基于科學論證的生物學教學內容分析
——以“孟德爾分離定律”為例

蘇洪波 關亞萌 李秋石

(1 河北師范大學教師教育學院 石家莊 050024； 2 河北省唐山市開灤第二中學 唐山 063000； 3 河北師范大學生命科學學院 石家莊 050024)

生物學由于其學科屬性，其教學內容彰顯了大量科學思維的因素，尤其是科學論證思維的因素。科學論證是科學思維的重要內容，那么如何從科學論證的視角去解讀教學內容呢？

1 論證的概念與類型

所謂論證是由斷定一個或一些判斷為真，進而斷定另一個判斷的真實性的思維過程[1]，是對相信什么或做什么得出合理性判斷的起點。例如，DNA分子復制方式就是通過論證發現的。

論證具有兩種類型： 實踐論證和邏輯論證。實踐論證是通過人的變革物質世界的積極活動[1]，來檢驗一個思想與它所反映的事物是否一致的唯一的標準；而邏輯論證是借助于一些真的判斷，通過邏輯推理來確定另一個判斷的真實性[1]，這是人們發現真理、理解真理的重要工具之一，也是有力表達思想的必要條件。在科學發現過程中，兩種論證往往相輔相成。

2 論證的組成與規則

2.1 組成 論證主要由論題、論據、論證方式組成。

2.1.1 論題 論題是指某一判斷真實性需要加以確認的判斷[1]。在論證的過程中，論題既可以是論證開始前所提出的要解決問題，又可以是論證結束時的結論；既可以是科學上已經被確認為真的判斷，又可以是一個未經確認為真的判斷。例如，沃森和克里克提出“脫氧核糖核酸結構的互補特性揭示了它是如何自我復制的[2]?！边@既是所要解決問題“DNA分子復制的方式是什么”，又是結論“……實現特異的DNA自我復制……每一條互補DNA鏈，在形成它的一條新鏈時，都可以作為模板[2]”，同時這個論題還是一個未經確認(在當時)為真的判斷，因此需要為這個判斷尋找理論的和事實的依據。

2.1.2 論據 論據就是確認論題的真實性時所根據的判斷[1]。論據的真實性，是論題真實性的根據，是信念和行動的第一道安全檢驗門[3]。

論據種類有多種劃分方式，其中根據論據的得出是否需要推導分為： ①基本論據： 不是由其他論據推導出來的論據，如科學中的基本定義和公理、已被證實的關于個別事實的判斷、哲學和每門科學中的一般原理等[1]。如新陳代謝進行的條件是酶和能量；在DNA分子中，A/T的比值和G/C的比值總是十分接近于1。②非基本論據： 由基本論據或其他非基本論據推導出來的論據，如由基本論據“新陳代謝進行的條件是酶和能量”，可以推導出“DNA分子復制需要酶和能量”；由基本論據“在DNA分子中，A/T的比值和G/C的比值總是十分接近于1”和“DNA分子具有兩條鏈”，可以推導出“……這種單鏈……作為模板，游離的核苷酸通過形成氫鍵自動地結合到它上面[2]”。

2.1.3 論證方式 有了論題和論據，并不等于就能做出論證。論證還存在一個由論據到論題的推理過程，這一過程稱為論證方式。某些學生雖然記憶了論證所需要的事實、定義、定理等論據，但卻不能完成論證過程，這實際上就是缺乏推理的能力。

根據論證方式可以將論證分為演繹論證和歸納論證。

演繹論證是借助于演繹推理(也包括假言推理形式和選言推理)的論證方式，論據和論題之間是一種必然關系的論證。其特點是論據往往是一般的原理，論題是特殊的判斷。例如，根據半保留復制的假說，可以演繹推理出Meselson和Stahl所做實驗的第一代大腸桿菌的DNA為一條鏈為14N標記，另一條鏈為15N標記。

歸納論證是借助于歸納推理(也包括類比推理)的論證方式，論據和論題之間是一種或然關系的論證。其特點是論據是某種特殊的判斷，論題是一般的原理。例如，1958年Meselson和Stahl通過15N標記大腸桿菌DNA、 H·Taylar用3H標記蠶豆根尖細胞的DNA以及1974年Korenberg和Freedlender通過改進的姐妹染色體色差法(SCD)獲取相應實驗事實，歸納出“DNA分子復制的方式是半保留復制”。

2.2 規則 論證有正確的、也有錯誤的，因此論證的規則是一個正確的論證所必須遵守的。

關于論題的規則，一是論題必須明確。論題明確，是論證的先決條件。二是不能轉移或偷換論題。

總之，數據分析觀念自提出并實施以來，取得了一些階段性的成果，但也存在一些問題需要持續、深入的合作研究和探索.為了進一步推進統計與概率課程的改革，研究者和實踐者需要對數據分析觀念引起高度關注，加強對研究現狀的考察和問題的解決，進而落實數據分析觀念的培養目標.

關于論據的規則，論據應當是已明確為真的判斷。論題的真實性是由論據的真實性推理出來的。論據本身如果不真實，就不可能達到論證論題真實性的目的。好論據的必要條件是可檢驗性，即必須是可以客觀檢驗的，而且只有在這樣檢驗之后，才可以接受為真，或者至少可以接受為不用爭論的前提[3]。論據的真假的判斷標準是看其是否符合實踐。

關于論證方式的規則 論據必須能正確地推出論題。正確的論證方式，必須遵守正確的推理規則。

3 基于科學論證的“分離定律”的分析

3.1 論題 孟德爾在《植物雜交的試驗》一文中描述：“……它們的目的是在雜種的后代中繼續探究它們的發育?！P于直到現在，還沒有圓滿地闡述一個能于普遍應用的控制雜種的形成和發育的規律[2]?！庇纱丝梢缘贸雒系聽栄芯康恼擃}是： ①提出所要解決的問題：“雜種的形成和發育是否具有規律？”或“‘雜種的卵和花粉細胞的構成’[2]是否具有規律性？”②結論： 通過分析“分離定律”，可以得出中心論題是：雜種在形成配子時，成對的遺傳因子發生分離，分別進入不同的配子[4]；三個分論題是“生物性狀由顆粒狀的具有顯性和隱性差別的遺傳因子控制”“體細胞中遺傳因子成對存在”“受精時，雌雄配子的結合是隨機的”。

3.2 論據 筆者從人教版高中生物學必修2《遺傳與進化》第1章第1節、孟德爾論文“植物雜交的試驗”以及其他文獻中收集與上述論題相關的論據。

3.2.1 基本論據 一是顯性論據[4]： ①孟德爾把F1中顯現出來的性狀叫做顯性性狀；②孟德爾做的豌豆雜交實驗的結果；③非糯性花粉遇碘變藍黑色，而糯性花粉遇碘變橙紅色；④取F1花粉加碘染色，半數花粉呈藍黑色，半數呈橙紅色。

二是隱性論據： ①正反交，7個雜交的每一個雜交，雜種性狀同一個親本的性狀如此相像；②顯花植物的繁殖是由一個卵細胞和一個花粉細胞結合成單一的細胞開始；③世界是物質的[5]；④世界包括物質世界(遺傳現象屬于物質世界)和社會世界[5]；⑤物質是由微觀粒子構成[6]；⑥在化學變化中，分子可以分成原子，原子又可以結合成新的分子[6]；⑦設A、 B為兩個事件，若P(AB)=P(A)·P(B)，則事件A與事件B相互獨立；⑧若A∩B為不可能事件，那么事件A與事件B互斥[7]。

3.2.2 非基本論據 一是顯性論據： ①不論是正交還是反交，F1全部表現為顯性性狀；②F1與隱性性狀進行正交和反交實驗，測交結果均為顯性性狀和隱性性狀比例為1∶1。二是隱性論據： ①在第一代中[F2]在所有的試驗中都分解為2∶1∶1[2](注： 比例對應的性狀分別是雜種顯性性狀： 純種顯性性狀： 純種隱性性狀)；②穩定的后代只是在卵細胞和授精的花粉是屬于同樣性質的時候才得以形成[2]；③化學分子和遺傳因子都屬于物質；④遺傳因子是一種顆粒物質；⑤遺傳因子具有顯性與隱性。

3.3.1 科學理論 ①由“世界是物質的”“世界包括物質世界(遺傳現象屬于物質現象)和社會世界”，經演繹推理可以得出“遺傳因子是一種物質”；②由“物質是由微觀粒子構成”“遺傳因子是一種物質”，經演繹推理可以得出“遺傳因子是一種顆粒物質”；③由“在化學變化中，分子可以分成原子，原子又可以結合成新的分子”“化學分子和遺傳因子都屬于物質”，經類比推理可以得出“遺傳因子可以分，又可以結合”，即“形成配子時，遺傳因子可以發生分離；受精時，遺傳因子可以隨機結合”。

3.3.2 實驗事實 ①由“正反交，7個雜交的每一個雜交，雜種性狀同一個親本的性狀如此相像”“孟德爾把F1中顯現出來的性狀叫做顯性性狀”，經演繹推理可以得出“不論是正交還是反交，F1全部表現為顯性性狀”；②由“不論是正交還是反交，F1全部表現為顯性性狀”或“在第一代中[F2]，在所有的試驗中都分解為2∶1∶1”，經演繹推理可以得出“遺傳因子具有顯性與隱性[8]”；③由“在第一代中[F2]，在所有的試驗中都分解為2∶1∶1”“穩定的后代只是在卵細胞和授精的花粉是屬于同樣性質的時候才得以形成”和“顯花植物的繁殖是由一個卵細胞和一個花粉細胞結合成單一的細胞開始”，經演繹推理可以得出“雜種形成兩種配子”“雜種體細胞中具有兩個遺傳因子”；④“非糯性花粉遇碘變藍黑色，而糯性花粉遇碘變橙紅色”“取F1花粉加碘染色，半數花粉呈藍黑色，半數呈橙紅色”，經歸納推理可以得出“雜種在形成兩種雄配子”，即“雜種在形成配子時，成對的遺傳因子發生分離，分別進入不同的雄配子，且比例為1∶1”；⑤由“F1與隱性性狀進行正交和反交實驗，測交結果均為顯性性狀和隱性性狀為1∶1”“遺傳因子具有顯性與隱性”，經歸納推理可以得出“雜種在形成配子時，成對的遺傳因子發生分離，分別進入不同的配子，且比例為1∶1”。

3.3.3 數理邏輯 孟德爾接受過嚴格的科學訓練，具備扎實的數學和統計學知識，因此可能在實驗觀察和科學假設之間建立起了如下數理邏輯。

由“孟德爾所研究的7對相對性狀均具有兩種類型”，可以設以A代表穩定的顯性性狀，a代表穩定的隱性性狀[2]，因此可以用Aa代表兩者相結合的雜種類型。

筆者認為孟德爾用A代表顯性純合子、Aa代表顯性雜合子的理由是： ①為了區別兩種顯性性狀個體；②如果用AA代表顯性純合子就重復了[9]；③“孟德爾確實認為遺傳因子成對存在”；④說明遺傳因子具有顯性與隱性之別。

遺傳因子的存在狀態證明 雜種中遺傳因子A、 a的存在狀態是一個(不相容)選言命題，即“雜種的兩個遺傳因子要么是融合的(融合遺傳)，要么是獨立的(顆粒遺傳)”。

由融合遺傳思想[10]與實驗事實(“不論是正交還是反交，F1全部表現為顯性性狀”“在第一代中[F2]，……在所有的試驗中都分解為2∶1∶1”)相矛盾，可以得出“雜種的兩個遺傳因子是融合的”錯誤，從而由排中律和不相容選言推理規則，即證明雜種的兩個遺傳因子是獨立的(即遺傳因子具有顆粒性)。

遺傳因子傳遞規律證明 若雜合體的兩個因子是獨立的，則雜合體的表示方式是(A+a)[11]。雜種產生雄配子種類及其比例為A∶a=x∶y，雜種產生雌配子種類及其比例為A∶a=x∶y。

由“設A， B為兩個事件，若P(AB)=P(A)·P(B)，則事件A與事件B相互獨立”，可以推知： 雄配子種類與雌配子種類為相互獨立事件；由“顯花植物的繁殖是由一個卵細胞和一個花粉細胞結合成單一的細胞開始[12]”，因此雜種F1自交子代F2的遺傳因子組成為：

P(F2顯性純合子)=P(A雌A雄)=P(A雌)·P(A雄)=x2

P(F2隱性純合子)=P(a雌a雄)=P(a雌)·P(a雄)=y2

P(F2顯性雜合子1)=P(A雌a雄)=P(A雌)·P(a雄)=xy

P(F2顯性雜合子2)=P(a雌A雄)=P(a雌)·P(A雄)=yx

根據“若A∩B為不可能事件，那么事件A與事件B互斥”，可以推知： F2顯性雜合子1與F2顯性雜合子2為互斥事件。因此P(F2顯性雜合子)=P(F2顯性雜合子1)+P(F2顯性雜合子2)=2xy。

由“在第一代中[F2]，……在所有的試驗中都分解為2∶1∶1(注： 雜種顯性性狀： 純種顯性性狀： 純種隱性性狀)”和“P(F2顯性純合子)=x2、 P(F2隱性純合子)=y2、 P(F2顯性雜合子)=2xy”，可以計算得出： x∶y=1∶1。

由上述數理邏輯論證可以得出全部論題，學生從中可以體會出： 把數學方法引入生物學的研究，是超越前人的創新[4]。

以本文解讀孟德爾分離定律為例，大量的生物學教學內容都可以從科學論證的視角來進行分析?？茖W論證是科學思維的重要方面，基于科學論證的教學內容分析應該得到重視。