將“理論”與“定律”的理解用于中學(xué)生物學(xué)教學(xué)

靳冬雪 劉恩山

（北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版）》指出：“高中生物學(xué)課程是自然科學(xué)課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程中不僅要獲得諸如細胞、遺傳、進化等生物學(xué)方面的知識，還應(yīng)該學(xué)習(xí)一些‘關(guān)于自然科學(xué)的知識’”［1］。“關(guān)于自然科學(xué)的知識”，也稱科學(xué)本質(zhì)（nature of science，NOS），描述了自然科學(xué)的特點。它的價值在于能促進科學(xué)知識的學(xué)習(xí)和理解，提高對科學(xué)的興趣，幫助人們理性決策，促進科學(xué)教學(xué)的傳遞［2］。在生物學(xué)學(xué)習(xí)中，科學(xué)本質(zhì)能幫助學(xué)生建立生物學(xué)觀念，促進學(xué)科核心素養(yǎng)的達成［1］。

理論和定律是生物學(xué)學(xué)習(xí)中的重要內(nèi)容，它能使學(xué)生理解生命世界的現(xiàn)象，把握生物學(xué)規(guī)律，例如細胞學(xué)說、現(xiàn)代生物進化理論，分離定律與自由組合定律等。但對于理論和定律本身的含義、特點及二者間的區(qū)別，許多學(xué)生甚至教師都存在錯誤概念，例如：理論與定律是絕對真理，二者放諸四海皆準，理論經(jīng)過檢驗就會成為定律［3］等。這些錯誤概念的潛在危險在于，認為一個科學(xué)觀點一旦被“定律化”或“理論化”就不需要再去思考和發(fā)展，可以完全信任和使用［4］。這種理解上的偏差將會影響生物學(xué)概念的學(xué)習(xí)和理解，導(dǎo)致在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的生物學(xué)知識存在錯誤和變得碎片化［5］，具有錯誤概念的教師也無法進行成功和有效的科學(xué)教學(xué)。目前，中學(xué)生關(guān)于科學(xué)本質(zhì)正確的理解是：“理論和定律賦予科學(xué)解釋的能力，但兩者不盡相同?！被诶碚摵投傻闹匾饔?，有必要對二者進行闡釋和區(qū)分，并明確它們在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

1 理論與定律的含義、特點及二者的區(qū)別

理論和定律都能幫助人們理解自然界的運轉(zhuǎn)，卻是2 種功能不同的知識：理論解釋機理，定律預(yù)測現(xiàn)象。它們之間存在著相似性，但這并不意味著其中一個會在某一刻成為另一個。

1.1 理論解釋科學(xué)現(xiàn)象 科學(xué)是創(chuàng)造知識的過程，該過程要對現(xiàn)象進行仔細觀察，并在觀察中建立各種理論［6］。因此，理論是在已有事實、經(jīng)驗等基礎(chǔ)上，作出的符合邏輯的總結(jié)與歸納，用于解釋科學(xué)現(xiàn)象。理論具有預(yù)見性和一定的可信性，并在其適用的范圍內(nèi)，一直處于發(fā)展和完善的過程中。

理論應(yīng)具有預(yù)見性。理論是建立在大量有效的觀察之上的，但僅僅解釋已觀察到的現(xiàn)象并不夠，還應(yīng)能預(yù)測建立理論時尚未觀察到的現(xiàn)象，即預(yù)見性［6］。在此，“尚未觀察到的現(xiàn)象”并不一定指未來的事件，也包括尚未發(fā)現(xiàn)或研究過的以前的證據(jù)，例如新發(fā)現(xiàn)的人形化石遺跡，就是以前存在的證據(jù)，它與人類起源理論作出的預(yù)測是相符的［6］。

正因為理論建立在大量觀察和邏輯之上，當(dāng)其在嘗試解釋一個以前似乎不相關(guān)現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系時，具有一定的可信性［6］。以大陸漂移理論為例，該理論闡述了各種地質(zhì)現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)，例如地震、火山爆發(fā)、不同大陸板塊上化石類型，以及海床輪廓的匹配等，由此獲得了較高的可信度［6］。需注意的是，理論雖然建立在一定量科學(xué)有效的觀察之上，合乎邏輯，但不一定為真，不一定經(jīng)過檢驗。例如拉馬克針對生物各種適應(yīng)性特征形成提出的用進廢退和獲得性遺傳的進化學(xué)說（理論），雖然是建立在對植物和動物的大量觀察之上，但后來仍被大多數(shù)學(xué)者所摒棄。

理論作為對科學(xué)現(xiàn)象的解釋，可能在極大的范圍內(nèi)都是適用的，也有可能只適用于有限的范圍［6］。前者以達爾文提出的自然選擇學(xué)說為例，認為生物具有過度繁殖的傾向，并在生存斗爭過程中優(yōu)勝劣汰。該學(xué)說解釋了生物進化的原因，并經(jīng)過幾百年的發(fā)展，成為現(xiàn)代生物進化理論的核心。后者以愛因斯坦提出的狹義相對論為例，是在運動速度接近光速時適用的理論，并不適合解釋低速范圍內(nèi)的現(xiàn)象。

在科學(xué)中，理論一直處于發(fā)展、完善和修正的過程中，有時甚至還會舍棄［6］。無論一個理論對一組現(xiàn)象的解釋多好，都有可能存在另一種理論更適合解釋這些現(xiàn)象，或者適用范圍更廣，所以理論無法做到絕對完善和絕對正確，但它一直在無限地接近客觀世界運轉(zhuǎn)的真理［6］。例如關(guān)于遺傳和變異的研究，已隨著生物科學(xué)的發(fā)展，從性狀水平深入到基因水平，這極大地豐富和發(fā)展了達爾文的自然選擇學(xué)說，并形成了以自然選擇學(xué)說為核心的現(xiàn)代生物進化理論。理論是科學(xué)工作者進行科研工作的基礎(chǔ)，反之，科研工作的重點也是為了支持、擴展或修正現(xiàn)存的理論［7］。

1.2 定律描述自然界模式 在科學(xué)中，規(guī)律性出現(xiàn)的形狀和結(jié)構(gòu)、重復(fù)出現(xiàn)的事件，以及事件間的關(guān)系，存在著模式（patterns）［8］。而定律則是利用科學(xué)語言對自然界中的模式進行的總結(jié)性描述。定律需要經(jīng)過檢驗，例如歐姆定律，反映一段導(dǎo)體中電流與該段導(dǎo)體上的電壓和電阻之間的關(guān)系，經(jīng)過實驗檢驗，得到了真實數(shù)據(jù)的支持。

定律在其適用的范圍內(nèi)，也處于一直發(fā)展和完善的過程中。中心法則最初由克里克提出時，闡明了遺傳信息可以從DNA 流向DNA（自我復(fù)制），也可以從DNA 流向RNA，進而流向蛋白質(zhì)。之后經(jīng)過大量實驗證據(jù)的支持，中心法則補充了遺傳信息從RNA 流向RNA，以及從RNA 流向DNA 這2 條途徑?？梢姸梢卜恰敖K極真理”，而是不斷在修正和完善自己。這便是科學(xué)知識的“暫時性”。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)了新的證據(jù)之后，正確做法是嘗試修正科學(xué)知識，而非一味地揪著先前的錯誤不放，這樣才能更好地維護科學(xué)發(fā)展［4］。

1.3 理論與定律功能不同，不會轉(zhuǎn)化為彼此人們往往認為定律是經(jīng)過證實的理論，但其實定律和理論是非常不同的2 種知識［9］。定律反映客觀世界運行的法則，但不考察其中所涉及的理論依據(jù)。打個比喻，定律相當(dāng)于“菜譜”，按照菜譜即可行之有效地做一道菜；理論則解釋了為何這樣做菜，闡述的是背后的機理［4］。牛頓本人借其所提出的“萬有引力定律”解釋定律和理論的區(qū)別：“我尚未找到究竟是什么導(dǎo)致了萬有引力這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，也未能對此做出假說……但萬有引力定律是真實存在的，能根據(jù)該定律解決問題就 足 夠 了”［4］。

理論與定律在科學(xué)中扮演不同的角色，前者用于解釋客觀現(xiàn)象，后者則反映自然界中的模式，用于預(yù)測。應(yīng)當(dāng)注意，即使隨著科學(xué)的發(fā)展會有新的證據(jù)出現(xiàn)以支持理論，但這并不會改變理論本身的特征，它所起的仍是解釋的作用，理論最終也不會成為定律［2］。

2 理論與定律在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

教師是教學(xué)中必不可少的因素，其本身對科學(xué)本質(zhì)應(yīng)當(dāng)有正確的理解，在此基礎(chǔ)上才能進行成功和有效的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)。一些教師會誤認為僅憑科學(xué)探究或科學(xué)調(diào)查的經(jīng)歷就可使學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，這好比認為學(xué)生通過觀察動物的呼吸就可以學(xué)到細胞呼吸過程中的細節(jié)［9］。Lederman指出，最能影響學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，是教師在課程中實施的具體教學(xué)行為、教學(xué)活動和決策［10］。因此，教師要選取合適的教學(xué)活動，并在恰當(dāng)?shù)慕處熜袨楹徒虒W(xué)策略下，才能使學(xué)生獲得對科學(xué)本質(zhì)的長時間的理解［11］。

2.1 確立科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標 首先要確立明確的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標，與其他知識或技能等目標相結(jié)合。這樣在選擇教學(xué)材料、活動、策略、評價學(xué)生觀點和行為時，才更有針對性［11］。以評價學(xué)生的表現(xiàn)為例，能正確使用科學(xué)用語“理論”和“定律”可視為是科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的成果，例如“正確使用‘現(xiàn)代生物進化理論’與‘哈迪-溫伯格平衡定律’”。

2.2 選擇合適的教學(xué)活動 合適的教學(xué)活動能促進學(xué)生理解“理論”和“定律”及二者的區(qū)別，例如科學(xué)史或?qū)嶒炋骄?。利用科學(xué)史將科學(xué)本質(zhì)整合到知識講授和資料閱讀中，不僅提高了趣味性，恰當(dāng)利用更能幫助學(xué)生明白科學(xué)是一直不停發(fā)展和完善的，而非由前人做好的成品［11］。例如20世紀50年代開始，科學(xué)家的實驗結(jié)果不斷地在完善和修正中心法則，再如近幾十年受到重視而迅猛發(fā)展的表觀遺傳學(xué)，補充了控制生物性狀的遺傳學(xué)分子機制，諸如此類的科學(xué)史案例能幫助學(xué)生理解定律和理論的“暫時性”。

實驗探究也是使學(xué)生有效理解科學(xué)本質(zhì)的途徑。學(xué)生將經(jīng)歷分組合作，選擇器材和研究方法，收集有效數(shù)據(jù)，處理問題數(shù)據(jù)，反復(fù)試驗、檢查數(shù)據(jù)、解釋結(jié)果，討論并達成一致等［11］。

以“神秘的紙盒（mystery cube）”活動為例：制作一個展開后如圖1所示的立方體紙盒，將紙盒FRANK 面朝下放置在桌上，該紙盒所在的位置是教室的中央，學(xué)生觀察其余5 面，參與者可以交流，但不能離開自己所在的位置，猜測立方體上單詞與數(shù)字之間的關(guān)系。學(xué)生利用證據(jù)支持自己的假設(shè)并預(yù)測出“？”處最有可能的數(shù)字。之后展示紙盒的FRANK 面，與答案進行比對?；顒咏Y(jié)束后引導(dǎo)學(xué)生討論理論與定律相關(guān)的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容，例如定律能總結(jié)性地描述模式，并起到預(yù)測作用等。

圖1 神秘的紙盒（mystery cube）［9］

“mystery cube” 活動遵循Lederman 和Khalick提出的“黑箱活動”模式，該模式可讓學(xué)生在實驗探究過程中很好地理解科學(xué)本質(zhì)，具體內(nèi)容詳見表1。

表1 “黑箱活動”基本模式［9］

黑箱活動模式適用于多個生物學(xué)實驗的教學(xué)設(shè)計，例如孟德爾分離定律一節(jié)中的“性狀分離比的模擬”實驗。在觀察豌豆雜交實驗的結(jié)果后，讓學(xué)生對其中的模式進行假設(shè)，并通過模擬實驗檢驗提出的假設(shè)，然后讓學(xué)生給出結(jié)論并與分離定律的內(nèi)容進行比對，最后討論整個實驗中涉及的科學(xué)本質(zhì)，例如定律的預(yù)測作用。

在活動過程中，教師不直接評判學(xué)生的做法合適與否，學(xué)生所產(chǎn)生的疑問將直接指向?qū)嶒炘O(shè)計、數(shù)據(jù)收集、結(jié)果分析等［11］。其中，“討論”環(huán)節(jié)可以對是否采用同一種實驗方法、 實驗得到的模型是否能進一步完善等科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容進行討論。這樣既可判斷學(xué)生目前對科學(xué)本質(zhì)概念的理解情況，也可使學(xué)生個人構(gòu)建和加工的知識在集體的討論中得到進一步的提升［5］。

2.3 規(guī)范課堂教學(xué)行為 恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)活動能幫助學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，但活動過程中教師的表現(xiàn)比活動本身更重要［11］。一些基本的教學(xué)行為能促進學(xué)生思考，例如根據(jù)學(xué)生最初的觀點拋出進一步的引導(dǎo)問題，鼓勵學(xué)生詳細闡述自己的想法，以及大量的觀察和傾聽等。此外，教學(xué)用語也非常重要，學(xué)生就是在教師使用的語言中形成了對科學(xué)本質(zhì)的理解，故而教師要非常注意科學(xué)用語的使用［11］。在進行教學(xué)時，要使用準確、有效的語言表達科學(xué)本質(zhì)的觀點，例如正確使用“理論”“定律”等專業(yè)名詞，強調(diào)生物學(xué)理論與定律并非終極真理而是一直在發(fā)展和完善，二者雖然都賦予科學(xué)解釋的能力但不會互相轉(zhuǎn)化等。

3 結(jié)語

在自然科學(xué)領(lǐng)域，理論與定律同等重要，人們不僅需要通過理論理解自然界運轉(zhuǎn)的機理，也需要依靠定律對科學(xué)現(xiàn)象進行預(yù)測。學(xué)生努力學(xué)習(xí)前人的研究成果，同時也要明白理論和定律仍需不斷完善和發(fā)展。因此，教師應(yīng)將對理論與定律的理解結(jié)合到日常教學(xué)中，明確、外顯地引導(dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生掌握生命觀念，建立恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)本質(zhì)觀，促進生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達成。