基于ADI模型的论证式教学在高中生物学实验教学中的应用

基于ADI模型的论证式教学在高中生物学实验教学中的应用
作者：马玉兰范丽仙王欧
来源：《科教导刊》2024年第16期
摘要文章以渗透作用的再探究实验教学为例，探究如何将ADI模型融入实验教学中，旨在提高学生评价资料、提出主张和为主张辩驳的能力，培养学生的科学思维和科学探究能力。

关键词实验教学；论证探究式教学模式；渗透作用；教学实践
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdk.2024.16.033
Application of argumentative teaching based on
ADI model in biology experiment teaching in high school
——Taking the Further Exploration of Infiltration in Experimental Teaching as an Example
MA Yulan1，FAN Lixian1，WANG Ou2
（1. Yunnan Normal University， Kunming， Yunnan 650500;
2. The High School Affiliated to Yunnan Normal University， Kunming， Yunnan 650500）
Abstract The article takes the re exploration of infiltration in experimental teaching as an example to explore how to integrate the ADI model into experimental teaching， aiming to improve students' ability to evaluate data， make claims， and refute claims， and cultivate their scientific thinking and exploration abilities.
Keywords experimental teaching; Argument-Driven Inquiry teaching model; Osmosis; Teaching practice
《普通高中生物學课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）中要求：在生物学教学过程中，组织以探究为特点的主动学习是落实生物学学科核心素养的关键，实验教学是促成学生达成生物学学科核心素养的重要支撑[1]。

倡导探究性学习，提供更多的机会让学生亲自参与和实践，能有效促进学生生物学学科核心素养的达成。

但是长期以来，实验教学经常依附于理论教学，被看成是理论教学的补充，采用的是单一的“刺激—反应—强化”模式[2]。

传统的实验教学模式多以教师讲解实验、演示实验为主，即使组织学生开展实验，学生
也大多是根据教师的引导一步一步完成实验操作，无法理解实验步骤背后的意义，学习的积极性大大降低，科学探究能力难以得到发展。

2008年，美国Sampson等人提出论证探究式教学模型（Argument-Driven Inquiry，ADI），即将论证与探究相融合的教学模型[3]。

不同于一般的科学探究，ADI模型更注重学生科学论证能力、质疑与辩驳能力的培养[4]。

基于此，笔者以渗透作用的再探究实验教学为例，拟将ADI模型引入实验教学，将探究实验与科学论证相融合，让学生在实验过程中掌握科学探究的基本思路和方法，提升学生运用生物学知识展开论证的能力。

1 教材分析和设计思路
“渗透作用”是人教版高中《生物学·必修1·分子与细胞（2019年版）》第4章第1节中的问题探讨内容，基于新课标要求，为帮助学生理解“物质通过被动运输、主动运输等方式进出细胞，以维持细胞正常生命活动”的重要概念，教师应当将教材中“问题探讨”的情境转化为“通过模拟实验探究膜的透性”活动，在此基础上，将ADI教学模型引入渗透作用的再探究实验教学之中，即探究影响渗透作用速率的因素，为后续学习水进出细胞的原理奠定基础，具体实施流程见图1。

2 教学过程
2.1 预实验及课前准备
2.1.1 预实验
为确保实验的可行性，教师应在课前开展预实验。

教师挑选部分学习兴趣高、实验能力强的学生参与预实验，师生共同尝试制作生活化的渗透作用装置，通过测定渗透作用的速率来探究影响渗透作用速率的因素。

基于实验现象及结果，教师可带领学生开展实验探究，为正式实验中的“同伴教育”奠定基础，提高正式实验的效率。

2.1.2 课前准备
①去壳鸡卵质量变化实验：将生鸡蛋在9度白醋中浸泡一昼夜，即可制得去壳的鸡卵。

取两个鸡卵称量初始重量，并将其中一个鸡卵置于0.2g/ml的红糖溶液中，另一个置于0.4g/ml的红糖溶液中。

放置相同时间后，将两个鸡卵取出并再次称量质量，且拍照记录。

②制备鸡蛋内卵壳膜：将若干生鸡蛋在9度白醋中浸泡一昼夜后得到去壳的鸡卵，剪小口使其内容物自然流出，用缓水流冲洗3―4次后得到内卵壳膜，置于清水中备用。

2.2 创设情境，导入新课
参与预实验的学生结合照片向其他学生介绍课前进行的去壳鸡卵质量变化实验，引导学生观察去壳鸡卵经过不同浓度的红糖溶液处理后的质量变化，并描述实验现象：相同时间内，去壳鸡卵经过0.4g/ml的红糖溶液处理后的质量变化幅度明显大于经过0.2g/ml的红糖溶液处理后的质量变化幅度。

教师引导学生思考：去壳鸡卵经过不同浓度红糖溶液处理后，其质量变化幅度为何会出现如此差异？教师通过此实验引导学生将其与渗透作用联系起来，起到巩固旧知的作用，在此基础上进一步提出问题，激发学生的好奇心。

2.3 提出任务，初步论证
学生通过去壳鸡卵质量变化实验，可得出去壳鸡卵经过不同浓度的红糖溶液处理后质量变化幅度会出现差异，其原因是发生渗透作用的速率不同。

由此引发新的探究问题：影响渗透作用速率的因素有哪些？渗透作用的速率该如何测定？教师提供水势的资料：水势即推动水分移动的强度因素，溶质溶于水后会使水势降低；在渗透作用体系中，水会从水势高处向水势低处流动[5]。

水势概念的引入，有利于学生更好地掌握渗透作用，对于之后探究动植物细胞的吸水和失水也大有裨益。

之后，教师引导学生结合已有知识，在現有实验材料的基础上，针对如何测定渗透作用速率的问题开展论证（图2）。

①实验材料：置于清水中的鸡蛋内卵壳膜（课前制备好）、红糖溶液、清水。

②实验器材：水浴锅、中心钻孔的不同内径的瓶盖（1.3cm、3cm、4cm）、若干200ml平盖杯、刻度条、若干橡皮筋、剪刀、注射器（平尖头）、秒表、白板、生料带。

2.4 分组探究，收集数据
针对“影响渗透作用速率的因素有哪些”这一问题，教师引导学生展开讨论，并在综合考虑学生能力差异、个性差别等的基础上，将观点类似的学生分在同一组，每组5个学生，由学生推选出组长，同时将参与预实验的学生分配到各组中担任“小专家”，指导小组实验操作。

各小组结合教师所给的资料，围绕“如何开展实验”“收集什么数据”“如何收集数据”“如何分析数据”探讨设计实验方案，完成论证过程。

实验要求：根据每组设计的实验方案，在教师同意开展实验后，各小组对渗透作用装置进行不同的处理（有效膜面积、膜两侧浓度差、温度），记录6分钟内的红糖溶液在透明吸管内的刻度变化，并计算出平均速率，观察实验现象，以此测定其渗透作用的速率。

在此过程中，各组的“小专家”要承担起指导的责任。

教师巡视各组的实验操作情况，记录出现的问题，确保实验安全。

2.5 构建论证及论证阶段
各个小组在白板上记录下实验结果及实验结论，完善自己的论证模型。

由小组组长向其他组的学生展示本组的论证模型，重点围绕“怎么开展实验”“收集什么数据”“如何收集数据”“如何分析数据”四个方面展开。

某个组阐述在实验开展过程中其遇到的难题及解决措施时，探究同一个影响因素的其他小组可进行补充，其余学生和教师可提出质疑，论述自己的证据及推理，展示组成员进行反驳，并进一步完善自己的论证模型。

通过论证过程，每个小组不仅完善了本组的论证模型，还了解了其他小组的探究任务，教学效果得到极大提升。

学生在探究有效膜面积对渗透作用速率的影响的实验时，可选取市面上常见的3种不同内径的瓶盖（1.3cm、3cm、4cm）制成不同有效膜面积的渗透作用装置，分别向装置内（吸管处）加入等量的0.4g/ml红糖溶液。

红糖溶液应充满由瓶盖和内卵壳膜围成的球冠内。

然后在平盖杯中注入等量的清水，并将此装置置于30℃下水浴加热，进而开展实验。

教师引导学生思考：对于不同内径的瓶盖，有效膜面积都不同，应该如何确定？学生很容易得出：对于内径为1.3cm的瓶盖，加入红糖溶液后瓶盖和内卵壳膜围成的底近似平面，故S1= r2=132.7mm2。

但由3cm或4cm内径的瓶盖与鸡蛋内卵壳膜围成的底并不是一个平面，而近似一个球冠，此时有效膜面积应当如何确定？对此，教师可引导学生结合数学知识，由部分球冠的面积公式推导出有效膜面积的大小：大膜（瓶盖内径为4cm，加入红糖溶液后瓶盖与内卵壳膜围成的底近似球冠，由部分球冠面积公式得到S2=2 RH=1959.4mm2）；中膜（瓶盖内径为3cm，加入红糖溶液后瓶盖和内卵壳膜围成的底近似球冠，依据部分球冠面积公式得到S3=2
RH=1020.5mm2）。

通过整合多学科的知识和方法，帮助学生更好地解决学科复杂问题，使学生具备解决跨学科问题的能力，进而完善自己的论证过程，同时提升了学生对实验现象和结果进行质疑、交流和讨论的能力。

2.6 撰写研究报告及组间盲审互评
此阶段为课后完成，每组需要根据论证及实验阶段完成一份研究报告，研究内容需要包括以下几个部分：①说明指导任务及探究原因；②以图文结合的方式阐明最终论证过程（包括主张、质疑、证据、推理）；③数据的收集和分析方法（表格式、曲线图）；④论证阶段及实验过程中的不足。

在撰写研究报告的过程中，学生应构建出自己强有力的论证思路以说服其他人。

所有研究报告提交后，隐去组别，随机分发给每个小组一份其他组的研究报告，各组按照教师自制的评价量规进行评分，之后教师再进行打分。

评分不合格的研究报告予以退回修改，直至所有研究报告均合格为止[6]。

这个过程提升了学生的科研写作能力和表达能力。

2.7 总结与反思
所有研究报告均合格之后，全体学生对本节课的内容及课后研究报告的撰写进行反思：①本节课研究了什么问题？有何意义？②在科学论证融合探究实验的教学中，本组还存在哪些不足？③如果还可以进一步进行实验，你认为还有哪些问题值得探究？
通过解答以上问题，学生能够清晰地认识到本组在实验阶段、论证阶段、研究报告阶段存在的优势及不足。

而针对问题③，学生的回答不尽相同，例如：①本实验采取鸡蛋内卵壳膜为实验材料，而教材中选用的是玻璃纸，教师提出鸡嗉囊也具有半透性，有学生会提出：半透膜材料的不同对渗透作用的速率是否也会有影响？②教材提出水分子可以自由通过半透膜，而蔗糖分子则不能，有学生提出：如果是其他物质，如淀粉溶液、蛋白质溶液、NaCl溶液，应如何进一步设计实验探究它们能否通过半透膜？
教师要求学生利用ADI模型思维，写出以上问题（二选一）的论证思路。

在论证过程中，学生对于每个主张的提出都需要有强有力的证据来支撑有了更深层次的思考，这进一步提升了学生的科学论证能力。

3 基于ADI模型的论证式教学反思
2.3 提出任务，初步论证
学生通过去壳鸡卵质量变化实验，可得出去壳鸡卵经过不同浓度的红糖溶液处理后质量变化幅度会出现差异，其原因是发生渗透作用的速率不同。

由此引发新的探究问题：影响渗透作用速率的因素有哪些？渗透作用的速率该如何测定？教师提供水势的资料：水势即推动水分移动的强度因素，溶质溶于水后会使水势降低；在渗透作用体系中，水会从水势高处向水势低处流动[5]。

水势概念的引入，有利于学生更好地掌握渗透作用，对于之后探究动植物细胞的吸水和失水也大有裨益。

之后，教师引导学生结合已有知识，在现有实验材料的基础上，针对如何测定渗透作用速率的问题开展论证（图2）。

①实验材料：置于清水中的鸡蛋内卵壳膜（课前制备好）、红糖溶液、清水。

②实验器材：水浴锅、中心钻孔的不同内径的瓶盖（1.3cm、3cm、4cm）、若干200ml平盖杯、刻度条、若干橡皮筋、剪刀、注射器（平尖头）、秒表、白板、生料带。

2.4 分组探究，收集数据
针对“影响渗透作用速率的因素有哪些”这一问题，教师引导学生展开讨论，并在综合考虑学生能力差异、个性差别等的基础上，将观点类似的学生分在同一组，每组5个学生，由学生推选出组长，同时将参与预实验的学生分配到各组中担任“小专家”，指导小组实验操作。

各小组结合教师所给的资料，围绕“如何开展实验”“收集什么数据”“如何收集数据”“如何分析数据”探讨设计实验方案，完成论证过程。

实验要求：根据每组设计的实验方案，在教师同意开展实验后，各小组对渗透作用装置进行不同的处理（有效膜面积、膜两侧浓度差、温度），记录6分钟内的红糖溶液在透明吸管内的刻度变化，并计算出平均速率，观察实验现象，以此测定其渗透作用的速率。

在此过程中，
各组的“小专家”要承担起指导的责任。

教师巡视各组的实验操作情况，记录出现的问题，确保实验安全。

2.5 构建论证及论证阶段
各个小组在白板上记录下实验结果及实验结论，完善自己的论证模型。

由小组组长向其他组的学生展示本组的论证模型，重点围绕“怎么开展实验”“收集什么数据”“如何收集数据”“如何分析数据”四个方面展开。

某个组阐述在实验开展过程中其遇到的难题及解决措施时，探究同一个影响因素的其他小组可进行补充，其余学生和教师可提出质疑，论述自己的证据及推理，展示组成员进行反駁，并进一步完善自己的论证模型。

通过论证过程，每个小组不仅完善了本组的论证模型，还了解了其他小组的探究任务，教学效果得到极大提升。

学生在探究有效膜面积对渗透作用速率的影响的实验时，可选取市面上常见的3种不同内径的瓶盖（1.3cm、3cm、4cm）制成不同有效膜面积的渗透作用装置，分别向装置内（吸管处）加入等量的0.4g/ml红糖溶液。

红糖溶液应充满由瓶盖和内卵壳膜围成的球冠内。

然后在平盖杯中注入等量的清水，并将此装置置于30℃下水浴加热，进而开展实验。

教师引导学生思考：对于不同内径的瓶盖，有效膜面积都不同，应该如何确定？学生很容易得出：对于内径为1.3cm的瓶盖，加入红糖溶液后瓶盖和内卵壳膜围成的底近似平面，故S1= r2=132.7mm2。

但由3cm或4cm内径的瓶盖与鸡蛋内卵壳膜围成的底并不是一个平面，而近似一个球冠，此时有效膜面积应当如何确定？对此，教师可引导学生结合数学知识，由部分球冠的面积公式推导出有效膜面积的大小：大膜（瓶盖内径为4cm，加入红糖溶液后瓶盖与内卵壳膜围成的底近似球冠，由部分球冠面积公式得到S2=2 RH=1959.4mm2）；中膜（瓶盖内径为3cm，加入红糖溶液后瓶盖和内卵壳膜围成的底近似球冠，依据部分球冠面积公式得到S3=2
RH=1020.5mm2）。

通过整合多学科的知识和方法，帮助学生更好地解决学科复杂问题，使学生具备解决跨学科问题的能力，进而完善自己的论证过程，同时提升了学生对实验现象和结果进行质疑、交流和讨论的能力。

2.6 撰写研究报告及组间盲审互评
此阶段为课后完成，每组需要根据论证及实验阶段完成一份研究报告，研究内容需要包括以下几个部分：①说明指导任务及探究原因；②以图文结合的方式阐明最终论证过程（包括主张、质疑、证据、推理）；③数据的收集和分析方法（表格式、曲线图）；④论证阶段及实验过程中的不足。

在撰写研究报告的过程中，学生应构建出自己强有力的论证思路以说服其他人。

所有研究报告提交后，隐去组别，随机分发给每个小组一份其他组的研究报告，各组按照教师自制的评价量规进行评分，之后教师再进行打分。

评分不合格的研究报告予以退回修改，直至所有研究报告均合格为止[6]。

这个过程提升了学生的科研写作能力和表达能力。

2.7 总结与反思
所有研究报告均合格之后，全体学生对本节课的内容及课后研究报告的撰写进行反思：①本节课研究了什么问题？有何意义？②在科学论证融合探究实验的教学中，本组还存在哪些不足？③如果还可以进一步进行实验，你认为还有哪些问题值得探究？
通过解答以上问题，学生能够清晰地认识到本组在实验阶段、论证阶段、研究报告阶段存在的优势及不足。

而针对问题③，学生的回答不尽相同，例如：①本实验采取鸡蛋内卵壳膜为实验材料，而教材中选用的是玻璃纸，教师提出鸡嗉囊也具有半透性，有学生会提出：半透膜材料的不同对渗透作用的速率是否也会有影响？②教材提出水分子可以自由通过半透膜，而蔗糖分子则不能，有学生提出：如果是其他物质，如淀粉溶液、蛋白质溶液、NaCl溶液，应如何进一步设计实验探究它们能否通过半透膜？
教师要求学生利用ADI模型思维，写出以上问题（二选一）的论证思路。

在论证过程中，学生对于每个主张的提出都需要有强有力的证据来支撑有了更深层次的思考，这进一步提升了学生的科学论证能力。

3 基于ADI模型的论证式教学反思。