质。

      实验检验 在尖端与其下部之间分别插入一小片玻璃片和琼脂片，玻璃片不透水会阻止“影响物”透过介质，琼脂片透水不会阻止“影响物”透过介质。接着，观察胚芽鞘是否向光弯曲生长。

      结果与预期相符 阻隔物两侧细胞不能接触，插入玻璃片的尖端其化学物质无法扩散过去，因此该组不能生长或弯曲。但插琼脂片尖端的化学物质可以扩散到尖端以下，对尖端以下部位产生的影响仍然存在，因此，插入琼脂片的胚芽鞘能向光弯曲生长（图6）。

      

      得出主张 “某种影响是化学物质”的假设成立。

      （二）类比推理，得出主张

      类比推理是逻辑推理的一种，是根据两个或两类对象在某些属性上相同，推断出它们在另外的属性上（这一属性已为类比的一个对象所具有，而在另一个对象那里尚未发现）也相同的一种推理。哲学家康德曾经说过：“每当理智缺乏可靠的论证思路时，类比这个方法往往指引我们前进。”可见，类比推理也是科学研究的一种有效的探索方法。

      案例四 “植物向光性原因”的解释论证

      背景 1914年，拜尔（A.Paal）把切下的胚芽鞘尖端放置于去尖端的胚芽鞘切面的不同位置上，结果胚芽鞘分别向放置尖端相对的一侧弯曲生长，实验证明这是由于影响物分布不均匀造成的（图7）。

      

      类比推理 由此推断，胚芽鞘向光弯曲生长，可能也是由于某种化学物质在伸长区的向光侧和背光侧的分布不均匀造成。当然还需要实验进一步检验。具体来说，就是单侧光引起胚芽鞘尖端下段向光弯曲生长，说明该化学物质在尖端下段背光侧比向光侧含量更多。由于该物质垂直向下运输，在尖端以下部位分布不均匀，一定是由于尖端处分布不均匀造成，即尖端背光侧比向光侧含量更多。

      实验证据检验 单侧光照射胚芽鞘尖端，分别用琼脂块1和2收集尖端向光侧和背光侧的该物质，用琼脂块3和4收集尖端以下部位向光侧和背光侧的该物质，把四块琼脂块两两分别放置于去尖端的胚芽鞘切面上，一段时间后，观察四个胚芽鞘生长快慢情况，并两两进行比较（图8）。结果放置琼脂块2和4（背光侧），均比放置琼脂块1和3（向光侧）长得更快，说明上述类比推理解释是正确的，即向光性的原因是某化学物质在伸长区的向光侧和背光侧的分布不均匀造成的。

      

      四、论证实验教学的思考

      证取向的实验教学，实验结论是基于实验数据或实验资料，通过论证加工后产生，而不是从实验直接产生。实验只是获取证据的手段，要通过推理才能联系主张和证据，对主张有分歧时还要进一步收集证据进行辩护，最后达成一致的主张。论证实验教学，是一种充满“理性”的实验教学方式，其间的推理论证加工，凭借的都是确凿的证据或理由，逻辑推理严密，思维交锋激烈，可以有效发展学生的论证能力与科学探究能力，使学生对科学概念和科学本质的认识更深刻，并使学生的批判性思维等得到发展。

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