孟德爾遺傳實驗蘊含的科學思維

周憶堂

摘 要：孟德爾遺傳實驗研究蘊含了豐富的科學思維.對其進行深入剖析，引領學生感悟蘊含其中的批判性和創新思維、邏輯推理方法及建模思想，是培養學生學科核心素養的有效途徑.

關鍵詞：歸納概括;批判創新;演繹推理;建模

著名分子遺傳學家雅各布（F. Jacob）曾經說過，“通過孟德爾，生物學現象突然需要了數學的嚴密性，一個完整的內部邏輯通過方法論、統計學的處理和符號的標記加給了遺傳學”[1].孟德爾的遺傳實驗給遺傳學的研究提供了嚴密的實驗思路和科學的實驗方法，可作為培養學生科學思維的良好素材.由于大多數中學教師沒有從事過深入的科學研究，對科學研究的方法缺乏足夠的理解和深刻的體驗，教師在教學過程中常常是按照教材上“概念—原理—應用”的順序將豌豆雜交實驗連同兩大遺傳規律都作為現成的知識結論傳授給學生，很少從科學觀、方法論等多方面進行挖掘.在這種情況下，深入剖析孟德爾實驗研究的過程，引領學生感悟蘊含其中的科學思維，是培養學生學科核心素養的有效途徑.

1 歸納與概況

在遺傳學史上，自從1760年可爾羅伊特（J.G.Koelreuter）第一次仔細地進行植物（煙草）雜交試驗后，格特納（C.F. von Gaertner）等許多學者都相繼做了此類工作.但是很長時間以來，他們習慣于把生物遺傳現象從整體（整株植株）出發籠統地進行考察，并研究雜種和親本間、雜種相互間的全部特征和結構.由于研究對象過于復雜，加之受早期“融合遺傳”等傳統遺傳學思想的影響，得出的結論也只能是一些籠統的概念，未能得出關于遺傳學的規律性認識.孟德爾選擇豌豆做雜交試驗，選擇了七對有明顯區分的性狀（即質量性狀）進行觀察統計.這樣，他把簡單的特征從整個個體中獨立出來.孟德爾在單個性狀的遺傳試驗中計算出，顯性性狀出現的頻率是3/4，再把全部的試驗結果綜合起來，求出“具有顯性性狀和隱性性狀的類型的數目之間，有一個3比1的比例”.這種將個別的、特殊的性狀作單獨考察，最終上升到一般規律性的認識，實際上就是一種歸納法.歸納法有它的局限性，但孟德爾做了大量的正反交試驗，充分分析試驗所得的材料和數據.此外，他還竭力主張對多種植物進行試驗，盡量避免由于選材的特殊而得到片面的結論.

2 批判與創新

從上述規律性現象（3∶ 1分離比）到其深層的本質機理（遺傳因子分離）的探索，需要認識主體發揮批判與創新思維，透過自然現象，洞察其本質，揭示其真諦.恩斯特·邁爾曾說過，“也許生物學中沒有別的領域在其發展中否定錯誤觀點和信條比在遺傳學中更重要”[2].從開始的“活力論”，到“融合遺傳”，再到“顆粒遺傳”，遺傳學理論在批判與創新中不斷發展完善.孟德爾生活的時代正值“顆粒遺傳學說”盛行，早期主張是：在每個細胞中對應于某一單位性狀存在著無數完全相同的決定因子，每一決定因子的許多復制物可能同時傳給生殖細胞，即：多重顆粒觀點.如果情況如此，雜交就不會出現一貫不變的比值.這一假定使明確透明的遺傳學說的建立和發展幾乎成為不可能.孟德爾另辟蹊徑，從批判性思維和創新思維的視角出發，結合豌豆雜交實驗結果，對這種“多重顆粒觀點”大膽提出質疑，做出“單個微粒”假說：生物性狀由遺傳因子決定，遺傳因子呈顆粒狀，在體細胞內成雙存在，生殖細胞內成單存在;雜交后，顆粒仍保持獨立;在雜種產生配子時，不同的遺傳因子仍各自分離開來，并被分配到不同的配子里，完整地傳遞給下一代.這一思想，既有力否定了“融合遺傳”的傳統思想，又批判發展了“顆粒遺傳”觀點.孟德爾運用這種批判性、創新性的科學思維模式，對現象背后的機理做出大膽、合乎邏輯的假設，對他的前輩們只是模模糊糊感到的東西提出了明確的解釋，為遺傳學理論的發展和完善奠定了重要基石.

3 演繹與推理

孟德爾時代，細胞學說剛起步，還不可能通過顯微觀察、基因定位等技術手段來直接驗證遺傳因子分離的假說.所以，人們沒法問：假說是否真實？而只能問：假說是否能為其它問題提供符合事實的解釋？這就是演繹推理.如果假說能從邏輯上演繹出相關事實，那么該假說是成立的.常見的演繹推理有三段論、假言推理、聯言推理等.假言推理是指有一個前提為假言判斷，通過另一個前提對假言前提的“前件”或“后件”的斷定推出結論的演繹推理，常用于科學假說的驗證過程.孟德爾通過測交試驗，對假說進行了驗證，其推理過程如下：

[前提1] 如果F1能產生2種不同類型的配子，并且數量相等（前件），那么用F1和隱性親本雜交，子代應該出現2種性狀，且分離比是1∶ 1（后件）.[假言判斷]

[前提2] F1和隱性親本雜交，子代出現2種性狀且分離比是1∶ 1.[實驗事實]

[結論] F1能產生2種不同類型的配子，并且數目相等.

4 模型與建模

認知心理學家認為，表象更適合思維活動的進行.模型屬于表象.孟德爾在研究過程中引入了符號模型，將試驗的結果用符號和簡單的公式表示.如用“A”代表顯性性狀，“a”代表隱性性狀，“Aa”代表雜種類型，則“A+2Aa+a”即表示具有兩個可區分性狀的雜種所產生后代的展開系列.通過建模找到遺傳因子和性狀間的關系，依據模型進行推導、分析，做出預測.在此基礎上，孟德爾進一步用了數學模型.在對單個性狀分析時，孟德爾通過歸納，建立數學模型，并指出，“假定每一代中每一株植株只提供4個種子，則在n代中，A∶ 2Aa∶ a等于（2n-1）∶ 2∶ （2n-1）（見表1）.在分析同時具有多對可區分性狀的后代時，孟德爾設以n代表可區分性狀的數目，則3n就代表組合系列的項數，4n為屬于這系列的個數，而2n就代表保持穩定的組合數[3].正是在這一系列工作的基礎上，孟德爾總結了關于雜種性狀（3∶ 1）n的遺傳規律.

綜上所述，孟德爾遺傳實驗蘊含了豐富的科學思維.從結果的分析、問題的提出到假設的形成與驗證，孟德爾充分發揮批判、創新思維，巧妙利用邏輯推理方法，合理運用建模思想，方才取得如此偉大的科學成就.教師在教學中，引領學生感悟孟德爾遺傳研究中所蘊含的科學思維，有助于學生學科核心素養的培養與發展.

參考文獻：

[1]李難. 孟德爾學說在科學方法論上的貢獻[J].哲學研究，1985（03）：51-57.

[2][美] 恩斯特·邁爾.生物學思想發展的歷史[M].成都：四川教育出版社，2010.

[3][奧地利] 孟德爾等.遺傳學經典文選[M].北京：北京大學出版社，2012.

（收稿日期：2019-11-16）