基于科學(xué)論證的生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容分析
——以“孟德爾分離定律”為例

蘇洪波 關(guān)亞萌 李秋石

(1 河北師范大學(xué)教師教育學(xué)院 石家莊 050024； 2 河北省唐山市開灤第二中學(xué) 唐山 063000； 3 河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 石家莊 050024)

生物學(xué)由于其學(xué)科屬性，其教學(xué)內(nèi)容彰顯了大量科學(xué)思維的因素，尤其是科學(xué)論證思維的因素?？茖W(xué)論證是科學(xué)思維的重要內(nèi)容，那么如何從科學(xué)論證的視角去解讀教學(xué)內(nèi)容呢？

1 論證的概念與類型

所謂論證是由斷定一個或一些判斷為真，進而斷定另一個判斷的真實性的思維過程[1]，是對相信什么或做什么得出合理性判斷的起點。例如，DNA分子復(fù)制方式就是通過論證發(fā)現(xiàn)的。

論證具有兩種類型： 實踐論證和邏輯論證。實踐論證是通過人的變革物質(zhì)世界的積極活動[1]，來檢驗一個思想與它所反映的事物是否一致的唯一的標準；而邏輯論證是借助于一些真的判斷，通過邏輯推理來確定另一個判斷的真實性[1]，這是人們發(fā)現(xiàn)真理、理解真理的重要工具之一，也是有力表達思想的必要條件。在科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中，兩種論證往往相輔相成。

2 論證的組成與規(guī)則

2.1 組成 論證主要由論題、論據(jù)、論證方式組成。

2.1.1 論題 論題是指某一判斷真實性需要加以確認的判斷[1]。在論證的過程中，論題既可以是論證開始前所提出的要解決問題，又可以是論證結(jié)束時的結(jié)論；既可以是科學(xué)上已經(jīng)被確認為真的判斷，又可以是一個未經(jīng)確認為真的判斷。例如，沃森和克里克提出“脫氧核糖核酸結(jié)構(gòu)的互補特性揭示了它是如何自我復(fù)制的[2]?！边@既是所要解決問題“DNA分子復(fù)制的方式是什么”，又是結(jié)論“……實現(xiàn)特異的DNA自我復(fù)制……每一條互補DNA鏈，在形成它的一條新鏈時，都可以作為模板[2]”，同時這個論題還是一個未經(jīng)確認(在當時)為真的判斷，因此需要為這個判斷尋找理論的和事實的依據(jù)。

2.1.2 論據(jù) 論據(jù)就是確認論題的真實性時所根據(jù)的判斷[1]。論據(jù)的真實性，是論題真實性的根據(jù)，是信念和行動的第一道安全檢驗門[3]。

論據(jù)種類有多種劃分方式，其中根據(jù)論據(jù)的得出是否需要推導(dǎo)分為： ①基本論據(jù)： 不是由其他論據(jù)推導(dǎo)出來的論據(jù)，如科學(xué)中的基本定義和公理、已被證實的關(guān)于個別事實的判斷、哲學(xué)和每門科學(xué)中的一般原理等[1]。如新陳代謝進行的條件是酶和能量；在DNA分子中，A/T的比值和G/C的比值總是十分接近于1。②非基本論據(jù)： 由基本論據(jù)或其他非基本論據(jù)推導(dǎo)出來的論據(jù)，如由基本論據(jù)“新陳代謝進行的條件是酶和能量”，可以推導(dǎo)出“DNA分子復(fù)制需要酶和能量”；由基本論據(jù)“在DNA分子中，A/T的比值和G/C的比值總是十分接近于1”和“DNA分子具有兩條鏈”，可以推導(dǎo)出“……這種單鏈……作為模板，游離的核苷酸通過形成氫鍵自動地結(jié)合到它上面[2]”。

2.1.3 論證方式 有了論題和論據(jù)，并不等于就能做出論證。論證還存在一個由論據(jù)到論題的推理過程，這一過程稱為論證方式。某些學(xué)生雖然記憶了論證所需要的事實、定義、定理等論據(jù)，但卻不能完成論證過程，這實際上就是缺乏推理的能力。

根據(jù)論證方式可以將論證分為演繹論證和歸納論證。

演繹論證是借助于演繹推理(也包括假言推理形式和選言推理)的論證方式，論據(jù)和論題之間是一種必然關(guān)系的論證。其特點是論據(jù)往往是一般的原理，論題是特殊的判斷。例如，根據(jù)半保留復(fù)制的假說，可以演繹推理出Meselson和Stahl所做實驗的第一代大腸桿菌的DNA為一條鏈為14N標記，另一條鏈為15N標記。

歸納論證是借助于歸納推理(也包括類比推理)的論證方式，論據(jù)和論題之間是一種或然關(guān)系的論證。其特點是論據(jù)是某種特殊的判斷，論題是一般的原理。例如，1958年Meselson和Stahl通過15N標記大腸桿菌DNA、 H·Taylar用3H標記蠶豆根尖細胞的DNA以及1974年Korenberg和Freedlender通過改進的姐妹染色體色差法(SCD)獲取相應(yīng)實驗事實，歸納出“DNA分子復(fù)制的方式是半保留復(fù)制”。

2.2 規(guī)則 論證有正確的、也有錯誤的，因此論證的規(guī)則是一個正確的論證所必須遵守的。

關(guān)于論題的規(guī)則，一是論題必須明確。論題明確，是論證的先決條件。二是不能轉(zhuǎn)移或偷換論題。

總之，數(shù)據(jù)分析觀念自提出并實施以來，取得了一些階段性的成果，但也存在一些問題需要持續(xù)、深入的合作研究和探索.為了進一步推進統(tǒng)計與概率課程的改革，研究者和實踐者需要對數(shù)據(jù)分析觀念引起高度關(guān)注，加強對研究現(xiàn)狀的考察和問題的解決，進而落實數(shù)據(jù)分析觀念的培養(yǎng)目標.

關(guān)于論據(jù)的規(guī)則，論據(jù)應(yīng)當是已明確為真的判斷。論題的真實性是由論據(jù)的真實性推理出來的。論據(jù)本身如果不真實，就不可能達到論證論題真實性的目的。好論據(jù)的必要條件是可檢驗性，即必須是可以客觀檢驗的，而且只有在這樣檢驗之后，才可以接受為真，或者至少可以接受為不用爭論的前提[3]。論據(jù)的真假的判斷標準是看其是否符合實踐。

關(guān)于論證方式的規(guī)則 論據(jù)必須能正確地推出論題。正確的論證方式，必須遵守正確的推理規(guī)則。

3 基于科學(xué)論證的“分離定律”的分析

3.1 論題 孟德爾在《植物雜交的試驗》一文中描述：“……它們的目的是在雜種的后代中繼續(xù)探究它們的發(fā)育。……關(guān)于直到現(xiàn)在，還沒有圓滿地闡述一個能于普遍應(yīng)用的控制雜種的形成和發(fā)育的規(guī)律[2]?！庇纱丝梢缘贸雒系聽栄芯康恼擃}是： ①提出所要解決的問題：“雜種的形成和發(fā)育是否具有規(guī)律？”或“‘雜種的卵和花粉細胞的構(gòu)成’[2]是否具有規(guī)律性？”②結(jié)論： 通過分析“分離定律”，可以得出中心論題是：雜種在形成配子時，成對的遺傳因子發(fā)生分離，分別進入不同的配子[4]；三個分論題是“生物性狀由顆粒狀的具有顯性和隱性差別的遺傳因子控制”“體細胞中遺傳因子成對存在”“受精時，雌雄配子的結(jié)合是隨機的”。

3.2 論據(jù) 筆者從人教版高中生物學(xué)必修2《遺傳與進化》第1章第1節(jié)、孟德爾論文“植物雜交的試驗”以及其他文獻中收集與上述論題相關(guān)的論據(jù)。

3.2.1 基本論據(jù) 一是顯性論據(jù)[4]： ①孟德爾把F1中顯現(xiàn)出來的性狀叫做顯性性狀；②孟德爾做的豌豆雜交實驗的結(jié)果；③非糯性花粉遇碘變藍黑色，而糯性花粉遇碘變橙紅色；④取F1花粉加碘染色，半數(shù)花粉呈藍黑色，半數(shù)呈橙紅色。

二是隱性論據(jù)： ①正反交，7個雜交的每一個雜交，雜種性狀同一個親本的性狀如此相像；②顯花植物的繁殖是由一個卵細胞和一個花粉細胞結(jié)合成單一的細胞開始；③世界是物質(zhì)的[5]；④世界包括物質(zhì)世界(遺傳現(xiàn)象屬于物質(zhì)世界)和社會世界[5]；⑤物質(zhì)是由微觀粒子構(gòu)成[6]；⑥在化學(xué)變化中，分子可以分成原子，原子又可以結(jié)合成新的分子[6]；⑦設(shè)A、 B為兩個事件，若P(AB)=P(A)·P(B)，則事件A與事件B相互獨立；⑧若A∩B為不可能事件，那么事件A與事件B互斥[7]。

3.2.2 非基本論據(jù) 一是顯性論據(jù)： ①不論是正交還是反交，F(xiàn)1全部表現(xiàn)為顯性性狀；②F1與隱性性狀進行正交和反交實驗，測交結(jié)果均為顯性性狀和隱性性狀比例為1∶1。二是隱性論據(jù)： ①在第一代中[F2]在所有的試驗中都分解為2∶1∶1[2](注： 比例對應(yīng)的性狀分別是雜種顯性性狀： 純種顯性性狀： 純種隱性性狀)；②穩(wěn)定的后代只是在卵細胞和授精的花粉是屬于同樣性質(zhì)的時候才得以形成[2]；③化學(xué)分子和遺傳因子都屬于物質(zhì)；④遺傳因子是一種顆粒物質(zhì)；⑤遺傳因子具有顯性與隱性。

3.3.1 科學(xué)理論 ①由“世界是物質(zhì)的”“世界包括物質(zhì)世界(遺傳現(xiàn)象屬于物質(zhì)現(xiàn)象)和社會世界”，經(jīng)演繹推理可以得出“遺傳因子是一種物質(zhì)”；②由“物質(zhì)是由微觀粒子構(gòu)成”“遺傳因子是一種物質(zhì)”，經(jīng)演繹推理可以得出“遺傳因子是一種顆粒物質(zhì)”；③由“在化學(xué)變化中，分子可以分成原子，原子又可以結(jié)合成新的分子”“化學(xué)分子和遺傳因子都屬于物質(zhì)”，經(jīng)類比推理可以得出“遺傳因子可以分，又可以結(jié)合”，即“形成配子時，遺傳因子可以發(fā)生分離；受精時，遺傳因子可以隨機結(jié)合”。

3.3.2 實驗事實 ①由“正反交，7個雜交的每一個雜交，雜種性狀同一個親本的性狀如此相像”“孟德爾把F1中顯現(xiàn)出來的性狀叫做顯性性狀”，經(jīng)演繹推理可以得出“不論是正交還是反交，F(xiàn)1全部表現(xiàn)為顯性性狀”；②由“不論是正交還是反交，F(xiàn)1全部表現(xiàn)為顯性性狀”或“在第一代中[F2]，在所有的試驗中都分解為2∶1∶1”，經(jīng)演繹推理可以得出“遺傳因子具有顯性與隱性[8]”；③由“在第一代中[F2]，在所有的試驗中都分解為2∶1∶1”“穩(wěn)定的后代只是在卵細胞和授精的花粉是屬于同樣性質(zhì)的時候才得以形成”和“顯花植物的繁殖是由一個卵細胞和一個花粉細胞結(jié)合成單一的細胞開始”，經(jīng)演繹推理可以得出“雜種形成兩種配子”“雜種體細胞中具有兩個遺傳因子”；④“非糯性花粉遇碘變藍黑色，而糯性花粉遇碘變橙紅色”“取F1花粉加碘染色，半數(shù)花粉呈藍黑色，半數(shù)呈橙紅色”，經(jīng)歸納推理可以得出“雜種在形成兩種雄配子”，即“雜種在形成配子時，成對的遺傳因子發(fā)生分離，分別進入不同的雄配子，且比例為1∶1”；⑤由“F1與隱性性狀進行正交和反交實驗，測交結(jié)果均為顯性性狀和隱性性狀為1∶1”“遺傳因子具有顯性與隱性”，經(jīng)歸納推理可以得出“雜種在形成配子時，成對的遺傳因子發(fā)生分離，分別進入不同的配子，且比例為1∶1”。

3.3.3 數(shù)理邏輯 孟德爾接受過嚴格的科學(xué)訓(xùn)練，具備扎實的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)知識，因此可能在實驗觀察和科學(xué)假設(shè)之間建立起了如下數(shù)理邏輯。

由“孟德爾所研究的7對相對性狀均具有兩種類型”，可以設(shè)以A代表穩(wěn)定的顯性性狀，a代表穩(wěn)定的隱性性狀[2]，因此可以用Aa代表兩者相結(jié)合的雜種類型。

筆者認為孟德爾用A代表顯性純合子、Aa代表顯性雜合子的理由是： ①為了區(qū)別兩種顯性性狀個體；②如果用AA代表顯性純合子就重復(fù)了[9]；③“孟德爾確實認為遺傳因子成對存在”；④說明遺傳因子具有顯性與隱性之別。

遺傳因子的存在狀態(tài)證明 雜種中遺傳因子A、 a的存在狀態(tài)是一個(不相容)選言命題，即“雜種的兩個遺傳因子要么是融合的(融合遺傳)，要么是獨立的(顆粒遺傳)”。

由融合遺傳思想[10]與實驗事實(“不論是正交還是反交，F(xiàn)1全部表現(xiàn)為顯性性狀”“在第一代中[F2]，……在所有的試驗中都分解為2∶1∶1”)相矛盾，可以得出“雜種的兩個遺傳因子是融合的”錯誤，從而由排中律和不相容選言推理規(guī)則，即證明雜種的兩個遺傳因子是獨立的(即遺傳因子具有顆粒性)。

遺傳因子傳遞規(guī)律證明 若雜合體的兩個因子是獨立的，則雜合體的表示方式是(A+a)[11]。雜種產(chǎn)生雄配子種類及其比例為A∶a=x∶y，雜種產(chǎn)生雌配子種類及其比例為A∶a=x∶y。

由“設(shè)A， B為兩個事件，若P(AB)=P(A)·P(B)，則事件A與事件B相互獨立”，可以推知： 雄配子種類與雌配子種類為相互獨立事件；由“顯花植物的繁殖是由一個卵細胞和一個花粉細胞結(jié)合成單一的細胞開始[12]”，因此雜種F1自交子代F2的遺傳因子組成為：

P(F2顯性純合子)=P(A雌A雄)=P(A雌)·P(A雄)=x2

P(F2隱性純合子)=P(a雌a雄)=P(a雌)·P(a雄)=y2

P(F2顯性雜合子1)=P(A雌a雄)=P(A雌)·P(a雄)=xy

P(F2顯性雜合子2)=P(a雌A雄)=P(a雌)·P(A雄)=yx

根據(jù)“若A∩B為不可能事件，那么事件A與事件B互斥”，可以推知： F2顯性雜合子1與F2顯性雜合子2為互斥事件。因此P(F2顯性雜合子)=P(F2顯性雜合子1)+P(F2顯性雜合子2)=2xy。

由“在第一代中[F2]，……在所有的試驗中都分解為2∶1∶1(注： 雜種顯性性狀： 純種顯性性狀： 純種隱性性狀)”和“P(F2顯性純合子)=x2、 P(F2隱性純合子)=y2、 P(F2顯性雜合子)=2xy”，可以計算得出： x∶y=1∶1。

由上述數(shù)理邏輯論證可以得出全部論題，學(xué)生從中可以體會出： 把數(shù)學(xué)方法引入生物學(xué)的研究，是超越前人的創(chuàng)新[4]。

以本文解讀孟德爾分離定律為例，大量的生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容都可以從科學(xué)論證的視角來進行分析?？茖W(xué)論證是科學(xué)思維的重要方面，基于科學(xué)論證的教學(xué)內(nèi)容分析應(yīng)該得到重視。