溯因推理在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

盛國躍

(浙江省金華市教育局教研室 金華 321017)

1 認(rèn)識溯因推理

1.1 溯因推理的基本內(nèi)涵 溯因推理就是根據(jù)已知事實(shí)結(jié)果和相關(guān)的規(guī)律性知識，推斷產(chǎn)生這個結(jié)果的原因的猜測性假設(shè)的推理。它不同于演繹和歸納的邏輯形式，具有推理過程與結(jié)果并存、理論選擇與建構(gòu)一體的邏輯特征。

皮爾斯認(rèn)為演繹推理是解釋前提的，結(jié)論沒有超出前提，不能用于假說的提出，只能用于假說的驗(yàn)證，而歸納只是對已有假設(shè)的實(shí)驗(yàn)證明。只有溯因推理才是“形成假設(shè)的過程，是唯一產(chǎn)生新信念的邏輯操作”[1]。在人類探索自然的過程中，會經(jīng)常遇到一些“令人驚異的事情”發(fā)生。從這些驚異的事件出發(fā)，結(jié)合推理者的背景知識，借助一定的推理模式，獲得事件解釋的過程就是一個溯因的過程。例如，格里菲斯從發(fā)現(xiàn)“把加熱殺死的S型菌和活的R型菌一起注射到小鼠體內(nèi)后，很多小鼠因患敗血癥而死亡，并且死亡的小鼠血液中能分離出活的S型菌”這一現(xiàn)象開始，到提出“S型菌中存在轉(zhuǎn)化因子”觀點(diǎn)就是一個溯因過程。

1.2 溯因推理的基本模式 演繹、歸納、類比和溯因作為各自相對獨(dú)立的推理類型，均有各自獨(dú)特的推理模式。一個“令人驚異的事情”是溯因的起點(diǎn)，也是溯因推理的前提和誘因(下文把這“令人驚異的事情”簡稱為“事情B”)。溯因的邏輯形式可用如下模式表示： 當(dāng)一個“事情B”被觀察到(推理的前提和誘因)；借助于已有的知識、經(jīng)驗(yàn)和理論等找到了A，它能作為B的原因并解釋它，使B變成理所當(dāng)然的；因此，有理由推測A是真的[2]。

生物學(xué)中有很多偉大的發(fā)現(xiàn)都是溯因推理的產(chǎn)物。例如，孟德爾在提出“生物的性狀由遺傳因子控制”這一假說時，就進(jìn)行了溯因推理，其過程可簡化如下。一件“令人驚異的事情”被觀察到： 所選取的7種性狀所做的雜交實(shí)驗(yàn)，其F1代的性狀與親本之一相同，而另一親本性狀完全不顯現(xiàn)；讓F1代自交，F(xiàn)2代所表現(xiàn)出的性狀既有顯性性狀也有隱性性狀，且比例為3∶1。用已有的知識、經(jīng)驗(yàn)和理論等對事件進(jìn)行解釋： ①用泛生論和融合遺傳思想均無法對這一事件進(jìn)行解釋；②道爾頓的原子論認(rèn)為各種元素是由原子構(gòu)成的，化合物被分解時，原子不會失去原來的性質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)就是原子的重新組合；③如果遺傳物質(zhì)也具有原子一樣的性質(zhì)，即遺傳物質(zhì)具有“粒子性”，則可完美地解釋這一“令人驚異的事情”。因此，可認(rèn)為“生物的性狀由遺傳因子控制”。

當(dāng)孟德爾發(fā)現(xiàn)在他的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)2代出現(xiàn)了性狀分離且性狀分離比均為3∶1，這一現(xiàn)象令他驚異時，溯因推理就開始了，下一步就是要探究其原因。在這一過程中需要綜合運(yùn)用原有的知識、經(jīng)驗(yàn)和理論等，以獲得對該現(xiàn)象的最佳解釋。在孟德爾時代，最流行的兩種遺傳學(xué)理論是泛生論和融合遺傳思想。孟德爾在溯因時發(fā)現(xiàn)這兩種理論都無法解釋他所觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)時道爾頓的原子論的影響非常廣泛，受原子論的影響，孟德爾在溯因時推測遺傳物質(zhì)也具有“粒子”性，在遺傳的過程中相互獨(dú)立，不會混合。當(dāng)他用這一觀點(diǎn)來解釋他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時，發(fā)現(xiàn)原來“令人驚異”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果變得“理所應(yīng)當(dāng)”了。于是他提出了“生物的性狀由遺傳因子控制”這一假說。

當(dāng)人們觀察到了某一驚異的現(xiàn)象，并且渴求作出解釋時，溯因推理就發(fā)生了。人們在對觀察資料進(jìn)行可理解的解釋過程中，便有了新的發(fā)現(xiàn)。因此，溯因推理與科學(xué)發(fā)現(xiàn)是密切相關(guān)的，它是認(rèn)知科學(xué)框架中的重要一環(huán)。

2 獲得新知的溯因模型構(gòu)建

致力于學(xué)生核心素養(yǎng)培育的深度學(xué)習(xí)，已成為我國基礎(chǔ)教育轉(zhuǎn)型的新目標(biāo)，新知的獲取是實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的主要載體。人們對各類事物及現(xiàn)象的認(rèn)識是從現(xiàn)象到本質(zhì)、從不甚深刻的本質(zhì)到更深刻的本質(zhì)的層層深化的無限過程。那么，層層探索事物本質(zhì)的思維是如何進(jìn)行的呢？顯然，依靠的是溯因推理，而且是一種連續(xù)的、遞進(jìn)的溯因。可見，將溯因推理引入課堂，用于學(xué)生獲取新知，有利于深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。

例如，借減數(shù)分裂一節(jié)的教學(xué)對以上模型做簡要說明。溯因推理是從當(dāng)學(xué)生看到一件“令人驚異的事情B”開始的。因此，在進(jìn)行減數(shù)分裂的教學(xué)過程中可先向?qū)W生展示資料： 1883年，胚胎學(xué)家貝內(nèi)登發(fā)現(xiàn)馬蛔蟲配子中的染色體數(shù)目是體細(xì)胞中的1/2。學(xué)生由于無法用已經(jīng)學(xué)習(xí)的有絲分裂來解釋這種數(shù)目關(guān)系，故會感到驚異。此時，他們會在尋求答案欲望的驅(qū)動下，積極的調(diào)動原有的知識儲備(如有絲分裂、染色質(zhì)復(fù)制、著絲粒分裂和染色體在紡錘絲的作用下運(yùn)動并實(shí)現(xiàn)分配等)，在已有的知識結(jié)構(gòu)中尋找與當(dāng)前問題相似的經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)象，以探尋能解釋當(dāng)前問題的假設(shè)。學(xué)生在對“染色體數(shù)目減半”的溯因中普遍會提出三種假設(shè)： ①染色體不復(fù)制，細(xì)胞分裂一次；②染色體復(fù)制一次，細(xì)胞連續(xù)分裂兩次，著絲粒分裂發(fā)生在第一次細(xì)胞分裂過程中；③染色體復(fù)制一次，細(xì)胞連續(xù)分裂兩次，著絲粒分裂發(fā)生在第二次細(xì)胞分裂過程中。那么，哪種假設(shè)是合理的呢？這就需要將這些假說送到檢驗(yàn)?zāi)K中去進(jìn)行驗(yàn)證。教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過觀察蝗蟲精母細(xì)胞減數(shù)分裂固定裝片進(jìn)行驗(yàn)證。如果證實(shí)了某個假設(shè)A是真的，學(xué)生就有理由相信A為B的原因，學(xué)生也就獲得了新知。否則，就需要返回開始處，進(jìn)行新一輪溯因與檢驗(yàn)驗(yàn)證，如此往復(fù)。

獲得新知的溯因模型在幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的過程中，凸顯了深度學(xué)習(xí)的五大特征，即： 理解認(rèn)知、高階思維、整體聯(lián)通、創(chuàng)造批判和專家構(gòu)建[3]。因而，該模型是與深度學(xué)習(xí)高度一致的，其目標(biāo)都是致力于學(xué)生核心素養(yǎng)的培育。

3 溯因模型在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

“分析摩爾根的果蠅伴性遺傳實(shí)驗(yàn)”一節(jié)，不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識的好材料，更是鍛煉科學(xué)思維的好素材。教師在教學(xué)過程中，按照常規(guī)的教學(xué)思路不利于培育學(xué)生的科學(xué)思維(即先引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)果蠅眼色的遺傳不僅符合孟德爾規(guī)律，而且還與性別相關(guān)聯(lián)后，出示摩爾根的假設(shè)，然后用假設(shè)來解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象)。為了讓學(xué)生能像科學(xué)家一樣進(jìn)行科學(xué)發(fā)現(xiàn)，筆者將溯因模型應(yīng)用于本部分內(nèi)容的教學(xué)中，其簡要過程如下：

3.1 “令人驚異的事情” 在1910年摩爾根用他偶然發(fā)現(xiàn)的一只白眼雄果蠅與紅眼雌果蠅交配，結(jié)果F1都是紅眼。在F1的雌雄果蠅互交得到的F2中，白眼果蠅與紅眼果蠅的數(shù)目比是3∶1。這一現(xiàn)象完全符合孟德爾的分離定律。令人驚異的是F2的雌果蠅全為紅眼，而雄果蠅中卻有一半是白眼。

3.2 溯因推理 ①這一現(xiàn)象說明果蠅眼色的遺傳與性別相聯(lián)系；②研究已證明果蠅的性別是由細(xì)胞中的性染色體決定的；③1902年美國細(xì)胞學(xué)研究生薩頓，通過對減數(shù)分裂過程中同源染色體的分離和孟德爾假說中遺傳因子的分離之間的類比，提出了“染色體是遺傳因子的物質(zhì)載體”的觀點(diǎn)；④如果控制白眼的基因位于性染色上，則可以解釋這一驚異的事情。

3.3 提出假說 假說1： 控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體上沒有它的等位基因；假說2： 控制白眼的基因位于X、 Y染色體的同源區(qū)段上(“控制白眼的基因在Y染色體上，而X染色體上沒有它的等位基因”這種假說不能解釋驚異的事情，故可直接排除)。

3.4 演繹驗(yàn)證 若假說1是正確的，將F1紅眼雌果蠅(XBXb)與白眼雄果蠅(XbY)測交，則測交后代中的表現(xiàn)型及比例為紅眼雌果蠅∶白眼雌果蠅∶紅眼雄果蠅∶白眼雄果蠅=1∶1∶1∶1；若假說2是正確的，將F1紅眼雌果蠅(XBXb)與白眼雄果蠅(XbYb)測交，則測交后代中的表現(xiàn)型及比例也為紅眼雌果蠅∶白眼雌果蠅∶紅眼雄果蠅∶白眼雄果蠅=1∶1∶1∶1。兩種假說的測交結(jié)果一致，故無法得到驗(yàn)證。

3.5 實(shí)踐驗(yàn)證 在1916年，摩爾根的弟子布里吉斯發(fā)現(xiàn)了X染色體的不分離現(xiàn)象，找到了白眼基因位于X染色體上，而Y染色體上沒有它的等位基因的直接證據(jù)(注： 在教學(xué)中，如果缺乏還原科學(xué)發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)條件，可用科學(xué)發(fā)現(xiàn)史實(shí)的相關(guān)資料來代替實(shí)驗(yàn)操作。故在本環(huán)節(jié)中，需展示布里吉斯的“果蠅眼色遺傳的初級例外和次級例外”實(shí)驗(yàn)及其后續(xù)驗(yàn)證過程的相關(guān)材料，具體內(nèi)容在此不再累述)，從而證實(shí)了假說1是正確的。

生物學(xué)的研究經(jīng)歷了從現(xiàn)象到本質(zhì)的發(fā)展過程。將溯因模型應(yīng)用于生物學(xué)教學(xué)中，不僅有利于學(xué)生習(xí)得基本的知識，而且有利于學(xué)生領(lǐng)悟生物學(xué)家在研究過程中所持有的觀點(diǎn)以及解決問題的思路和方法，養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣，發(fā)展終身學(xué)習(xí)的能力。

溯因推理是創(chuàng)造性的推理模式，它以產(chǎn)生新知識、發(fā)現(xiàn)新理論為最終目標(biāo)。對于生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)而言，溯因推理本身就是科學(xué)思維的外延之一，也是提出假設(shè)的必經(jīng)之路，而提出假設(shè)是科學(xué)探究的重要一環(huán)。因此，在倡導(dǎo)核心素養(yǎng)的今天，將溯因推理應(yīng)用于生物學(xué)教學(xué)顯得尤為重要。