科學哲學融入中學生物學教學
——以基因概念的發展為例*

易 琴 謝建平

（西南大學生命科學學院現代生物醫藥研究所 重慶 400715）

生物學是研究生命現象和規律的科學。中學生物學課程不僅要介紹科學領域基礎知識，還具有提高學生生物學核心素養，培養科學思維和創新實踐能力的重大使命。

科學哲學（philosophy of science）是通過研究科學理論和活動，探究科學本質，理清科學邏輯結構，獲得科學知識和經驗的科學方法論［1］。它與哲學形而上學、認識論和邏輯學有著密切的關系。將科學哲學融入中學生物學教學，對于把握生物學學科概念、性質和規律具有指導意義。生物科學的研究是從現象到本質。本文系統分析基因概念的發展，融入科學哲學理念，明確科學本質，從而形成對基因概念的科學把握。

1 生物學中的哲學思想

新課程標準明確提出中學生物學課程是以提高學生生物學學科核心素養為宗旨的基礎課程，培養核心素養需要學生掌握科學知識，理解生物科學、生物技術和社會的相互關系。生物學哲學思想對于理解科學概念和認識生命活動規律，有著非常重要的意義。

從病毒到高等哺乳動物，生物體內多種元素組成糖類、蛋白質、核酸等各種化合物，構成了生物的物質基礎。從細胞到個體，乃至生物圈的結構層次說明生命是有實實在在的物質基礎。

生物體中也存在著許多量變到質變的生命活動。例如，致癌物會引起細胞遺傳物質的改變，而癌癥的出現，是癌細胞持續生長并不斷發展，由量變到質變的積累過程。在有絲分裂過程中，分裂間期完成DNA 分子的復制和蛋白質的合成，為分裂期進行活躍的物質準備，量在不斷積累；分裂間期結束后，進入到分裂期，將親代細胞的染色體精確地平均分配到2 個子細胞中，保持遺傳性狀的穩定性，達到質變。

2 基因概念的發展

2.1 工具的基因 孟德爾利用豌豆雜交實驗，解釋了生物遺傳和變異的內在機制。1909年，約翰遜（W.L.Johannsen）給孟德爾的“遺傳因子”起了一個新名字，叫做“基因”（gene）。這一時期的基因，更像一種抽象的符號，不涉及具體的物質概念［2］。科學哲學角度看孟德爾學說若是一種工具主義假設，則基因只是一個決定性狀的符號，沒有明確的遺傳單位。若這一學說具有真實性，基因是可以被測試的［3］。在孟德爾定律之后，基因逐漸有了可被檢驗的科學內涵。

2.2 物質的基因

2.2.1 基因和染色體關系的確立 基因是否具有物理實在性？許多科學家進行了思考。例如，1903年美國遺傳學家薩頓（W.S.Sutton）根據基因和染色體在細胞中存在平行現象，提出了基因與染色體一一對應的假說。從科學哲學角度看，薩頓假說是支持孟德爾理論的一個關鍵輔助假說。

基因概念發展的轉折是摩爾根（T.H.Morgan）通過研究果蠅這一模式生物，提出了遺傳連鎖交換定律，繪制出“染色體圖”，正式建立“染色體遺傳理論”。此時的“基因”代表著一個有機實體，從抽象的符號轉變成了穩定的客觀存在［4］。

在科學哲學中，社會歷史環境是科學研究中不可或缺的影響因素。摩爾根和他的學生斯圖蒂文特（A.H.Sturtevant）、繆勒（H.J.Muller）和布里奇斯（C.B.Bridges）都是“實驗主義者”，他們認為，只有通過實驗驗證的理論才具有意義，這也是科學哲學家公認的觀點。通過分析摩爾根提出的基因概念，發現基因此時代表著遺傳上的物質重組單位。

2.2.2 基因結構的確立 1941年，比德爾（Beadle.G.W）等以紅色鏈孢菌［粗糙脈孢菌（Neurospora crassa）］為研究對象，發現基因控制生物體內反應過程，并提出了一個基因一個酶的觀點；1944年，埃佛里（Avery）通過肺炎雙球菌實驗，表明DNA 是負責轉化的分子，但這一觀點在當時并不受歡迎；1951年，赫爾希（Herskey）和蔡斯（Chase）使用放射性標記技術進行了噬菌體感染實驗，證明了蛋白質不是遺傳物質［5］；1952年，富蘭克林（Franklin）拍攝了DNA 晶體X-射線衍射照片；1952年，查哥夫（Chargaff）發現了DNA 分子中堿基組成的定量關系并命名為Chargaff 法則；1955年，本茲爾（Benzer）提出的順反子（cistron）概念，即結構基因。這些新發現使生物學家又重新理解基因概念。正是在這樣的背景下，沃森（Watson）和克里克（Crick）建立了DNA 雙螺旋模型，揭示出基因是DNA 分子上有遺傳效應的多核苷酸片段。

2.3 當代分子生物學中的基因概念 隨著基因工程技術、DNA 體外重組技術快速發展，人們對基因概念有了更深的認識，發現了調節基因、斷裂基因、重疊基因、印記基因、跳躍基因和假基因（表1）等。

2.4 基因組計劃后的基因概念 2003年4月14日，人類基因組計劃（human genome project，HGP）完成了人基因組的序列測定。在人類基因組時代，基因結構正常的核苷酸序列稱為開放閱讀框（open reading frame，ORF），ORF 可以編碼完整多肽鏈，無終止密碼子阻斷翻譯。在一定程度上，這時的基因意味著基因組中的ORF。

國際人類基因組單體型圖計劃（The International HapMap Project）是繼人類基因組計劃之后的又一個重大研究計劃。HapMap 計劃發起于2002年，建立了人類全基因組遺傳多態圖譜［9］，根據這張圖譜可以更加深入研究基因組結構特點。此時的基因可以根據單核苷酸多態性進行基因分型。在2003年9月又啟動了ENCODE（encyclopedia ofDNA elements，DNA 元件百科全書），ENCODE 項目改變了人類對基因的看法，曾經的“垃圾基因”并非真正的垃圾［10］。基因既可以編碼蛋白質，也可以是為RNA 提供轉錄模板的DNA 片段。

表1 基因概念發展［6-8］

2.5 基因表達中的組蛋白修飾 基因表達受多種因素調控，其中組蛋白甲基化是目前最為穩定的修飾，它通過改變自身性質影響基因表達過程。此外它的N 末端還可發生乙酰化、泛素化、磷酸化、ADP 核糖基化等多種修飾，對染色質結構的維持具有重要作用；與DNA 損傷修復和DNA 復制等基因表達調控密切相關［11］。

從最初表示抽象的符號、代表基因組中的一段DNA 序列，到最后基因表達中的組蛋白修飾，人們對基因的結構和功能了解得越來越多，基因逐漸成為遺傳學中的一個重要詞匯。

3 中學生物學教材關于基因概念的介紹及不足

我國現行有5 種版本的高中生物學教材，本文以人民教育出版社出版的《普通高中課程標準實驗教科書·生物》（簡稱人教版）為例，解析教材中基因概念相關知識，以期更好地促進中學生物學遺傳學內容教學。

人教版必修2《遺傳與進化》以遺傳的物質基礎—遺傳的基本規律—伴性遺傳—生物的變異—人類遺傳病與優生—現代生物進化理論簡介為主線。該主線按照先物質、后規律的順序展開，屬于知識邏輯體系的范疇。教材開篇即提及了150年前孟德爾以豌豆為材料，推理發現了遺傳學的兩大基本遺傳規律：“基因分離定律”和“自由組合定律”，并提出了“遺傳因子”的概念。約翰遜用“基因”一詞替代了孟德爾的“遺傳因子”。這是關于基因概念最初的介紹，還處于工具的基因。之后教材相關內容為基因在染色體上，薩頓的假說和摩爾根的果蠅雜交實驗，認識到了基因與染色體行為存在著明顯的平行關系，提出染色體是基因的載體。接著再到J.D.Watson 和F.Crick 構建DNA雙螺旋結構模型，確定了基因的化學本質是具有遺傳效應的DNA 片段［4］，更新了基因的概念。

在教材的第5 章第3 節“人類遺傳病”中，以資料搜集和分析鏈接的形式介紹了人類基因組計劃及其影響。至此，基因概念介紹完畢。從基因概念的發展和以上中學生物學教材對比分析，教材中關于基因概念的介紹重點放在了孟德爾的遺傳發現和研究以闡述遺傳的基本規律，以及講述減數分裂和受精過程中細胞結構的動態變化從而揭示遺傳的細胞基礎，對于DNA 序列的基因概念及人類基因組計劃介紹較少。

4 中學生物學中基因概念教學的思考

4.1 重邏輯，調順序 《遺傳與進化》是中學生物學現代遺傳學理論體系的反映，對學生理解生命的延續和發展有重要意義。但學生要將不可見、不可及的染色體行為變化，與生物的性狀遺傳相結合較為困難。透過科學哲學觀，在遵循先物質、后規律的順序基礎之上，針對學生的理解情況，可調整部分授課內容的先后順序，使邏輯結構更加清晰。例如，教材中減數分裂和受精作用為第2 章的內容，孟德爾豌豆雜交實驗則是開篇第1 章，在實際教學中，教師可將二者順序對調。通過先學習減數分裂和受精作用，使學生全面認識細胞分裂的種類、實質和意義，奠定細胞學基礎后再學習孟德爾“遺傳因子”的提出，再到基因在染色體上等基因概念內容的連貫學習，有助于學生構建知識的完整性，以及降低學生理解基因概念等遺傳學知識難度的梯度。減數分裂與之前學習的有絲分裂密切相關，是一種特殊方式的有絲分裂，以這樣的邏輯順序開啟對《遺傳與進化》的學習，更有益于學生對知識的過渡和理解，促進教學。

4.2 重本質，轉概念 在生物科學領域有大量的科學概念，而學生在接受正規的科學教育之前就已經形成了自己的一種概念，這是學生對客觀世界的樸素概念。其中有些完全與科學概念相悖，尤其以遺傳學內容最為突出。這就需要教師及時消除學生的相異構想，構建科學概念。

“基因是有遺傳效應的DNA 片段”這一內容授課結束后，關于“DNA 或基因的化學本質是什么？”學生仍然混為一談，不能對其進行區分。教師應強調基因是帶有遺傳訊息的DNA 片段，而DNA 是一種雙鏈分子，始終具有生物學教學中真實的物理結構。明確科學概念的本質，也是科學哲學中重要研究內容之一。

教材基因工程章節內容涉及到討論轉基因生物和轉基因食品的安全性問題。其中主要有2 種觀點，一是轉基因食品不安全，要嚴格控制；二是轉基因食品是安全的，應大范圍推廣。絕大多數學生出于對轉基因技術的擔憂，希望科學家能證明轉基因“絕對”安全。在學生的日常概念中，轉基因食品抗蟲害，既然蟲子食用后會導致死亡，人也不應該食用。這就需要教師引導學生通過真正理性的討論把轉基因問題講清楚，批準后上市的轉基因食品是經過安全性實驗的，是可以接受的［12］。馬克思主義哲學表示，人們對事物的認識具有相對真理性，是對事物相對正確的反映。所以，人們今天對轉基因的認識也具有相對真理性。

總之，對于基因概念的發展和定義需要不斷提出問題并解決問題。從科學哲學角度，運用科學認識論與方法論，通過調整教學的有效實施，以及引導學生對概念轉變的過程，可以訓練學生的科學思維，在較好理解生物學概念的基礎上形成生命觀念。