將“理論”與“定律”的理解用于中學生物學教學

靳冬雪 劉恩山

（北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出：“高中生物學課程是自然科學課程，學生在學習該課程中不僅要獲得諸如細胞、遺傳、進化等生物學方面的知識，還應該學習一些‘關于自然科學的知識’”［1］。“關于自然科學的知識”，也稱科學本質（nature of science，NOS），描述了自然科學的特點。它的價值在于能促進科學知識的學習和理解，提高對科學的興趣，幫助人們理性決策，促進科學教學的傳遞［2］。在生物學學習中，科學本質能幫助學生建立生物學觀念，促進學科核心素養的達成［1］。

理論和定律是生物學學習中的重要內容，它能使學生理解生命世界的現象，把握生物學規律，例如細胞學說、現代生物進化理論，分離定律與自由組合定律等。但對于理論和定律本身的含義、特點及二者間的區別，許多學生甚至教師都存在錯誤概念，例如：理論與定律是絕對真理，二者放諸四海皆準，理論經過檢驗就會成為定律［3］等。這些錯誤概念的潛在危險在于，認為一個科學觀點一旦被“定律化”或“理論化”就不需要再去思考和發展，可以完全信任和使用［4］。這種理解上的偏差將會影響生物學概念的學習和理解，導致在此基礎上構建的生物學知識存在錯誤和變得碎片化［5］，具有錯誤概念的教師也無法進行成功和有效的科學教學。目前，中學生關于科學本質正確的理解是：“理論和定律賦予科學解釋的能力，但兩者不盡相同。”基于理論和定律的重要作用，有必要對二者進行闡釋和區分，并明確它們在生物學教學中的應用。

1 理論與定律的含義、特點及二者的區別

理論和定律都能幫助人們理解自然界的運轉，卻是2 種功能不同的知識：理論解釋機理，定律預測現象。它們之間存在著相似性，但這并不意味著其中一個會在某一刻成為另一個。

1.1 理論解釋科學現象 科學是創造知識的過程，該過程要對現象進行仔細觀察，并在觀察中建立各種理論［6］。因此，理論是在已有事實、經驗等基礎上，作出的符合邏輯的總結與歸納，用于解釋科學現象。理論具有預見性和一定的可信性，并在其適用的范圍內，一直處于發展和完善的過程中。

理論應具有預見性。理論是建立在大量有效的觀察之上的，但僅僅解釋已觀察到的現象并不夠，還應能預測建立理論時尚未觀察到的現象，即預見性［6］。在此，“尚未觀察到的現象”并不一定指未來的事件，也包括尚未發現或研究過的以前的證據，例如新發現的人形化石遺跡，就是以前存在的證據，它與人類起源理論作出的預測是相符的［6］。

正因為理論建立在大量觀察和邏輯之上，當其在嘗試解釋一個以前似乎不相關現象的內在聯系時，具有一定的可信性［6］。以大陸漂移理論為例，該理論闡述了各種地質現象之間的關聯，例如地震、火山爆發、不同大陸板塊上化石類型，以及海床輪廓的匹配等，由此獲得了較高的可信度［6］。需注意的是，理論雖然建立在一定量科學有效的觀察之上，合乎邏輯，但不一定為真，不一定經過檢驗。例如拉馬克針對生物各種適應性特征形成提出的用進廢退和獲得性遺傳的進化學說（理論），雖然是建立在對植物和動物的大量觀察之上，但后來仍被大多數學者所摒棄。

理論作為對科學現象的解釋，可能在極大的范圍內都是適用的，也有可能只適用于有限的范圍［6］。前者以達爾文提出的自然選擇學說為例，認為生物具有過度繁殖的傾向，并在生存斗爭過程中優勝劣汰。該學說解釋了生物進化的原因，并經過幾百年的發展，成為現代生物進化理論的核心。后者以愛因斯坦提出的狹義相對論為例，是在運動速度接近光速時適用的理論，并不適合解釋低速范圍內的現象。

在科學中，理論一直處于發展、完善和修正的過程中，有時甚至還會舍棄［6］。無論一個理論對一組現象的解釋多好，都有可能存在另一種理論更適合解釋這些現象，或者適用范圍更廣，所以理論無法做到絕對完善和絕對正確，但它一直在無限地接近客觀世界運轉的真理［6］。例如關于遺傳和變異的研究，已隨著生物科學的發展，從性狀水平深入到基因水平，這極大地豐富和發展了達爾文的自然選擇學說，并形成了以自然選擇學說為核心的現代生物進化理論。理論是科學工作者進行科研工作的基礎，反之，科研工作的重點也是為了支持、擴展或修正現存的理論［7］。

1.2 定律描述自然界模式 在科學中，規律性出現的形狀和結構、重復出現的事件，以及事件間的關系，存在著模式（patterns）［8］。而定律則是利用科學語言對自然界中的模式進行的總結性描述。定律需要經過檢驗，例如歐姆定律，反映一段導體中電流與該段導體上的電壓和電阻之間的關系，經過實驗檢驗，得到了真實數據的支持。

定律在其適用的范圍內，也處于一直發展和完善的過程中。中心法則最初由克里克提出時，闡明了遺傳信息可以從DNA 流向DNA（自我復制），也可以從DNA 流向RNA，進而流向蛋白質。之后經過大量實驗證據的支持，中心法則補充了遺傳信息從RNA 流向RNA，以及從RNA 流向DNA 這2 條途徑。可見定律也非“終極真理”，而是不斷在修正和完善自己。這便是科學知識的“暫時性”。當人們發現了新的證據之后，正確做法是嘗試修正科學知識，而非一味地揪著先前的錯誤不放，這樣才能更好地維護科學發展［4］。

1.3 理論與定律功能不同，不會轉化為彼此人們往往認為定律是經過證實的理論，但其實定律和理論是非常不同的2 種知識［9］。定律反映客觀世界運行的法則，但不考察其中所涉及的理論依據。打個比喻，定律相當于“菜譜”，按照菜譜即可行之有效地做一道菜；理論則解釋了為何這樣做菜，闡述的是背后的機理［4］。牛頓本人借其所提出的“萬有引力定律”解釋定律和理論的區別：“我尚未找到究竟是什么導致了萬有引力這種現象的出現，也未能對此做出假說……但萬有引力定律是真實存在的，能根據該定律解決問題就 足 夠 了”［4］。

理論與定律在科學中扮演不同的角色，前者用于解釋客觀現象，后者則反映自然界中的模式，用于預測。應當注意，即使隨著科學的發展會有新的證據出現以支持理論，但這并不會改變理論本身的特征，它所起的仍是解釋的作用，理論最終也不會成為定律［2］。

2 理論與定律在生物學教學中的應用

教師是教學中必不可少的因素，其本身對科學本質應當有正確的理解，在此基礎上才能進行成功和有效的科學本質教學。一些教師會誤認為僅憑科學探究或科學調查的經歷就可使學生理解科學本質，這好比認為學生通過觀察動物的呼吸就可以學到細胞呼吸過程中的細節［9］。Lederman指出，最能影響學生對科學本質的理解，是教師在課程中實施的具體教學行為、教學活動和決策［10］。因此，教師要選取合適的教學活動，并在恰當的教師行為和教學策略下，才能使學生獲得對科學本質的長時間的理解［11］。

2.1 確立科學本質教學目標 首先要確立明確的科學本質教學目標，與其他知識或技能等目標相結合。這樣在選擇教學材料、活動、策略、評價學生觀點和行為時，才更有針對性［11］。以評價學生的表現為例，能正確使用科學用語“理論”和“定律”可視為是科學本質教學的成果，例如“正確使用‘現代生物進化理論’與‘哈迪-溫伯格平衡定律’”。

2.2 選擇合適的教學活動 合適的教學活動能促進學生理解“理論”和“定律”及二者的區別，例如科學史或實驗探究。利用科學史將科學本質整合到知識講授和資料閱讀中，不僅提高了趣味性，恰當利用更能幫助學生明白科學是一直不停發展和完善的，而非由前人做好的成品［11］。例如20世紀50年代開始，科學家的實驗結果不斷地在完善和修正中心法則，再如近幾十年受到重視而迅猛發展的表觀遺傳學，補充了控制生物性狀的遺傳學分子機制，諸如此類的科學史案例能幫助學生理解定律和理論的“暫時性”。

實驗探究也是使學生有效理解科學本質的途徑。學生將經歷分組合作，選擇器材和研究方法，收集有效數據，處理問題數據，反復試驗、檢查數據、解釋結果，討論并達成一致等［11］。

以“神秘的紙盒（mystery cube）”活動為例：制作一個展開后如圖1所示的立方體紙盒，將紙盒FRANK 面朝下放置在桌上，該紙盒所在的位置是教室的中央，學生觀察其余5 面，參與者可以交流，但不能離開自己所在的位置，猜測立方體上單詞與數字之間的關系。學生利用證據支持自己的假設并預測出“？”處最有可能的數字。之后展示紙盒的FRANK 面，與答案進行比對。活動結束后引導學生討論理論與定律相關的科學本質內容，例如定律能總結性地描述模式，并起到預測作用等。

圖1 神秘的紙盒（mystery cube）［9］

“mystery cube” 活動遵循Lederman 和Khalick提出的“黑箱活動”模式，該模式可讓學生在實驗探究過程中很好地理解科學本質，具體內容詳見表1。

表1 “黑箱活動”基本模式［9］

黑箱活動模式適用于多個生物學實驗的教學設計，例如孟德爾分離定律一節中的“性狀分離比的模擬”實驗。在觀察豌豆雜交實驗的結果后，讓學生對其中的模式進行假設，并通過模擬實驗檢驗提出的假設，然后讓學生給出結論并與分離定律的內容進行比對，最后討論整個實驗中涉及的科學本質，例如定律的預測作用。

在活動過程中，教師不直接評判學生的做法合適與否，學生所產生的疑問將直接指向實驗設計、數據收集、結果分析等［11］。其中，“討論”環節可以對是否采用同一種實驗方法、 實驗得到的模型是否能進一步完善等科學本質的內容進行討論。這樣既可判斷學生目前對科學本質概念的理解情況，也可使學生個人構建和加工的知識在集體的討論中得到進一步的提升［5］。

2.3 規范課堂教學行為 恰當的教學活動能幫助學生理解科學本質，但活動過程中教師的表現比活動本身更重要［11］。一些基本的教學行為能促進學生思考，例如根據學生最初的觀點拋出進一步的引導問題，鼓勵學生詳細闡述自己的想法，以及大量的觀察和傾聽等。此外，教學用語也非常重要，學生就是在教師使用的語言中形成了對科學本質的理解，故而教師要非常注意科學用語的使用［11］。在進行教學時，要使用準確、有效的語言表達科學本質的觀點，例如正確使用“理論”“定律”等專業名詞，強調生物學理論與定律并非終極真理而是一直在發展和完善，二者雖然都賦予科學解釋的能力但不會互相轉化等。

3 結語

在自然科學領域，理論與定律同等重要，人們不僅需要通過理論理解自然界運轉的機理，也需要依靠定律對科學現象進行預測。學生努力學習前人的研究成果，同時也要明白理論和定律仍需不斷完善和發展。因此，教師應將對理論與定律的理解結合到日常教學中，明確、外顯地引導學生，幫助學生掌握生命觀念，建立恰當的科學本質觀，促進生物學學科核心素養的達成。