例談選言推理在高中生物教學中的應(yīng)用

朱滿員

摘 要 將選言推理應(yīng)用于科學史教學、實驗教學及概念教學中，不僅能極大提升學科教學的邏輯性，還能培養(yǎng)學生嚴謹?shù)姆治瞿芰εc理性的思維習慣。

關(guān)鍵詞 選言推理 生物教學 實驗設(shè)計 酶專一性

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

2014年4月，教育部頒布的《關(guān)于全面深化課程改革，落實立德樹人根本任務(wù)的意見》（以下簡稱《意見》）明確提出發(fā)展學生的核心素養(yǎng)是育人的重要目標。生物學科核心素養(yǎng)則是由四個要素組成：生命觀念、理性思維、科學探究、社會責任。其中“理性思維”是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。科學的思維方法包括歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法。選言推理就屬于演繹推理中的一種，在日常生活中常有接觸，所以，讓學生掌握選言推理的原理與方法，也是響應(yīng)《意見》的育人要求。

1 選言推理的定義

選言推理是根據(jù)選言命題的邏輯性質(zhì)而進行的推理，可分為相容選言推理和不相容選言推理兩種。現(xiàn)有2個選言支，常用p和q來表示，相容選言推理只有一個正確的形式，即否定肯定式：p或者q（大前提），非p（小前提），所以，q（結(jié)論）。而不相容選言推理有兩個正確的形式：①否定肯定式：要么p，要么q（大前提），非p（小前提），所以，q（結(jié)論）。②肯定否定式：要么p，要么q（大前提），是p（小前提），所以，非q（結(jié)論）。

通俗化的解釋是：若對某一現(xiàn)象有兩種合理的備選解釋（選言支），相容選言推理的大前提是這兩種備選解釋中至少有一種是正確的（相容的），所以否定一個即可肯定另一個——否定肯定式。而不相容選言推理的大前提則是這兩種備選解釋中只有一種是正確的（不相容），所以否定一個就可以肯定另一個——否定肯定式，或者肯定一個便可以否定另一個——肯定否定式。相容與不相容選言推理共同有效的推理形式是否定肯定式。

2 選言推理的應(yīng)用

2.1 選言推理在科學史教學中的應(yīng)用

生物學的科學史就是學科思想史，也是實驗探究史，所以在學習科學發(fā)現(xiàn)史時，離不開實驗。如，證明DNA是遺傳物質(zhì)的肺炎雙球菌活體轉(zhuǎn)化實驗（實驗過程如圖1），教材中直接得出推理：在加熱殺死的S型菌中，一定有一種物質(zhì)能把某些R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌。此處思維跨度較大。學生總懷疑會有別的可能性。事實上，該結(jié)論的得出是利用了選言推理的方法，不過在推理分析之前，需要將所有合理的備選解釋一一列出：① R型菌自發(fā)突變成S型菌；② S型菌加熱殺死不徹底，有部分S型菌仍有活性；③ 加熱殺死的S型菌中有一種物質(zhì)能把R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌。同時，還需要利用圖1補充說明的是：D組注射到小鼠體內(nèi)的混合物就是B組中剩余的R型活菌與C組中剩余的S型死菌。有了這些補充與完善，教師就可以幫助學生進行逐項否定：因為D組注射的內(nèi)容物是B、C組注射物的混合，而B組的小鼠沒有死亡的，所以否定了R型菌自發(fā)突變成S型菌的可能；同時C組小鼠也全部存活，同樣否定了S型菌加熱殺死不徹底，有部分S型菌仍有活性的可能；最后只剩下一種可能性，即加熱殺死的S型菌中一定有一種物質(zhì)能把R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌。

利用選言推理的否定肯定式的思維方法，學生就非常容易理解肺炎雙球菌活體轉(zhuǎn)化實驗為何能得出這樣的結(jié)論，同時也了解了科學家的思維過程。

又如，關(guān)于噬菌體浸染細菌實驗到底能不能證明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)的探討。有一種觀點是：該實驗只有DNA進入了細菌內(nèi)，而蛋白質(zhì)并沒有進入大腸桿菌內(nèi)部，所以只能說明DNA是遺傳物質(zhì)，并不能說明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。也就是說，肯定一個并不能否定另一個。這就涉及所用的選言推理的大前提是相容的還是不相容的，即DNA和蛋白質(zhì)至少有一種是遺傳物質(zhì)，還是只能有一種是遺傳物質(zhì)？如果是前者，固然肯定了DNA是遺傳物質(zhì)，但不能否定蛋白質(zhì)；但如果是后者，則肯定了DNA是遺傳物質(zhì)的同時，就能否定蛋白質(zhì)。縱觀遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)史，從1953年起艾弗里等人開始采用排除法來尋找格里菲斯活體轉(zhuǎn)化實驗中的“轉(zhuǎn)化因子”，即通過加入特異性的試劑破壞或去除某類物質(zhì)，觀察轉(zhuǎn)化現(xiàn)象能否正常發(fā)生，進而排除或確認其為轉(zhuǎn)化因子的可能性。經(jīng)過一系列嚴謹細致的實驗，多糖、蛋白質(zhì)、脂肪和RNA作為轉(zhuǎn)化因子的可能性均被否定。實驗最后艾弗里等人加入了DNA酶，轉(zhuǎn)化因子的活性幾乎完全消失，且經(jīng)過多次重復實驗，也證明該實驗結(jié)果真實有效，即引起肺炎雙球菌發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)是DNA。只可惜當時生物學界的主流觀點仍然認為遺傳物質(zhì)最可能是蛋白質(zhì)，只有極少數(shù)人意識到DNA可能是遺傳物質(zhì)。在艾弗里轉(zhuǎn)化實驗的影響下，1952年美國冷泉港實驗室的赫爾希和蔡斯設(shè)計了著名的噬菌體侵染細菌實驗。所以，該實驗是在遺傳物質(zhì)“非蛋白質(zhì)即DNA”——兩選言支不相容的背景下進行的。事實上，該實驗本就是根據(jù)哪種物質(zhì)進入細菌體內(nèi)，并在噬菌體的親子代間保持連續(xù)性來確定其是否為遺傳物質(zhì)的。實驗結(jié)果表明，進入細菌內(nèi)部發(fā)生作用的是DNA而非蛋白質(zhì)。所以，噬菌體侵染細菌實驗不僅能肯定DNA是遺傳物質(zhì)，同時也能證明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)，即不相容選言推理中的肯定否定式。

2.2 選言推理在實驗教學中的應(yīng)用

生物實驗設(shè)計有一個很重要的原則——對照原則，即實驗設(shè)計一定要有對照。對照能排除掉一些無關(guān)變量對實驗結(jié)果的干擾以增加實驗結(jié)果的可信度和說服力。按對照的內(nèi)容和形式的不同，可將對照形式分為4種：空白對照、條件對照、自身前后對照和相互對照。簡單的實驗設(shè)計只涉及一種對照，但復雜的實驗中往往涉及多種對照類型。所以學生在實際運用中，較容易理解實驗組的設(shè)計，但對于對照組的設(shè)置就感覺有難度。學生都了解設(shè)置對照組，但如何設(shè)置對照組，選擇哪些類型的對照？他們往往會考慮不周全，漏掉一些必要的對照組。

如證明：頂芽產(chǎn)生生長素運輸?shù)絺?cè)芽并抑制側(cè)芽生長的實驗設(shè)計如下：選取健壯、生長狀態(tài)一致的幼小植株，分為甲、乙、丙、丁4組。甲組植株不做任何處理，其他三組植株均切除頂芽。然后乙組植株切口不做處理；丙組植株切口處放置含有適宜濃度生長素的瓊脂塊；丁組植株切口處放置不含生長素的瓊脂塊。而后，將上述4組植株置于相同的適宜條件下培養(yǎng)，觀察側(cè)芽的生長情況。此實驗設(shè)計中，去除頂芽的乙組和去頂芽后補充生長素的丙組作為實驗組，甲組作為對照組。學生常會漏掉丁組，他們?nèi)菀缀雎员M抑制側(cè)芽的因素可能來自瓊脂塊中的生長素，也可能來自瓊脂塊本身。所以，就需要排除瓊脂塊對實驗結(jié)果的干擾而增加丁組以確保實驗結(jié)果的可靠性。

又如，已知垂體受到下丘腦和甲狀腺分泌激素的共同調(diào)節(jié)，使生物體內(nèi)促甲狀腺激素（TSH）含量保持相對穩(wěn)定。為進一步驗證下丘腦和甲狀腺對垂體TSH分泌量的調(diào)節(jié)作用，請根據(jù)以下提供的實驗材料，設(shè)計實驗并分析。

實驗材料：動物細胞培養(yǎng)瓶若干和其他相關(guān)的培養(yǎng)和測定儀器、大白鼠的下丘腦細胞懸液和垂體細胞懸液、動物細胞培養(yǎng)液（不含TSH）、甲狀腺激素溶液。（要求與說明：細胞培養(yǎng)條件適宜；TSH含量測定的具體方法不作要求）

實驗設(shè)計思路如下：① 取4個動物細胞培養(yǎng)瓶，標號為A、B、C、D，各加入等量的動物細胞培養(yǎng)液。② A組加入垂體細胞懸液；B組加入垂體細胞懸液+甲狀腺激素溶液；C組加入垂體細胞懸液+下丘腦細胞懸液；D組加入下丘腦細胞懸液。③ 將上述4個動物細胞培養(yǎng)瓶放在相同且適宜的條件下，培養(yǎng)一段時間。④ 測定各培養(yǎng)瓶中TSH的含量并記錄。對于D組的設(shè)計，學生通常覺得沒必要，不知為何要設(shè)置這一組。如果從選言推理角度來解釋D組就順理成章了，因為從實驗結(jié)果來看，C組的TSH含量比A組高，但此結(jié)果并不能證明下丘腦細胞能促進垂體分泌TSH，因為還存在另一個合理的備選解釋，即下丘腦細胞自身產(chǎn)生了TSH導致C組中TSH含量變高。如何否定這個備選解釋呢？唯有再增加一組實驗以證明下丘腦細胞不會產(chǎn)生TSH，從而才可以肯定是下丘腦細胞促進垂體細胞產(chǎn)生TSH，于是D組就成為必需的條件對照了。

同理，在浙科版選修1“大腸桿菌的培養(yǎng)和分離”實驗中，需要倒4個平板劃線接種3個板，留1個平板作對照，此對照有些學生也認為沒必要。但從選言推理角度而言，平板上長出的菌落有兩個來源，即接種上去的和培養(yǎng)基滅菌不嚴格，由雜菌長成的。否定一個來源，便可以肯定另一個來源。留1個平板不接種，就是為了否定培養(yǎng)基滅菌不徹底而造成的雜菌污染。

在此類實驗設(shè)計中，教師需引導學生利用選言推理的思想與方法對實驗結(jié)果的產(chǎn)生多考慮一些可能的備選解釋。如果有不止一種合理的備選解釋，就需要設(shè)置一些對照予以一一否定。這不僅使實驗設(shè)計更為周全嚴謹，也培養(yǎng)了學生科學的理性思維習慣。

2.3 選言推理在概念教學中的應(yīng)用

科學常常是以概念的形式來表達的，概念是在許多事實和證據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)抽象概括提煉而形成的。可以說概念是用最精煉的語言表達最豐富的內(nèi)涵。最精練的語言可以寫在教材上，而最豐富的內(nèi)涵卻需要教師去挖掘。

如酶的定義：酶是活細胞產(chǎn)生的，具有催化作用的有機物，絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA。回到酶這個簡單的宣告式定義，筆者就會引導學生考慮一個看似不是問題的“問題”：是不是所有的活細胞都能產(chǎn)生酶？此問題一提出，學生便開展了熱烈討論，并提出了自己的猜測。首先師生需要讓學生達成一個共識：① 所有的活細胞都要進行代謝，細胞中一切化學反應(yīng)統(tǒng)稱為代謝；② 細胞中的化學反應(yīng)都需要酶的催化。所以所有活細胞都需要酶。教師繼續(xù)分析：既然所有的活細胞都需要酶，活細胞所需要的酶或自己合成，或從外界攝取（大前提）。但酶是大分子，細胞膜具有選擇透性，除非采用胞吞的形式，否則細胞一般不允許大分子進入。而絕大多數(shù)細胞不具有胞吞功能，即否定了酶從外界攝取的可能（小前提），于是便肯定了所有的活細胞都能產(chǎn)生酶的推理了。

同樣的推理方法還可以應(yīng)用在驗證酶的專一性的實驗分析上，現(xiàn)以課堂教學片段來展現(xiàn)選言推理在“酶的專一性”概念教學中的應(yīng)用。

教師：根據(jù)鎖鑰模型的原理，底物恰好能和酶結(jié)合，酶才能發(fā)生催化。由于酶分子的形狀只適合與一種或是小部分分子結(jié)合，所以一種酶只能催化一種底物或少數(shù)幾種相似底物的反應(yīng)，這就是酶的專一性。現(xiàn)在老師要通過一個演示實驗來驗證酶的專一性：現(xiàn)取2個試管，分別編為1號、2號。在1號、2號試管中各加入新鮮唾液1 mL。然后，在1號試管中加入質(zhì)量分數(shù)為1%的淀粉溶液3 mL，在2號試管中加入質(zhì)量分數(shù)為2%的蔗糖溶液3 mL。充分混勻后，放在37℃恒溫水浴中保溫，15 min后取出。兩管再各加本尼迪特試劑2 mL，搖勻，放在沸水浴中煮2～3 min。觀察兩試管的顏色變化。1號試管出現(xiàn)紅黃色沉淀，2號試管為藍色。

教師：有同學能分析下顏色變化的原因嗎？

學生1：1號試管中的淀粉酶將淀粉分解成麥芽糖，而麥芽糖是還原糖，遇本尼迪物試劑熱水浴后出現(xiàn)紅黃色沉淀。2號試管中淀粉酶不能分解蔗糖，所以沒有出現(xiàn)紅黃色沉淀。

教師：對，如果2號試管中的蔗糖能被淀粉酶分解也會產(chǎn)生還原糖（葡萄糖與果糖），也就會遇本尼迪特試劑而呈紅黃色。事實是2號試管沒有相應(yīng)的顏色變化，說明淀粉酶能催化淀粉卻不能催化蔗糖。至此，就能說明酶具有專一性了。

教師：2號試管出現(xiàn)的紅黃色只能說明試管中有還原糖，這些還原糖可能是反應(yīng)產(chǎn)生的；也可能是反應(yīng)物淀粉具有還原性或是淀粉中混有還原糖； 還可能是加入的唾液中存在還原糖。如何讓實驗更具說服力呢？

學生2：再增加2個試管，各加入新鮮唾液1 mL和質(zhì)量分數(shù)為1%的淀粉溶液3 mL。向兩試管各加2 mL本尼迪特試劑，搖勻后沸水浴。然后觀察兩試管的顏色變化。

教師：非常好，只有排除掉后兩種可能性，才能嚴格說明淀粉酶只催化淀粉不分解蔗糖，從而證明酶具有專一性。教材實驗中安排了“5號、6號試管各加入蔗糖酶溶液1 mL，然后在5號試管中加入質(zhì)量分數(shù)為1%的淀粉溶液3 mL，在6號試管中加入質(zhì)量分數(shù)為2%的蔗糖溶液3 mL。充分混勻后，放在37℃恒溫水浴中保溫，15 min后取出。兩管各加本尼迪特試劑2 mL，搖勻，放在沸水浴中煮2～3 min。”這組對照實驗的結(jié)果能說明什么？

學生3：也說明酶具有專一性。

學生4：5號與6號試管的對照好像只能說明淀粉只能被淀粉酶分解，而不能被蔗糖酶分解。

教師沒錯。從邏輯上來說，雖然酶與底物的關(guān)系確是一一對應(yīng)（鎖鑰模型原理），但根據(jù)酶專一性的定義——一種酶只能催化一種底物或少數(shù)幾種相似底物的反應(yīng)，只要證明淀粉酶只能分解淀粉不能分解蔗糖就可以說明酶的專一性了，無需額外再證明一種底物也只有一種酶能催化。相反，如若僅憑教材實驗中第5號、6號試管的對照，反而無法說明酶具有專一性。所以應(yīng)該將教材中實驗1，改進具體見表1。

教學意圖：對驗證酶專一性的實驗結(jié)果進行選言推理分析，可以清楚地展現(xiàn)對照實驗的設(shè)計邏輯，培養(yǎng)學生理性的思維習慣，提高學生的邏輯分析能力與解決問題的能力。這樣的教學過程比僅分析實驗原理會更有意義。

當然，在教學實踐過程中，教師在分析一些生物學現(xiàn)象的備選解釋時，少數(shù)思維特別活躍的學生可能會舉出一些“奇怪”的解釋，如肺炎雙球菌活體轉(zhuǎn)化實驗中的D組小鼠是“外星人投毒殺死的”。此類備選解釋很難講合不合理，卻可以用“奧卡姆剃刀原理”來排除。所謂“奧卡姆剃刀原理”又稱“簡單有效原理”，即“如無必要，勿增實體”。對于“奧卡姆剃刀原理”還有一種更為常見的表述形式：如果對于同一現(xiàn)象有兩種或多種不同的解釋，那么簡單或可證偽的那個更好。總之，選言推理與奧卡姆剃刀定律作為一種思維理念與思維方法，不斷在哲學、科學等領(lǐng)域得到應(yīng)用。在日常生物教學中滲透這些思維方法能培養(yǎng)學生批判精神和質(zhì)疑能力，從而助于學生學科核心素養(yǎng)的提升。