孟德爾實驗科學方法的分析與應用

在《普通高中生物課程標準(實驗)》的“課程設計思路”部分，闡述“遺傳與進化”模塊的教學價值時指出，該模塊“有助于學生領悟假說演繹、建立模型等科學方法及其在科學研究中的應用”。在遺傳定律的教學中，傳統的授課方式是先講減數分裂，再講基因的分離定律和自由組合定律，直接將減數分裂的知識和學生已有的基因的知識融人其中，從理論實質講起，其優點是使學生能夠更快地理解遺傳定律的基本內容及其本質。但這種教學策略忽視了孟德爾當時實驗的科學背景和時代背景，忽視了對孟德爾實驗的思路和方法的解讀，不利用于學生真正理解孟德爾實驗的操作目的、提出的問題、作出假說和進行的分析及解釋，更不利于學生學習其中重要的科學方法——“假說——演繹法”等。因此，在教學中以孟德爾的豌豆雜交實驗部分為基礎分析總結科學方法，整合教材中相關內容，讓學生領悟、掌握并能運用，以期達到真正培養學生科學思維、落實課程標準和考試說明的教學目的。

1.孟德爾實驗中的科學方法

1.1科學方法之一：“假說——演繹法”

“假說——演繹法”是形成和構造科學理論的一種重要思維方法。基本特點是：在科學研究過程中，研究者在觀察、實驗、歸納的基礎上，對所獲得的事實材料進行加工制作，首先提出某種作為理論基本前提的假說，然后以假說作為出發點，邏輯地演繹出可由經驗檢驗的結論，構成一個理論系統。用這個理論系統解釋和預見所研究的對象系統的各種現象。并用實驗來進行檢驗和修正。

孟德爾通過遺傳實驗發現基因的分離定律和自由組合定律的過程就是“假說——演繹法”的具體體現。其基本步驟和特征是：首先從實驗中獲取事實，在事實基礎上進行歸納概括；然后提出假說，再以假說作為解釋性原理推演出某種理論推斷；最后，試圖通過實驗檢驗這個推斷的正確性。把“假說——演繹法”的基本步驟與其實驗過程作一對比(表1)，便于學生以具體實例來理解這一科學方法。教材中有關DNA是遺傳物質的發現歷程也是“假說——演繹法”的很好體現。該過程盡管不是一位科學家完成，在教材的呈現上而是三位科學家的實驗，在教學中可以把這三個實驗看成是“假說——演繹法”的過程體現，將該內容中的三位科學家的實驗形成一個連續的整體，不僅便于教學安排，還能加深對假說演繹法的理解與應用。具體過程見表1。

1.2科學方法之二：“觀察_歸納法”

“觀察一歸納法”是通過觀察手段，從個別中發現一般的思維方法和推理形式。對個別的、特殊的、具體的事物的觀察是歸納的前提和基礎，找出事物之間的內在聯系，發現事物的共性和本質規律是“觀察——歸納法”的價值取向。

在應用“假說——演繹法”中，假說提出的可信度與觀察現象的可靠、豐富程度以及分析歸納的思維力度有關，其證實過程仍需要以歸納法做補充，以一定的實驗事實為根據。孟德爾在整理和分析大量實驗材料的過程中就使用了歸納的方法。

教材中體現“觀察——歸納法”的內容較多，如達爾文“自然選擇的進化學說”的建立，運用的就是“觀察一歸納法”。他由環球航行所得的大量生物進化實例，歸納得出“自然選擇的進化學說”。此外，細胞學說的建立過程、光合作用的研究過程等也體現了“觀察——歸納法”。

1.3科學方法之三：實驗材料的恰當選取

這是實驗成功的前提。孟德爾在研究雜交實驗時，他曾花了幾年時間研究山柳菊，結果卻一無所獲，其主要原因教材中已闡述。后來，他選用豌豆做實驗材料，因為豌豆嚴格自花授粉，自然界都是純種，并且品種多、差異大，相對性狀明顯，所以，他最終獲得了成功。美國生物學家摩爾根恰當地選擇果蠅為實驗材料潛心研究，從而證明了基因在染色體上，并進一步揭示出了基因的連鎖與交換定律。

此外，孟德爾科學實驗中還遵循由簡單到復雜的科學方法：先研究一對相對性狀的遺傳規律，再研究多對相對性狀的遺傳規律；在密碼子的破譯過程中就是遵循從簡單到復雜、從特殊到一般的規律。實驗中還運用了數學統計方法：從定性觀察到定量研究，將實驗結果建立在量化的基礎上，用統計學方法進行分析，增強其科學性。沒有數學統計的分析方法就沒有本質為3：1的分離比(一對相對性狀)，也就不會有對規律本質的假說提出與科學驗證。

2.教學中如何滲透和學習孟德爾實驗中的科學方法

2.1模擬孟德爾的實驗和思維過程

很多老師在講課時，往往喜歡單刀直人，直接深入到基因分離定律的本質，即減數分裂中基因隨染色體的分離而分離，這種講授方式確實能促進學生對基因的分離定律的本質的理解和認識，但學生分析問題、形成假說和進行推理的能力并沒有得到訓練和提高，特別是假說——演繹的科學方法沒有得到學習和訓練，從教學三維目標要求的能力和情感態度價值觀來看，顯然不是最優的教學策略，也達不到最優的教學效果。因此，模擬孟德爾當時的工作和知識背景，創設情景，引導學生從當時的實際情況出發，嘗試以孟德爾的思維方式提出問題、進行分析、形成假說，演繹推理，進而設計測交實驗，這種對重要科學史的再現，既是十分重要的思維能力和科學方法的訓練，也是深入理解科學知識的一種重要的途徑。

2.2給學生更多思考的時間和空間

活躍的思維是課堂教學成功的保證，在再現孟德爾實驗和思維的過程中，不僅有分析、推理、歸納、演繹，還有設計和想象等思維活動，教師要有足夠的耐心，提出問題或由學生提出問題，引導學生分析，因此給學生足夠的時間進行思考和討論非常重要。以下的一些問題由教師提出或由學生提出，進行討論是非常有必要的。

引發學生討論，發現“融合遺傳”無法解釋的問題。

(1)為什么F(sub)1(/sub)都是高莖的?難道矮莖性狀消失了嗎?(2)為什么F(sub)2(/sub)代中又出現了矮莖呢?F(sub)2(/sub)代出現3：1的性狀分離比是偶然的嗎?是什么原因導致遺傳性狀在F(sub)2(/sub)代中按照一定的比例出現呢?形成假說，用假說解釋現象，配合討論，親歷模擬實驗，促進學生認同假說的合理性。(3)針對以上的哪些現象，你能作出哪些相應的假說?(4)針對這些假說，你能設計什么樣的實驗來證明你的假說成立?用測交實驗證實演繹推理的思維產物，如推論得到證實，說明假說是正確的，否則假說不正確，要重新修正。(5)為什么孟德爾不是用F(sub)1(/sub)代自交或用F(sub)1(/sub)代與純種高莖豌豆雜交來證明其假說，而是將F(sub)1(/sub)代與矮莖豌豆進行測交呢?(6)測交的預期結果如何?怎樣才能說明你的假說是正確的?

在設置問題引導學生思考時，在科學方法的前兩個內容(觀察實驗，發現問題；分析問題，提出假說)的學習中，將教學的著力點指向領悟如何提出假說；在科學方法后兩個內容(演繹推理，實驗驗證；得到證實，假說成立)的學習中，將教學的著力點指向領悟如何應用“假說一演繹法”證明假說。

總之，在本節教學內容中，有多種科學研究方法的體現，教師在講授該部分內容時要從學生實際出發，回歸到實驗的時空背景，遵循科學方法的步驟和規律，引導學生經歷思維過程。巴甫洛夫曾經說過：“科學隨著方法論上獲得成就而不斷躍進。方法論每前進一步，我們便仿佛上升了一級階梯，于是，我們就展開更廣闊的眼界，看見從未見過的事物。”這樣，學生定會有一番新感覺，從而自覺認同學習科學方法的必要性和重要性，潛移默化地提高了學生的生物科學素養。