溯因推理在高中生物學教學中的應用

盛國躍

(浙江省金華市教育局教研室 金華 321017)

1 認識溯因推理

1.1 溯因推理的基本內涵 溯因推理就是根據已知事實結果和相關的規(guī)律性知識，推斷產生這個結果的原因的猜測性假設的推理。它不同于演繹和歸納的邏輯形式，具有推理過程與結果并存、理論選擇與建構一體的邏輯特征。

皮爾斯認為演繹推理是解釋前提的，結論沒有超出前提，不能用于假說的提出，只能用于假說的驗證，而歸納只是對已有假設的實驗證明。只有溯因推理才是“形成假設的過程，是唯一產生新信念的邏輯操作”[1]。在人類探索自然的過程中，會經常遇到一些“令人驚異的事情”發(fā)生。從這些驚異的事件出發(fā)，結合推理者的背景知識，借助一定的推理模式，獲得事件解釋的過程就是一個溯因的過程。例如，格里菲斯從發(fā)現“把加熱殺死的S型菌和活的R型菌一起注射到小鼠體內后，很多小鼠因患敗血癥而死亡，并且死亡的小鼠血液中能分離出活的S型菌”這一現象開始，到提出“S型菌中存在轉化因子”觀點就是一個溯因過程。

1.2 溯因推理的基本模式 演繹、歸納、類比和溯因作為各自相對獨立的推理類型，均有各自獨特的推理模式。一個“令人驚異的事情”是溯因的起點，也是溯因推理的前提和誘因(下文把這“令人驚異的事情”簡稱為“事情B”)。溯因的邏輯形式可用如下模式表示： 當一個“事情B”被觀察到(推理的前提和誘因)；借助于已有的知識、經驗和理論等找到了A，它能作為B的原因并解釋它，使B變成理所當然的；因此，有理由推測A是真的[2]。

生物學中有很多偉大的發(fā)現都是溯因推理的產物。例如，孟德爾在提出“生物的性狀由遺傳因子控制”這一假說時，就進行了溯因推理，其過程可簡化如下。一件“令人驚異的事情”被觀察到： 所選取的7種性狀所做的雜交實驗，其F1代的性狀與親本之一相同，而另一親本性狀完全不顯現；讓F1代自交，F2代所表現出的性狀既有顯性性狀也有隱性性狀，且比例為3∶1。用已有的知識、經驗和理論等對事件進行解釋： ①用泛生論和融合遺傳思想均無法對這一事件進行解釋；②道爾頓的原子論認為各種元素是由原子構成的，化合物被分解時，原子不會失去原來的性質，化學反應就是原子的重新組合；③如果遺傳物質也具有原子一樣的性質，即遺傳物質具有“粒子性”，則可完美地解釋這一“令人驚異的事情”。因此，可認為“生物的性狀由遺傳因子控制”。

當孟德爾發(fā)現在他的豌豆雜交實驗中，F2代出現了性狀分離且性狀分離比均為3∶1，這一現象令他驚異時，溯因推理就開始了，下一步就是要探究其原因。在這一過程中需要綜合運用原有的知識、經驗和理論等，以獲得對該現象的最佳解釋。在孟德爾時代，最流行的兩種遺傳學理論是泛生論和融合遺傳思想。孟德爾在溯因時發(fā)現這兩種理論都無法解釋他所觀察到的實驗結果。當時道爾頓的原子論的影響非常廣泛，受原子論的影響，孟德爾在溯因時推測遺傳物質也具有“粒子”性，在遺傳的過程中相互獨立，不會混合。當他用這一觀點來解釋他的實驗結果時，發(fā)現原來“令人驚異”的實驗結果變得“理所應當”了。于是他提出了“生物的性狀由遺傳因子控制”這一假說。

當人們觀察到了某一驚異的現象，并且渴求作出解釋時，溯因推理就發(fā)生了。人們在對觀察資料進行可理解的解釋過程中，便有了新的發(fā)現。因此，溯因推理與科學發(fā)現是密切相關的，它是認知科學框架中的重要一環(huán)。

2 獲得新知的溯因模型構建

致力于學生核心素養(yǎng)培育的深度學習，已成為我國基礎教育轉型的新目標，新知的獲取是實現深度學習的主要載體。人們對各類事物及現象的認識是從現象到本質、從不甚深刻的本質到更深刻的本質的層層深化的無限過程。那么，層層探索事物本質的思維是如何進行的呢？顯然，依靠的是溯因推理，而且是一種連續(xù)的、遞進的溯因。可見，將溯因推理引入課堂，用于學生獲取新知，有利于深度學習的發(fā)生。

例如，借減數分裂一節(jié)的教學對以上模型做簡要說明。溯因推理是從當學生看到一件“令人驚異的事情B”開始的。因此，在進行減數分裂的教學過程中可先向學生展示資料： 1883年，胚胎學家貝內登發(fā)現馬蛔蟲配子中的染色體數目是體細胞中的1/2。學生由于無法用已經學習的有絲分裂來解釋這種數目關系，故會感到驚異。此時，他們會在尋求答案欲望的驅動下，積極的調動原有的知識儲備(如有絲分裂、染色質復制、著絲粒分裂和染色體在紡錘絲的作用下運動并實現分配等)，在已有的知識結構中尋找與當前問題相似的經驗、現象，以探尋能解釋當前問題的假設。學生在對“染色體數目減半”的溯因中普遍會提出三種假設： ①染色體不復制，細胞分裂一次；②染色體復制一次，細胞連續(xù)分裂兩次，著絲粒分裂發(fā)生在第一次細胞分裂過程中；③染色體復制一次，細胞連續(xù)分裂兩次，著絲粒分裂發(fā)生在第二次細胞分裂過程中。那么，哪種假設是合理的呢？這就需要將這些假說送到檢驗模塊中去進行驗證。教師可以引導學生通過觀察蝗蟲精母細胞減數分裂固定裝片進行驗證。如果證實了某個假設A是真的，學生就有理由相信A為B的原因，學生也就獲得了新知。否則，就需要返回開始處，進行新一輪溯因與檢驗驗證，如此往復。

獲得新知的溯因模型在幫助學生學習的過程中，凸顯了深度學習的五大特征，即： 理解認知、高階思維、整體聯通、創(chuàng)造批判和專家構建[3]。因而，該模型是與深度學習高度一致的，其目標都是致力于學生核心素養(yǎng)的培育。

3 溯因模型在生物學教學中的應用

“分析摩爾根的果蠅伴性遺傳實驗”一節(jié)，不僅是學生學習相關知識的好材料，更是鍛煉科學思維的好素材。教師在教學過程中，按照常規(guī)的教學思路不利于培育學生的科學思維(即先引導學生發(fā)現果蠅眼色的遺傳不僅符合孟德爾規(guī)律，而且還與性別相關聯后，出示摩爾根的假設，然后用假設來解釋實驗現象)。為了讓學生能像科學家一樣進行科學發(fā)現，筆者將溯因模型應用于本部分內容的教學中，其簡要過程如下：

3.1 “令人驚異的事情” 在1910年摩爾根用他偶然發(fā)現的一只白眼雄果蠅與紅眼雌果蠅交配，結果F1都是紅眼。在F1的雌雄果蠅互交得到的F2中，白眼果蠅與紅眼果蠅的數目比是3∶1。這一現象完全符合孟德爾的分離定律。令人驚異的是F2的雌果蠅全為紅眼，而雄果蠅中卻有一半是白眼。

3.2 溯因推理 ①這一現象說明果蠅眼色的遺傳與性別相聯系；②研究已證明果蠅的性別是由細胞中的性染色體決定的；③1902年美國細胞學研究生薩頓，通過對減數分裂過程中同源染色體的分離和孟德爾假說中遺傳因子的分離之間的類比，提出了“染色體是遺傳因子的物質載體”的觀點；④如果控制白眼的基因位于性染色上，則可以解釋這一驚異的事情。

3.3 提出假說 假說1： 控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體上沒有它的等位基因；假說2： 控制白眼的基因位于X、 Y染色體的同源區(qū)段上(“控制白眼的基因在Y染色體上，而X染色體上沒有它的等位基因”這種假說不能解釋驚異的事情，故可直接排除)。

3.4 演繹驗證 若假說1是正確的，將F1紅眼雌果蠅(XBXb)與白眼雄果蠅(XbY)測交，則測交后代中的表現型及比例為紅眼雌果蠅∶白眼雌果蠅∶紅眼雄果蠅∶白眼雄果蠅=1∶1∶1∶1；若假說2是正確的，將F1紅眼雌果蠅(XBXb)與白眼雄果蠅(XbYb)測交，則測交后代中的表現型及比例也為紅眼雌果蠅∶白眼雌果蠅∶紅眼雄果蠅∶白眼雄果蠅=1∶1∶1∶1。兩種假說的測交結果一致，故無法得到驗證。

3.5 實踐驗證 在1916年，摩爾根的弟子布里吉斯發(fā)現了X染色體的不分離現象，找到了白眼基因位于X染色體上，而Y染色體上沒有它的等位基因的直接證據(注： 在教學中，如果缺乏還原科學發(fā)現的實驗條件，可用科學發(fā)現史實的相關資料來代替實驗操作。故在本環(huán)節(jié)中，需展示布里吉斯的“果蠅眼色遺傳的初級例外和次級例外”實驗及其后續(xù)驗證過程的相關材料，具體內容在此不再累述)，從而證實了假說1是正確的。

生物學的研究經歷了從現象到本質的發(fā)展過程。將溯因模型應用于生物學教學中，不僅有利于學生習得基本的知識，而且有利于學生領悟生物學家在研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法，養(yǎng)成科學思維的習慣，發(fā)展終身學習的能力。

溯因推理是創(chuàng)造性的推理模式，它以產生新知識、發(fā)現新理論為最終目標。對于生物學學科核心素養(yǎng)而言，溯因推理本身就是科學思維的外延之一，也是提出假設的必經之路，而提出假設是科學探究的重要一環(huán)。因此，在倡導核心素養(yǎng)的今天，將溯因推理應用于生物學教學顯得尤為重要。