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摘 要：科学论证教学法需要学生能够像进行科学研究一样，对学科知识和实验原理进行论证。PCRR 由陈述、批判、反馈和凝炼 4 个步骤构成，是典型的沉浸式科学论证模式。在生物化学“聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定植物过氧化物酶同工酶”的实验教学中采用科学论证 PCRR 教学模式，可有效提高教学效果，并有助于提升学生的科学素养。
关键词：科学论证教学；PCRR；电泳；同工酶
本文引用格式：陈蓉蓉 , 等 . 科学论证教学在“生物化学实验”课程中的应用 [J]. 教育现代化 ,2020,7(33):122- 124,128.
The Application of Scientific Demonstration Teaching in "Biochemistry Experiment" Course
CHEN Rong-rong1, SONG Jian-bo1 , ZENG Li-ming1, ZHOU Yong1, LIU Shi-qiang1, WANG Yi-hua2
(1.College of Bioscience and Bioengineering of Jiangxi Agricultural University, Nanchang Guangxi; 2. College of Science of Jiangxi Agricultural University, Nanchang Guangxi)
Abstract: The teaching method of scientific argumentation needs students to be able to demonstrate the subject knowledge and experimental principles as well as scientific research. PCRR consists of four steps: statement, criticism, feedback and refinement. The scientific application of PCRR in the experimental teaching of “identification of peroxidase isozyme in plant by polyacrylamide gel electrophoresis” in biochemistry can effectively improve the teaching effect and improve the scientific literacy of students.
Key words: Scientific demonstration teaching; PCRR; Electrophoresis; Isozyme
一 引言
科学论证是科学探究过程中的重要核心，它通过使用证据进行推理来证明科学论题。科学论证模式在教育领域中也被广泛应用。科学论证式教学就是通过让学生在“论”中进行预设和假说，然后在“证”中进行推论与建构 [1,2]，最终在“解释－论证”的科学探究过程中提高学习效果并掌握科学知识。论证者可以是学生也可以是教师。“论”即科学知识，既可以是科学一般性原理，也可以是科学实验中的实证 [3]。科学论证式教学可以分为社会科学式、结构式和沉浸式 3 种模式 [4]。社会科学式教学模式是在教学过程中让学生体验到科学与社会的联系，学习在科学背景下如何进行社会决策；结构式教学模式是在教学过程中先明确知识架构，然后再要求学生将知识架构对应到不同的场景当中；沉浸式教学模式则是把探究体验科学理论或知识作为学习和实践的方式 [3]。由此可见，沉浸式教学模式更加贴合当前培养学生科学素养的要求。因为只有当学生通过亲自探究，完整地参与到知识的构建和批判之后，他们才能真正理解学科原理的基本骨胳与脉络 [4]。PCRR 是典型的沉浸式科学论证模式，它由4 个步骤构成，依次为陈述 (present)、批判 (critique)、反馈 (reflect) 和凝炼 (refine)[5,6]。
科学论证教学模式的课例研究在国外开展的较早，近年来也引起了国内广大教育者的重视。因此， 作者以“聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定植物过氧化物酶同工酶”为切入点，在“生物化学实验”教学中引入 PCRR 模式，对科学论证教学进行了初步探索。
二 PCRR 论证教学模式设计
（一） 主题选择
同工酶是指生物体内酶的结构、理化性质乃至免疫学特性不同，但其催化的化学反应却是相同的一组酶。在不同植物中，同工酶的种类和含量都不同， 这与植物的遗传特性、生长发育阶段、环境胁迫及抗性等密切相关。同工酶作为植物基因表达的产物， 鉴定出同工酶谱对于植物的品种鉴定、生长发育及遗传杂交等研究具有重要意义 [7]。过氧化物酶在植物体内普遍存在，它与植物的光合作用和呼吸作用等代谢相关，其表达水平随着植物体的生长发育与外部环境改变而不断发生变化。通过测定植物体内的过氧化物酶同工酶谱，可以反映某一特定生长时期植物细胞代谢的生理状况和调节变化。
聚丙烯酰胺凝胶具有机械强度好，透明有弹性， 化学性质稳定，对 pH 和温度变化不敏感，在多数溶剂中不溶，为非离子型载体，且无吸附和电渗作用等特点。我们可以通过调节丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺单体的比例和总量，在极大范围内来制备不同大小孔径的聚丙烯酰胺凝胶。因此，聚丙烯酰胺凝胶电泳广泛地用于生物大分子的分离、定性和定量分析。采用聚丙烯酰胺凝胶电泳法来鉴定生物体内的同工酶，具有重现性好、灵敏度高和方法简便的优势，且同工酶谱鉴定的结果便于观察、记录和保存。因此，许多本科院校的“生物化学实验”课程中都设有“聚丙烯酰胺凝胶电泳法分离鉴定植物过氧化物酶同工酶”的实验教学内容 [8]。该实验过程历时较长，涉及聚丙烯酰胺凝胶制备、酶的电泳体系构建与电泳实施、同工酶染色等多方面的实验操作和生化原理，是“生物化学实验”课程中相当经典的综合性实验。
本校的“聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定植物过氧化物酶同工酶”的实验教学，以鉴定青菜和包菜中的过氧化物酶同工酶为目标，采用科学论证为手段， 要求学生在实验过程中论证实验原理，并基于理论依据和实验实证证据，探究出可以明确支持观点的论据，最终通过体验科学论证的全过程，实现增强学习效果、提高实验技能的教学诉求。该实验为 8个课时，分为 4 大环节，第一是课前分组和预习环节， 第二是论证和研讨环节，第三是聚丙烯酰胺凝胶制备与电泳实验环节，第四是酶蛋白染色、实验结果记录和评价总结环节。
（二）科学论证教学过程设计
上实验课之前（提前一周左右）将分别负责该实验内容中的“凝胶制备”“样品电泳”和“同工酶染色”的科学论证，并根据随机抽签方式领取任务。根据“陈述”中问题提示做好课前预习和准备工作。在课堂教学时，首先，根据实验进程，各组同学代表进行“陈述”，主要讲述内容是关于实验原理、相关问题的解释和操作步骤的示范；然后，全体同学对“陈述”进行评价、批判和补充；再次，“陈述”同学对其他同学的“批判”做出“反馈”，对错误进行更正并对不足予以完善；最后，全体同学进行实验结果记录、计算和评价，教师对上述各个环节给出点评，通过“陈述”“批判”“反馈”各个步骤实现“凝炼”和提升。
图 1 科学论证教学过程设计流程图示例
下面以“凝胶制备”教学内容的 PCRR 设计为例， 阐述科学论证教学在“生物化学实验”课程中的应用。
1.问题提出和“陈述”
【教师】基本问题：（1）制备聚丙烯酰胺凝胶的基本试剂成分及其形成凝胶的原理是什么？（2）凝胶制备中化学催化聚合和光催化聚合的优缺点是什么？（3）什么是凝胶的浓度和交联度？它们与分离的生物大分子的关系是什么？（4）如何制备圆盘电泳的分离胶和浓缩胶？（5）拓展问题：聚丙烯酰胺凝胶法分离生物大分子技术的出现与发展。
【学生】要求所有学生进行课前预习，寻找并归纳出上述问题的解释。“陈述”小组需要逐一列出上述问题，围绕问题准备好陈述讲稿。其他小组同学也需要弄清楚上述每个问题，以便在“批判”时做到有的放矢。
2.同学对“陈述”进行评价和“批判”
【学生】聆听他组代表陈述，仅针对陈述提出批判观点，给出改进意见并阐明原因（证据）。
【教师】动态监督批判的全过程，及时修正明显批判错误的小组。
设计思路：在同学们进行评价和批判的过程中， 教师要维持好课堂秩序，以便学生能不断地提出科学证据来支持自己的观点或是反驳他人的观点，然后在不断的辩护与反辩护过程中，同学们之间可以碰撞产生出新的观点火花。批判过程不仅有助于培养学生的批判性思维能力，还能够锻炼学生严谨科学的表达能力。在此教学过程中时常可能会出现偏离主题的现象，多数情况下是因为学生的知识储备不足所致，这时就需要教师及时出面进行指导和纠正，以优先确保论证教学有效进行。
3.反馈
【学生】小组针对其他同学的批判进行反思，重新设计实验并提出实验操作模型。
【教师】敦促各组对其它组的同学提出的启发性建议进行反思、反馈。
设计思路：反思和反馈是对自己原有的思维路径与推演结论进行再评价的过程。在该过程中，学生通过理性思考其它组的同学在批判环节中提出的相关意见，对自己原有的观点和设计进行再评价， 然后决定是否完全或部分采纳对方的意见以修正自身漏洞。倘若不能完全接纳对方的意见，那就要思考寻找什么样的原理，如何去说服对方接受自己的观点。
4.凝炼
【学生】在反思的基础上，提出更加完善的实验设计和操作步骤，并通过实验验证。
【教师】观察学生在实验设计和操作中是否存在明显的不足，适时指出并予以纠正。
设计思路：最后的凝炼步骤需要学生根据证据来进行论证，通过综合全体同学的批判进行反思， 使用更加准确的证据提供支持，对实验设计和操作进一步优化。
三 结语
在“聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定植物过氧化物酶同工酶”综合实验中，学生在聚丙烯酰胺凝胶的制备、蛋白酶的电泳分离以及过氧化物酶同工酶的染色等 各个连续的实验环节中，亲历了从提出问题到解决 问题的完整过程。通过教学设计与组织，学生个体的主观能动性被充分激发，生物化学学科的理论与实践知识有机地渗入到“陈述”“批判”“反馈”和 “凝炼”步骤，为培养学生的科学论证思维和实际动手能力创造了生动的现实场景和有利条件。事实证 明，论证过程确实可以帮助学生了解科学知识和实 验技术的发展，促进他们对现有科学知识体系的理 解，同时也让他们认识到生物化学科学体系也是一 个不断扩充、完善和提升过程。
我们以“聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定植物过氧化物酶同工酶”为教学案例，通过教学设计，将科学论证 PCRR 教学模式融入实验。在组织教学的实践过程中，不仅注重实验原理、实验设计和实验操作， 同时还围绕整个实验的核心概念或探究目标来展开论证教学，引导学生基于证据去解释核心概念，并利用科学实验的结果和现象建立探究问题的科学模型。论证过程中，随着知识的掌握和思维的深入， 学生可能随时会修正原有的实验设计与探究模型， 教师要敏锐地捕捉学生在陈述、批判、反馈和凝练过程中的转变并及时推动学习进程。当教学在学科的不同层面同时展开时，学生所调用的全部学科知识将在实验过程中充分应用，这在一定程度上促成了学生对整个生物化学的理论知识和实验原理的学习与整合。
科学素养是个体的一种重要素质，论证能力又是体现科学素养的重要表现。论证能力要求个体能够运用专业知识来发现问题、解决问题，得出有证据支持的结论，甚至是提出改造自然或改造社会的建议和决策。科学论证教学的目标就是在教学过程中通过有意识的设计和实施，引导学生思考事实证据和科学结论之间的关系，逐步养成质疑、批判和反思的科学思维习惯，最终提高学生的论证能力。很多高校开设有综合性专业生化实验 [9, 10]，但是论证式实验教学鲜有报道。结合我国国情在大学高等院校中广泛研究和运用科学论证教学模式，对提高本科教学质量和培养学生的科学素养具有重要意义。
虽然作者在“聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定植物过氧化物酶同工酶”的实验教学中应用科学论证 PCRR 教学模式取得了理想的教学效果，该模式仍然需要在更多的教学实践当中接受检验以进一步证明效果。同时，教师也需要根据实际情况不断调整，研制新的教学评价指标，以便更全面地获得学生的反馈信息，为后续的教学改革提供参考和支撑材料。
参考文献
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[10]李靖岩 , 张忠 . 综合性实验的建立及在整合医学教学改革中的应用——以“人外周血基因组 DNA 提取、目标基因 PCR 扩增与凝胶电泳鉴定”为例 [J]. 教育现代化 ,2019,6(63):90-91+100.
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