運(yùn)用“假說—演繹法”提高高中生的生物科學(xué)素養(yǎng)

潘岳

19世紀(jì)之前，科學(xué)家對(duì)生物科學(xué)的研究，往往習(xí)慣于從生物現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中提出某一結(jié)論或某種學(xué)說，這就是傳統(tǒng)的歸納法。因此，在傳統(tǒng)的生物教學(xué)中，對(duì)“假說—演繹法”沒作過明確要求。隨著教育的不斷深入發(fā)展，《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》提出了新的要求，其明確指出，“假說—演繹法”是高中學(xué)生必須掌握的科學(xué)方法之一，對(duì)于提高高中學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)至關(guān)重要。下面我就對(duì)“假說—演繹法”在教學(xué)中的應(yīng)用談?wù)勑牡煤腕w會(huì)。

一、對(duì)“假說—演繹法”的基本認(rèn)識(shí)

在人類的發(fā)展史中，許多科學(xué)的結(jié)論都是運(yùn)用“假說—演繹法”發(fā)現(xiàn)的。例如：牛頓創(chuàng)立光的顏色理論過程、凱庫勒提出苯分子的環(huán)狀結(jié)構(gòu)、愛因斯坦相對(duì)論的提出和驗(yàn)證過程，這些無不體現(xiàn)“假說—演繹法”在科學(xué)研究中的重要性。

假說是人們以一定的經(jīng)驗(yàn)材料和已知的科學(xué)事實(shí)為依據(jù)，以已有的科學(xué)推論和技術(shù)為指導(dǎo)，對(duì)未知的自然現(xiàn)象或事物產(chǎn)生的原因而作出的推測(cè)性解釋。

演繹是由前提必然得出結(jié)論的推理，或是從一些假設(shè)的命題出發(fā)，運(yùn)用邏輯規(guī)則，導(dǎo)出另一命題的過程。也就是從普遍性的理論知識(shí)出發(fā)，認(rèn)識(shí)個(gè)別的、特殊的現(xiàn)象的一種邏輯推理方法。

所謂“假說—演繹法”，是指在觀察和分析的基礎(chǔ)上提出針對(duì)性問題后，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评硖岢鼋忉寙栴}的假說，根據(jù)假說進(jìn)行演繹推理，最后通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)演繹推理得到預(yù)期的結(jié)果。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致，則假說成立；反之，假說不成立。

“假說—演繹法”的一般步驟為：發(fā)現(xiàn)問題→提出假說→演繹推理→預(yù)期結(jié)果→實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果是否吻合→得出結(jié)論。

二、高中生物課本中“假說—演繹法”典型課例

在《遺傳與進(jìn)化》模塊中，關(guān)于“假說—演繹法”的相關(guān)素材較多，這些內(nèi)容主要集中于模塊二的第1到第4章，如基因與染色體關(guān)系的探究歷程，DNA分子的結(jié)構(gòu)、復(fù)制方式及中心法則的提出與證實(shí)，遺傳密碼的破譯?！凹僬f—演繹法”的最典型教學(xué)素材，莫過于孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)中豌豆的一對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)。下面以此為例，談?wù)勅绾芜\(yùn)用“假說—演繹法”提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。

1.觀察實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題。

以孟德爾一對(duì)相對(duì)性狀高莖和矮莖為研究對(duì)象，展示孟德爾的雜交實(shí)驗(yàn)過程圖，由學(xué)生依圖講解實(shí)驗(yàn)操作流程。在此過程中，學(xué)生時(shí)不時(shí)地會(huì)用到生物學(xué)的一些基本術(shù)語，如雜交中的正交、反交，生物學(xué)基本概念，如自交，以及豌豆雌雄同花植物如何進(jìn)行異花授粉。這些實(shí)驗(yàn)操作表述，無形中激發(fā)了學(xué)生的好奇心，有利于培養(yǎng)學(xué)生的語言表達(dá)能力和理解能力。在教師的引導(dǎo)思考下，學(xué)生會(huì)對(duì)該圖解提出各種各樣的疑問，如“為什么親本無論正交還是反交，后代都表現(xiàn)為高莖呢？矮莖性狀就消失沒有了嗎？”“為什么子二代中又出現(xiàn)了矮莖？”這些問題的提出，有利于培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)，給予學(xué)生發(fā)散思維、啟用已有知識(shí)的空間，有利于學(xué)生理解孟德爾的科學(xué)研究方法。

在學(xué)生的質(zhì)疑聲中，教師提醒學(xué)生，不能停留在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和描述上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是否會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)？在老師的啟發(fā)下，學(xué)生嘗試分析子二代中高莖787株，矮莖277株，兩者的數(shù)據(jù)比值為2.84倍，單獨(dú)看該數(shù)據(jù)沒什么特別之處，當(dāng)我們把豌豆的其他6對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一起投影時(shí)，原本沉寂的學(xué)生一下子豁然開朗，課堂氣氛活躍起來，子二代的性狀分離比都約為3∶1，這一結(jié)果引發(fā)了學(xué)生新的疑問，為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？該如何解釋呢？

在以上引領(lǐng)學(xué)生觀察并分析孟德爾一對(duì)豌豆雜交的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生從中發(fā)現(xiàn)問題到最后提出問題，離不開數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的科學(xué)方法和堅(jiān)持不懈地追求科學(xué)真諦的執(zhí)著精神。

2.根據(jù)問題，作出假說。

圍繞發(fā)現(xiàn)的問題，給一定時(shí)間讓學(xué)生進(jìn)行討論，提出各種可能的假說，在教師的引導(dǎo)下，保留部分較合理的假說，其中具有代表性的黑板上加以保留，如“生物的性狀是由基因決定的，顯性性狀由顯性基因控制（用大寫的字母表示，如D），隱性性狀由隱性基因控制（用小寫的字母表示，如d）”。當(dāng)學(xué)生用自己的假說解釋豌豆高莖和矮莖的雜交實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)面臨新的難題，如個(gè)體的基因型該如何表示，其產(chǎn)生的配子中的基因又該如何表示等一系列的問題。在這些新的問題串中，要求學(xué)生不斷提出新的假說，才能解釋這對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象。在老師的引導(dǎo)下，學(xué)生對(duì)假設(shè)進(jìn)行了必要的補(bǔ)充：“豌豆體細(xì)胞中的基因是成對(duì)存在的，因此純合的高莖表示為DD，純合的矮莖表示為dd。”“在形成配子時(shí)，成對(duì)的基因又是彼此分開的，故配子所含的基因要么是D，要么是d?！薄霸谑芫珪r(shí)，雌雄配了結(jié)合又是隨機(jī)的，D的雄配子可以與D的雌配子相結(jié)合，也可也d的雌配子相結(jié)合?！痹谶@些增設(shè)的假說基礎(chǔ)上，就能完整地解釋孟德爾的雜交實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象了。

提出假說這一環(huán)節(jié)，要求學(xué)生有足夠的睿智，敢于大膽猜想、質(zhì)疑，敢于沖破傳統(tǒng)觀念，敢于創(chuàng)新，這與培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)息息相關(guān)。當(dāng)學(xué)生用提出的假說圓滿地解釋豌豆雜交實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生會(huì)異常興奮，由此而倍感喜悅。

3.演繹推理，求證假說。

在學(xué)生享受成功的快樂時(shí)，老師不忘提出新的問題：“雖然假說很完美，但作為一條科學(xué)結(jié)論，還為時(shí)太早，如何才能證明你的假說是對(duì)的呢？”在當(dāng)今生物科技發(fā)達(dá)的年代，學(xué)生首先想到的是能否用現(xiàn)代儀器設(shè)置（如顯微鏡）直接觀察染色體，甚至其上的基因，只要能看到體細(xì)胞中基因成對(duì)存在和配子中基因成單存在，就能直接證實(shí)假說的成立。這種邏輯思維未嘗不可，這就是《遺傳與進(jìn)化》模塊為什么要將“基因和染色體的關(guān)系”章節(jié)放在“遺傳因子的發(fā)現(xiàn)”章節(jié)后面的真正意圖，目的是排除學(xué)生用現(xiàn)代科技手段，包括分子生物學(xué)的手段直接定位基因的位置所在。更何況，基因在顯微鏡下是無法直接區(qū)分出來的，這給直接證明帶來了困難。這時(shí)，就得借助于邏輯推斷的力量，利用“假說—演繹”等邏輯推斷的思路間接證明可觀察的現(xiàn)象，最終將假設(shè)肯定化。因此，“假說—演繹法”不愧為間接證明的好辦法。

演繹推理假說的成立，要抓住問題的核心和假說的要點(diǎn)，在老師參與學(xué)生討論、引導(dǎo)學(xué)生拓展思維空間的同時(shí)，不忘提醒學(xué)生：“能否用該假說來推測(cè)其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果實(shí)際操作結(jié)果與你的預(yù)測(cè)完全吻合，則說明我們的假說成立，反之則不成立?！睂W(xué)生在教師的啟發(fā)下，開始進(jìn)入新一輪的探究，尋求支撐假說的實(shí)驗(yàn)方案，嘗試各種豌豆最佳的交配類型，如DD與DD自交方案、dd與dd自交方案、Dd與Dd自交方案、DD與dd雜交方案、Dd與dd測(cè)交方案。在學(xué)生激烈討論的同時(shí)，教師要隨時(shí)把問題聚集在證明假說的核心上，孟德爾演繹推理的要點(diǎn)，其實(shí)就是要證明子一代的基因型是否為Dd，本質(zhì)就是測(cè)交，所有純合子的自交，后代都是純合子，豌豆在自然界中自身的現(xiàn)象，無法證明假說的合理；而雜合子（Dd）的自交，本身就是假說產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，不能用自身產(chǎn)生的推斷證明自身的對(duì)錯(cuò)。因此，對(duì)最佳的實(shí)驗(yàn)方案（測(cè)交方案）進(jìn)行演繹推理：子一代的基因型如果為Dd，則產(chǎn)生的配子D和d的比為1：1，dd產(chǎn)生的配子就一種d，雌雄配結(jié)合又是隨機(jī)結(jié)合的，因此產(chǎn)生的后代性狀分離比為1高：1矮。如果推理成立，則實(shí)際操作結(jié)果與推理相吻合。

4.操作實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論。

限于時(shí)間，課堂教學(xué)無法直接進(jìn)行豌豆的種植實(shí)驗(yàn)，我們展示了孟德爾的測(cè)交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得到64株后代中，有30株為高莖，34株為矮莖，兩者的性狀分離比接近于1 ∶ 1。因此，結(jié)果與預(yù)測(cè)完全符合，從而驗(yàn)證了假說的成立，最終得出了結(jié)論。

通過一對(duì)相對(duì)性狀的研究學(xué)習(xí)，學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)到孟德爾超乎常人的思維方式和獨(dú)特的數(shù)據(jù)處理方法。即使我們提出的假說不是那么完整，即使提到孟德爾提到的一項(xiàng)，我們都會(huì)感到無比欣慰，因?yàn)槊系聽柕某晒κ撬?年鍥而不舍追求的結(jié)果，我們只用了幾節(jié)課的時(shí)間，就領(lǐng)會(huì)到了“假說—演繹法”的精髓。它的真正好處在于促進(jìn)了學(xué)生感悟創(chuàng)新科學(xué)研究的方法，培養(yǎng)了學(xué)生探究生物科學(xué)的能力，激勵(lì)了學(xué)生勇于探索、熱愛科學(xué)、大膽創(chuàng)新、鍥而不舍的精神。

三、“假說—演繹法”對(duì)學(xué)生能力的終身意義

通過以上典例，不難看出“假說—演繹法”不是傳統(tǒng)的灌輸、堆砌等教育方式，而是形成和構(gòu)建科學(xué)理論的一種重要思維方法。在每年的高考考綱中，對(duì)此也有明確要求：“能運(yùn)用假說演繹法等科學(xué)方法解決基本的生物學(xué)問題?！币虼?，其在近幾年各省的生物高考卷中都有具體體現(xiàn)。對(duì)于學(xué)生來說，一門課程學(xué)完，知識(shí)可能隨著時(shí)間的推移而逐漸淡忘，但科學(xué)研究方法一定會(huì)深入腦海，內(nèi)化為一個(gè)人真正的科學(xué)素養(yǎng)，對(duì)學(xué)生來說，這才是終身受用的財(cái)富。