運用“假說—演繹法”提高高中生的生物科學素養

潘岳

19世紀之前，科學家對生物科學的研究，往往習慣于從生物現象和實驗結果中提出某一結論或某種學說，這就是傳統的歸納法。因此，在傳統的生物教學中，對“假說—演繹法”沒作過明確要求。隨著教育的不斷深入發展，《普通高中生物課程標準》提出了新的要求，其明確指出，“假說—演繹法”是高中學生必須掌握的科學方法之一，對于提高高中學生的生物科學素養至關重要。下面我就對“假說—演繹法”在教學中的應用談談心得和體會。

一、對“假說—演繹法”的基本認識

在人類的發展史中，許多科學的結論都是運用“假說—演繹法”發現的。例如：牛頓創立光的顏色理論過程、凱庫勒提出苯分子的環狀結構、愛因斯坦相對論的提出和驗證過程，這些無不體現“假說—演繹法”在科學研究中的重要性。

假說是人們以一定的經驗材料和已知的科學事實為依據，以已有的科學推論和技術為指導，對未知的自然現象或事物產生的原因而作出的推測性解釋。

演繹是由前提必然得出結論的推理，或是從一些假設的命題出發，運用邏輯規則，導出另一命題的過程。也就是從普遍性的理論知識出發，認識個別的、特殊的現象的一種邏輯推理方法。

所謂“假說—演繹法”，是指在觀察和分析的基礎上提出針對性問題后，通過嚴謹的推理提出解釋問題的假說，根據假說進行演繹推理，最后通過實驗檢驗演繹推理得到預期的結果。如果實驗結果與預期結果一致，則假說成立；反之，假說不成立。

“假說—演繹法”的一般步驟為：發現問題→提出假說→演繹推理→預期結果→實驗結果與預期結果是否吻合→得出結論。

二、高中生物課本中“假說—演繹法”典型課例

在《遺傳與進化》模塊中，關于“假說—演繹法”的相關素材較多，這些內容主要集中于模塊二的第1到第4章，如基因與染色體關系的探究歷程，DNA分子的結構、復制方式及中心法則的提出與證實，遺傳密碼的破譯。“假說—演繹法”的最典型教學素材，莫過于孟德爾雜交實驗中豌豆的一對相對性狀的雜交實驗。下面以此為例，談談如何運用“假說—演繹法”提高學生的生物科學素養。

1.觀察實驗，發現問題。

以孟德爾一對相對性狀高莖和矮莖為研究對象，展示孟德爾的雜交實驗過程圖，由學生依圖講解實驗操作流程。在此過程中，學生時不時地會用到生物學的一些基本術語，如雜交中的正交、反交，生物學基本概念，如自交，以及豌豆雌雄同花植物如何進行異花授粉。這些實驗操作表述，無形中激發了學生的好奇心，有利于培養學生的語言表達能力和理解能力。在教師的引導思考下，學生會對該圖解提出各種各樣的疑問，如“為什么親本無論正交還是反交，后代都表現為高莖呢？矮莖性狀就消失沒有了嗎？”“為什么子二代中又出現了矮莖？”這些問題的提出，有利于培養學生的問題意識，給予學生發散思維、啟用已有知識的空間，有利于學生理解孟德爾的科學研究方法。

在學生的質疑聲中，教師提醒學生，不能停留在實驗現象的觀察和描述上，對數據進行處理是否會有新的發現？在老師的啟發下，學生嘗試分析子二代中高莖787株，矮莖277株，兩者的數據比值為2.84倍，單獨看該數據沒什么特別之處，當我們把豌豆的其他6對相對性狀的雜交實驗數據一起投影時，原本沉寂的學生一下子豁然開朗，課堂氣氛活躍起來，子二代的性狀分離比都約為3∶1，這一結果引發了學生新的疑問，為什么會出現這種現象呢？該如何解釋呢？

在以上引領學生觀察并分析孟德爾一對豌豆雜交的實驗中，學生從中發現問題到最后提出問題，離不開數學統計的科學方法和堅持不懈地追求科學真諦的執著精神。

2.根據問題，作出假說。

圍繞發現的問題，給一定時間讓學生進行討論，提出各種可能的假說，在教師的引導下，保留部分較合理的假說，其中具有代表性的黑板上加以保留，如“生物的性狀是由基因決定的，顯性性狀由顯性基因控制（用大寫的字母表示，如D），隱性性狀由隱性基因控制（用小寫的字母表示，如d）”。當學生用自己的假說解釋豌豆高莖和矮莖的雜交實驗時，會面臨新的難題，如個體的基因型該如何表示，其產生的配子中的基因又該如何表示等一系列的問題。在這些新的問題串中，要求學生不斷提出新的假說，才能解釋這對相對性狀的雜交實驗中出現的現象。在老師的引導下，學生對假設進行了必要的補充：“豌豆體細胞中的基因是成對存在的，因此純合的高莖表示為DD，純合的矮莖表示為dd。”“在形成配子時，成對的基因又是彼此分開的，故配子所含的基因要么是D，要么是d。”“在受精時，雌雄配了結合又是隨機的，D的雄配子可以與D的雌配子相結合，也可也d的雌配子相結合。”在這些增設的假說基礎上，就能完整地解釋孟德爾的雜交實驗現象了。

提出假說這一環節，要求學生有足夠的睿智，敢于大膽猜想、質疑，敢于沖破傳統觀念，敢于創新，這與培養學生的科學素養息息相關。當學生用提出的假說圓滿地解釋豌豆雜交實驗時，學生會異常興奮，由此而倍感喜悅。

3.演繹推理，求證假說。

在學生享受成功的快樂時，老師不忘提出新的問題：“雖然假說很完美，但作為一條科學結論，還為時太早，如何才能證明你的假說是對的呢？”在當今生物科技發達的年代，學生首先想到的是能否用現代儀器設置（如顯微鏡）直接觀察染色體，甚至其上的基因，只要能看到體細胞中基因成對存在和配子中基因成單存在，就能直接證實假說的成立。這種邏輯思維未嘗不可，這就是《遺傳與進化》模塊為什么要將“基因和染色體的關系”章節放在“遺傳因子的發現”章節后面的真正意圖，目的是排除學生用現代科技手段，包括分子生物學的手段直接定位基因的位置所在。更何況，基因在顯微鏡下是無法直接區分出來的，這給直接證明帶來了困難。這時，就得借助于邏輯推斷的力量，利用“假說—演繹”等邏輯推斷的思路間接證明可觀察的現象，最終將假設肯定化。因此，“假說—演繹法”不愧為間接證明的好辦法。

演繹推理假說的成立，要抓住問題的核心和假說的要點，在老師參與學生討論、引導學生拓展思維空間的同時，不忘提醒學生：“能否用該假說來推測其他實驗結果，如果實際操作結果與你的預測完全吻合，則說明我們的假說成立，反之則不成立。”學生在教師的啟發下，開始進入新一輪的探究，尋求支撐假說的實驗方案，嘗試各種豌豆最佳的交配類型，如DD與DD自交方案、dd與dd自交方案、Dd與Dd自交方案、DD與dd雜交方案、Dd與dd測交方案。在學生激烈討論的同時，教師要隨時把問題聚集在證明假說的核心上，孟德爾演繹推理的要點，其實就是要證明子一代的基因型是否為Dd，本質就是測交，所有純合子的自交，后代都是純合子，豌豆在自然界中自身的現象，無法證明假說的合理；而雜合子（Dd）的自交，本身就是假說產生的實驗基礎，不能用自身產生的推斷證明自身的對錯。因此，對最佳的實驗方案（測交方案）進行演繹推理：子一代的基因型如果為Dd，則產生的配子D和d的比為1：1，dd產生的配子就一種d，雌雄配結合又是隨機結合的，因此產生的后代性狀分離比為1高：1矮。如果推理成立，則實際操作結果與推理相吻合。

4.操作實驗，得出結論。

限于時間，課堂教學無法直接進行豌豆的種植實驗，我們展示了孟德爾的測交實驗結果，統計得到64株后代中，有30株為高莖，34株為矮莖，兩者的性狀分離比接近于1 ∶ 1。因此，結果與預測完全符合，從而驗證了假說的成立，最終得出了結論。

通過一對相對性狀的研究學習，學生深刻領會到孟德爾超乎常人的思維方式和獨特的數據處理方法。即使我們提出的假說不是那么完整，即使提到孟德爾提到的一項，我們都會感到無比欣慰，因為孟德爾的成功是他8年鍥而不舍追求的結果，我們只用了幾節課的時間，就領會到了“假說—演繹法”的精髓。它的真正好處在于促進了學生感悟創新科學研究的方法，培養了學生探究生物科學的能力，激勵了學生勇于探索、熱愛科學、大膽創新、鍥而不舍的精神。

三、“假說—演繹法”對學生能力的終身意義

通過以上典例，不難看出“假說—演繹法”不是傳統的灌輸、堆砌等教育方式，而是形成和構建科學理論的一種重要思維方法。在每年的高考考綱中，對此也有明確要求：“能運用假說演繹法等科學方法解決基本的生物學問題。”因此，其在近幾年各省的生物高考卷中都有具體體現。對于學生來說，一門課程學完，知識可能隨著時間的推移而逐漸淡忘，但科學研究方法一定會深入腦海，內化為一個人真正的科學素養，對學生來說，這才是終身受用的財富。