HPS教育視角下假說－演繹法的教學(xué)

摘要：以摩爾根果蠅雜交實(shí)驗(yàn)為例，運(yùn)用真實(shí)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)歷程為載體，在HPS教育視角下開展假說演繹法的教學(xué)，將HPS教育理念融入生物學(xué)課堂，旨在幫助學(xué)生系統(tǒng)領(lǐng)悟假說演繹法的一般過程，培養(yǎng)假說演繹法的科學(xué)思維和求真務(wù)實(shí)的科學(xué)精神，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，從而落實(shí)發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。

關(guān)鍵詞：假說-演繹法；摩爾根；HPS教育；科學(xué)本質(zhì)

文章編號(hào)：1003-7586（2024）02-0039-04 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

假說－演繹法是現(xiàn)代科學(xué)研究中常用的一種科學(xué)方法，指在觀察和分析已有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，提出合理的問題，通過想象和推理提出解釋問題的假說，再以假說作為解釋性原理，推演出某種特殊的推斷，最后通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)推斷的正確性?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中要求，學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用演繹與推理等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題。同時(shí)，假說－演繹法在人教版《普通高中教科書生物學(xué)必修2遺傳與進(jìn)化》的學(xué)習(xí)中也是一個(gè)重點(diǎn)，被單獨(dú)呈現(xiàn)在“科學(xué)方法”欄目中。教師在高中生物學(xué)課堂中有效地開展假說－演繹法的教學(xué)，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力，還有助于充分落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。

1假說－演繹法的教學(xué)中融入HPS教育理念的重要性與必要性

HPS教育是以建構(gòu)主義為指導(dǎo)思想，要求把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)（History，Plulosophy and Sociology of Science，縮寫為HPS）的有關(guān)內(nèi)容引入中小學(xué)科學(xué)教育，以期促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解的一種新型科學(xué)教育觀念；是國(guó)家實(shí)施素質(zhì)教育，保證提高受教育者核心素養(yǎng)的一條有效途徑。HPS教育的重點(diǎn)不在于要求學(xué)生掌握具體的科學(xué)知識(shí)，而是要將科學(xué)學(xué)習(xí)放在廣闊的社會(huì)文化背景中，親歷科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程，實(shí)現(xiàn)科學(xué)教育與人文教育的融合，旨在幫助學(xué)生深刻理解科學(xué)本質(zhì)。假說演繹法是一個(gè)從特殊到一般，再到特殊的演繹求證過程，蘊(yùn)含許多科學(xué)教育和人文教育元素。一方面，假說演繹法本身就是一個(gè)重要的科學(xué)研究方法，用以探索未知世界，可在一定程度上說明“科學(xué)具有實(shí)證性、預(yù)見性”“科學(xué)是一個(gè)暫時(shí)、發(fā)展的過程”“科學(xué)受科學(xué)家文化背景影響”等科學(xué)本質(zhì)觀，可用來幫助學(xué)生進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)觀的學(xué)習(xí)；另一方面，學(xué)習(xí)科學(xué)方法不能用灌輸、堆砌等方式，可借助HPS教育理念，即借助真實(shí)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程，將假說演繹法的學(xué)習(xí)放在廣闊的社會(huì)文化背景下，以科學(xué)發(fā)現(xiàn)歷程作為學(xué)習(xí)假說－演繹法的載體，提高學(xué)生學(xué)習(xí)生物科學(xué)的興趣，從而引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同學(xué)習(xí)科學(xué)方法的重要性，更好地領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)觀與假說演繹法的真諦。

2摩爾根果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的教學(xué)案例

2.1呈現(xiàn)歷史素材，鋪墊研究背景

資料一 1903年，美國(guó)遺傳學(xué)家薩頓根據(jù)對(duì)蝗蟲精子和卵細(xì)胞形成過程的研究，發(fā)現(xiàn)孟德爾假設(shè)的遺傳因子與減數(shù)分裂中染色體的行為具有平行性，于是他推斷：遺傳因子是由染色體攜帶著從親代傳遞給下—代的，也就是說，基因就在染色體上。

資料二 美國(guó)生物學(xué)家摩爾根反對(duì)孟德爾的遺傳學(xué)說，而且挖苦孟德爾通過對(duì)數(shù)字進(jìn)行分析推理后提出理論的方法學(xué)，稱之為“高級(jí)雜?！?。摩爾根曾用腹部顏色不同的小鼠雜交，結(jié)果子代呈現(xiàn)雙親性狀混合的特征，與孟德爾的遺傳理論相悖，由此懷疑孟德爾遺傳理論的適用范圍，且認(rèn)為薩頓的基因位于染色體上的假說無實(shí)驗(yàn)論證，此假說并不可靠。于是，摩爾根抱著這些懷疑開始了建立染色體遺傳學(xué)說的研究征程。

教師呈現(xiàn)上述兩則科學(xué)史資料，鋪墊摩爾根時(shí)代的科學(xué)背景和社會(huì)環(huán)境，使學(xué)生體會(huì)同時(shí)代不同科學(xué)家的觀點(diǎn)碰撞過程，引導(dǎo)學(xué)生分析摩爾根開展果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的原因、目的，不僅可更好地過渡到下一步的教學(xué)環(huán)節(jié)，而且讓學(xué)生明白一種假說的成立需要實(shí)驗(yàn)的證據(jù)來支撐，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證的設(shè)想才具有說服力，有助于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)證的科學(xué)思維和敢于質(zhì)疑的科學(xué)精神，從而幫助學(xué)生正確理解“科學(xué)具有實(shí)證性”的科學(xué)本質(zhì)觀。

2.2提出問題：紅眼果蠅與白眼果蠅的雜交實(shí)驗(yàn)

在科學(xué)研究的過程中，問題的提出是至關(guān)重要的。通過觀察和分析已知的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或科學(xué)事實(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與現(xiàn)有理論不相匹配而產(chǎn)生疑問，這樣產(chǎn)生的疑問可能有多個(gè)，但并不是所有的問題都值得研究，不排除有特殊例子的出現(xiàn)，因此應(yīng)當(dāng)抓住研究過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，提出具有進(jìn)一步研究?jī)r(jià)值的問題。

資料三 1910年，摩爾根潛心研究果蠅的遺傳行為，一天，偶然在一群紅眼果蠅中發(fā)現(xiàn)一只白跟雄果蠅。他用這只白眼雄果蠅與野生紅眼果蠅雜交，后代出現(xiàn)1237只紅眼果蠅和3只白眼果蠅，接著用子一代紅眼雌、雄果蠅進(jìn)行交配，子二代出現(xiàn)2459只紅眼雌果蠅、1011只紅眼雄果蠅和782只白眼雄果蠅。

教師呈現(xiàn)資料三，首先引導(dǎo)學(xué)生觀察和分析摩爾根果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，不難找出與盂德爾遺傳定律“不相匹配”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：第一，F(xiàn)1中自眼性狀沒有隱而未現(xiàn)；第二，F(xiàn)2中紅眼與白眼的數(shù)量比不是3：1，白眼果蠅數(shù)量較少；第三，白眼性狀只在雄性中出現(xiàn)。接著，教師適當(dāng)提示雜交過程中果蠅發(fā)生變異的可能性以及白眼果蠅的成活率較紅眼低的事實(shí)，引發(fā)學(xué)生討論，判斷以上三種現(xiàn)象在當(dāng)下的研究中是否具有繼續(xù)下去的價(jià)值，哪些問題是可以排除的，哪些問題是可以再深入研究下去的。在討論的過程中一一排除實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的特殊情況，找準(zhǔn)研究要點(diǎn)，從而使學(xué)生明白科學(xué)研究中時(shí)常會(huì)有例外現(xiàn)象，要學(xué)會(huì)抓住研究過程中的關(guān)鍵點(diǎn)。最后，學(xué)生結(jié)合科學(xué)史料了解摩爾根最初的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模柛J(rèn)為基因位于染色體上的假說無實(shí)驗(yàn)論證，假說不可靠），更容易設(shè)身處地地站在摩爾根的思維角度上思考問題，從而將學(xué)生的觀念與科學(xué)家的觀念相互交融，進(jìn)行跨越時(shí)空的對(duì)話，體驗(yàn)科學(xué)家的思維方式。

因此，排除變異、白眼果蠅成活率低等因素，F(xiàn)1可看作全是紅眼后代，說明紅眼對(duì)白眼是顯性；F2中紅眼與白眼的數(shù)量比是3：1，這些表現(xiàn)都符合盂德爾分離定律。不同的是白眼性狀只在雄性中出現(xiàn)，最后得出第一、二種現(xiàn)象是特殊情況，不具有研究?jī)r(jià)值，從而初步提出問題——如何解釋白眼性狀只在雄性中出現(xiàn)的“異常”現(xiàn)象？

資料四 摩爾根用F1紅眼雌蠅與最初的那只白眼雄果蠅進(jìn)行回交，后代出現(xiàn)129只紅眼雌果蠅，132只紅眼雄果蠅，88只白眼雌果蠅，86只白眼雄果蠅。

教師呈現(xiàn)資料四，引導(dǎo)學(xué)生分析后代數(shù)量比，1：1：1：1是典型的孟德爾測(cè)交比，但是回交后代中雌雄果蠅均有紅眼和白眼，表明白眼性狀能夠通過適當(dāng)?shù)碾s交傳遞給雌性，又該如何解釋這一現(xiàn)象呢？因此，最終確定需研究的問題——如何解釋白眼性狀能夠通過適當(dāng)?shù)碾s交傳遞給雌性的現(xiàn)象？

2.3作出假設(shè)：對(duì)白眼性狀與性別相關(guān)聯(lián)的解釋

在觀察和分析的基礎(chǔ)上提出問題后，通過想象和推理提出假說，體現(xiàn)了假說演繹法從特殊到一般的特性。假說不是毫無根據(jù)的盲目猜測(cè)，它以一定的科學(xué)事實(shí)為根據(jù)，不僅能夠合理解釋已知的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或科學(xué)事實(shí)，而且依據(jù)假說可以預(yù)測(cè)未知的科學(xué)事實(shí)，這也是一個(gè)演繹推理的過程。

資料五 威爾遜觀察一種花十字長(zhǎng)蝽蟓的染色體排列方式，發(fā)現(xiàn)這種昆蟲的兩種性別的細(xì)胞所存在的染色體數(shù)目是相同的，但有些與X染色體配對(duì)的染色體明顯較小，稱之為Y染色體，由帶Y染色體的精子受精的卵產(chǎn)生雄蟲，每個(gè)雄性子代從其母得到X染色體，從其父得到Y(jié)染色體。遺傳學(xué)家們將這種由性染色體X和Y的差異決定性別的機(jī)制稱為XY機(jī)制，經(jīng)許多實(shí)驗(yàn)證明，果蠅的性別就是由XY型決定。

教師呈現(xiàn)染色體決定性別理論的背景資料，引導(dǎo)學(xué)生比較XY染色體遺傳機(jī)制與果蠅眼色遺傳方式，不難發(fā)現(xiàn)白眼的遺傳與X染色體的遺傳相似，且與性別相關(guān)聯(lián)。因此，教師可鼓勵(lì)學(xué)生大膽去想象和推理，發(fā)散思維，嘗試提出可以解釋雜交、回交實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的假設(shè)：控制白眼的基因在X染色體上。接著，教師依據(jù)假設(shè)所述寫出雜交、回交實(shí)驗(yàn)的遺傳圖解（見圖1、圖2），發(fā)現(xiàn)此假設(shè)確實(shí)可以合理解釋摩爾根果蠅實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的“異?！爆F(xiàn)象，使學(xué)生明白假設(shè)不是毫無根據(jù)的盲目猜測(cè)，它以一定的科學(xué)事實(shí)為根據(jù)，且可以解釋已有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的假設(shè)才具有繼續(xù)推敲的價(jià)值。

提出上述假設(shè)后，教師可讓學(xué)生猜想摩爾根當(dāng)時(shí)提出的設(shè)想是否跟自己的一致。

資料六 1905年，威爾遜和他的同事們研究了幾種不同的昆蟲，觀察到蛛緣蝽屬昆蟲的兩種性別的生殖細(xì)胞中含有不同數(shù)目的染色體，未經(jīng)減數(shù)分裂的雄性精原細(xì)胞攜帶13個(gè)染色體，雌性卵原細(xì)胞攜帶14個(gè)染色體，且發(fā)現(xiàn)來自同一個(gè)體的精子有些攜帶6個(gè)染色體，另外一些卻有7個(gè)染色體，而卵細(xì)胞都有7個(gè)染色體，由帶6個(gè)染色體的精子受精的卵發(fā)育成雄蟲，而由帶7個(gè)染色體的精子受精的卵發(fā)育成雌蟲。因此，將在有些精子和全部卵細(xì)胞中多出的那條染色體稱為“X染色體”，將這種依靠X染色體數(shù)目的差異所作的性別決定稱為XO型。同年，史蒂文斯提出甲殼蟲的Y染色體與雄性有關(guān)，雄性是XY，雌性是XX，威爾遜很快驗(yàn)證了史蒂文斯的結(jié)論。

通過補(bǔ)充性別決定理論的科學(xué)史，學(xué)生意識(shí)到當(dāng)時(shí)的染色體決定性別理論還不完全成熟，XO與XY性別決定機(jī)制各有爭(zhēng)鳴，摩爾根也沒有意識(shí)到果蠅細(xì)胞中有Y染色體的存在。但是隨著研究的推進(jìn)，在事實(shí)面前，摩爾根很快就采用了孟德爾定律中提到的“因子”“雜合體”等名詞，也沿用了薩頓、史蒂文斯和威爾遜等人對(duì)性染色體的理解。他假設(shè)白眼雄蠅的精子中含決定白眼的因子（W），并非常謹(jǐn)慎地用X表示性決定因子，一半精子攜帶一個(gè)X，另一半缺少X，將決定白跟和紅眼的因子（R）獨(dú)立在染色體之外與性決定因子相關(guān)，后續(xù)也是用WWX、RRXX等方式解釋和驗(yàn)證果蠅雜交實(shí)驗(yàn)。

因此，學(xué)生可從摩爾根的角度出發(fā)，考慮時(shí)代局限性和當(dāng)時(shí)生物理論研究進(jìn)程的影響，了解到摩爾根并未作出“控制白眼的基因在X染色體上”的假設(shè)。同時(shí)，使學(xué)生體會(huì)到摩爾根在僅有的條件下是如何排除萬難開展研究的，明白時(shí)代背景對(duì)科學(xué)探究的制約性，感受任何科學(xué)研究都不是一蹴而就的，反復(fù)多次試驗(yàn)，歷經(jīng)一番曲折，都是常有的事，幫助學(xué)生理解“科學(xué)受科學(xué)家文化背景影響”的科學(xué)本質(zhì)觀并認(rèn)同科學(xué)是一個(gè)暫時(shí)、發(fā)展的過程，正如摩爾根的想法也隨著研究的推進(jìn)而逐步改變，從而深化學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

2.4演繹推理：對(duì)白眼性狀與性別相關(guān)聯(lián)解釋的驗(yàn)證

判斷一種假設(shè)是否正確，僅能解釋已有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是不夠的，必須要能夠推測(cè)未知的科學(xué)事實(shí)，要具有預(yù)測(cè)性。從提出的假說出發(fā)，演繹推理出一系列思維產(chǎn)物，這些思維產(chǎn)物是可以被檢測(cè)的具體現(xiàn)象，體現(xiàn)了從一般到特殊的演繹過程，最后可通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而確認(rèn)假說的正確與否。相應(yīng)分析如表1所示。

教師引導(dǎo)學(xué)生以假說為中心，發(fā)散思維，充分利用現(xiàn)有事實(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，邏輯推導(dǎo)出具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)已知的雜交組合，將已出現(xiàn)的果蠅基因型進(jìn)行組合，形成4種未知的雜交組合：XwXw／xwxW紅眼（♀）×XwY白眼（♂），XwXw白眼（♀）×XwY紅眼（♂），XwXw白眼（♀）×XwY白眼（♂）。據(jù)此推理并設(shè)計(jì)出這三組實(shí)驗(yàn)，并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使學(xué)生在感受科學(xué)探究過程中，既能運(yùn)用假說解釋已知實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，又可演繹未知實(shí)驗(yàn)，以佐證假說正確性，從而培養(yǎng)學(xué)生假說演繹的科學(xué)思維，真正領(lǐng)悟假說演繹法的真諦。

2.5假說成立：基因位于染色體上

通過演繹預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確呢？這還需通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。根據(jù)上述演繹推理情況，設(shè)計(jì)并實(shí)施相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，但是這些實(shí)驗(yàn)都不適合在課堂上重演，因而教師可通過呈現(xiàn)摩爾根實(shí)驗(yàn)的資料，讓學(xué)生分析摩爾根通過一系列實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與我們的預(yù)測(cè)是否一致來驗(yàn)證結(jié)果，如果真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確實(shí)與假說預(yù)測(cè)的結(jié)果相符，則證實(shí)假說成立；如果不相符，則要對(duì)假說進(jìn)行相應(yīng)的修正。

資料摩爾根將紅眼雌果蠅與白眼雄果蠅進(jìn)行交配，半數(shù)紅眼雌果蠅的后代比例為1：1：1：1，另外半數(shù)的后代全為紅眼；白眼雌果蠅和紅眼雄果蠅進(jìn)行雜交，后代紅眼雌果蠅與白眼雄果蠅的比例是1：1；白眼雌果蠅和白眼雄果蠅進(jìn)行交配，后代全是白眼，且雌雄各半。

教師通過補(bǔ)充摩爾根三個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)史資料，讓學(xué)生體會(huì)摩爾根實(shí)驗(yàn)的完整性和嚴(yán)謹(jǐn)性，并引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比摩爾根實(shí)驗(yàn)結(jié)果與自己所預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否相符，發(fā)現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)期的結(jié)果完全一致。因此，控制白眼的基因在X染色體上的假說成立。通過簡(jiǎn)單的對(duì)比，學(xué)生不僅可得出答案，更能將重點(diǎn)放在假說成立的關(guān)鍵條件上，假說預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果須經(jīng)過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而幫助學(xué)生系統(tǒng)領(lǐng)悟假說演繹法。教學(xué)框架如圖3所示。

3總結(jié)

相較于傳統(tǒng)的假說演繹法的教學(xué)，在HPS教育視角下開展的假說一演繹法的教學(xué)注重科學(xué)證據(jù)的提供與科學(xué)思維的引導(dǎo)，使學(xué)生在歷經(jīng)真實(shí)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)歷程中領(lǐng)悟假說演繹過程的嚴(yán)謹(jǐn)與縝密，體會(huì)科學(xué)家們卓爾不群的品質(zhì)與精神。學(xué)生的學(xué)習(xí)是從大量已知的科學(xué)事實(shí)開始，但是教育應(yīng)當(dāng)給予他們比單純掌握已有知識(shí)更多的東西。如，面向未來的態(tài)度，以及做好準(zhǔn)備探求未知領(lǐng)域的創(chuàng)新精神。融入HPS教育的假說－演繹法教學(xué)有助于實(shí)現(xiàn)這樣的培養(yǎng)目標(biāo)。