HPS教育視角下假說－演繹法的教學

摘要：以摩爾根果蠅雜交實驗為例，運用真實的科學發現歷程為載體，在HPS教育視角下開展假說演繹法的教學，將HPS教育理念融入生物學課堂，旨在幫助學生系統領悟假說演繹法的一般過程，培養假說演繹法的科學思維和求真務實的科學精神，促進學生對科學本質的理解，從而落實發展生物學學科核心素養的要求。

關鍵詞：假說-演繹法；摩爾根；HPS教育；科學本質

文章編號：1003-7586（2024）02-0039-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

假說－演繹法是現代科學研究中常用的一種科學方法，指在觀察和分析已有實驗現象的基礎上，提出合理的問題，通過想象和推理提出解釋問題的假說，再以假說作為解釋性原理，推演出某種特殊的推斷，最后通過實驗檢驗推斷的正確性。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中要求，學生應該在學習過程中逐步發展科學思維，如能夠基于生物學事實和證據運用演繹與推理等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。同時，假說－演繹法在人教版《普通高中教科書生物學必修2遺傳與進化》的學習中也是一個重點，被單獨呈現在“科學方法”欄目中。教師在高中生物學課堂中有效地開展假說－演繹法的教學，不僅能夠培養學生運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力，還有助于充分落實生物學學科核心素養的要求。

1假說－演繹法的教學中融入HPS教育理念的重要性與必要性

HPS教育是以建構主義為指導思想，要求把科學史、科學哲學和科學社會學（History，Plulosophy and Sociology of Science，縮寫為HPS）的有關內容引入中小學科學教育，以期促進學生對科學本質的理解的一種新型科學教育觀念；是國家實施素質教育，保證提高受教育者核心素養的一條有效途徑。HPS教育的重點不在于要求學生掌握具體的科學知識，而是要將科學學習放在廣闊的社會文化背景中，親歷科學發現過程，實現科學教育與人文教育的融合，旨在幫助學生深刻理解科學本質。假說演繹法是一個從特殊到一般，再到特殊的演繹求證過程，蘊含許多科學教育和人文教育元素。一方面，假說演繹法本身就是一個重要的科學研究方法，用以探索未知世界，可在一定程度上說明“科學具有實證性、預見性”“科學是一個暫時、發展的過程”“科學受科學家文化背景影響”等科學本質觀，可用來幫助學生進行科學本質觀的學習；另一方面，學習科學方法不能用灌輸、堆砌等方式，可借助HPS教育理念，即借助真實的科學發現過程，將假說演繹法的學習放在廣闊的社會文化背景下，以科學發現歷程作為學習假說－演繹法的載體，提高學生學習生物科學的興趣，從而引導學生認同學習科學方法的重要性，更好地領悟科學本質觀與假說演繹法的真諦。

2摩爾根果蠅雜交實驗的教學案例

2.1呈現歷史素材，鋪墊研究背景

資料一 1903年，美國遺傳學家薩頓根據對蝗蟲精子和卵細胞形成過程的研究，發現孟德爾假設的遺傳因子與減數分裂中染色體的行為具有平行性，于是他推斷：遺傳因子是由染色體攜帶著從親代傳遞給下—代的，也就是說，基因就在染色體上。

資料二 美國生物學家摩爾根反對孟德爾的遺傳學說，而且挖苦孟德爾通過對數字進行分析推理后提出理論的方法學，稱之為“高級雜耍”。摩爾根曾用腹部顏色不同的小鼠雜交，結果子代呈現雙親性狀混合的特征，與孟德爾的遺傳理論相悖，由此懷疑孟德爾遺傳理論的適用范圍，且認為薩頓的基因位于染色體上的假說無實驗論證，此假說并不可靠。于是，摩爾根抱著這些懷疑開始了建立染色體遺傳學說的研究征程。

教師呈現上述兩則科學史資料，鋪墊摩爾根時代的科學背景和社會環境，使學生體會同時代不同科學家的觀點碰撞過程，引導學生分析摩爾根開展果蠅雜交實驗的原因、目的，不僅可更好地過渡到下一步的教學環節，而且讓學生明白一種假說的成立需要實驗的證據來支撐，經過實驗論證的設想才具有說服力，有助于培養學生實證的科學思維和敢于質疑的科學精神，從而幫助學生正確理解“科學具有實證性”的科學本質觀。

2.2提出問題：紅眼果蠅與白眼果蠅的雜交實驗

在科學研究的過程中，問題的提出是至關重要的。通過觀察和分析已知的實驗現象或科學事實，發現實驗現象與現有理論不相匹配而產生疑問，這樣產生的疑問可能有多個，但并不是所有的問題都值得研究，不排除有特殊例子的出現，因此應當抓住研究過程中的關鍵點，提出具有進一步研究價值的問題。

資料三 1910年，摩爾根潛心研究果蠅的遺傳行為，一天，偶然在一群紅眼果蠅中發現一只白跟雄果蠅。他用這只白眼雄果蠅與野生紅眼果蠅雜交，后代出現1237只紅眼果蠅和3只白眼果蠅，接著用子一代紅眼雌、雄果蠅進行交配，子二代出現2459只紅眼雌果蠅、1011只紅眼雄果蠅和782只白眼雄果蠅。

教師呈現資料三，首先引導學生觀察和分析摩爾根果蠅雜交實驗的結果，不難找出與盂德爾遺傳定律“不相匹配”的實驗現象：第一，F1中自眼性狀沒有隱而未現；第二，F2中紅眼與白眼的數量比不是3：1，白眼果蠅數量較少；第三，白眼性狀只在雄性中出現。接著，教師適當提示雜交過程中果蠅發生變異的可能性以及白眼果蠅的成活率較紅眼低的事實，引發學生討論，判斷以上三種現象在當下的研究中是否具有繼續下去的價值，哪些問題是可以排除的，哪些問題是可以再深入研究下去的。在討論的過程中一一排除實驗中出現的特殊情況，找準研究要點，從而使學生明白科學研究中時常會有例外現象，要學會抓住研究過程中的關鍵點。最后，學生結合科學史料了解摩爾根最初的實驗目的（摩爾根認為基因位于染色體上的假說無實驗論證，假說不可靠），更容易設身處地地站在摩爾根的思維角度上思考問題，從而將學生的觀念與科學家的觀念相互交融，進行跨越時空的對話，體驗科學家的思維方式。

因此，排除變異、白眼果蠅成活率低等因素，F1可看作全是紅眼后代，說明紅眼對白眼是顯性；F2中紅眼與白眼的數量比是3：1，這些表現都符合盂德爾分離定律。不同的是白眼性狀只在雄性中出現，最后得出第一、二種現象是特殊情況，不具有研究價值，從而初步提出問題——如何解釋白眼性狀只在雄性中出現的“異常”現象？

資料四 摩爾根用F1紅眼雌蠅與最初的那只白眼雄果蠅進行回交，后代出現129只紅眼雌果蠅，132只紅眼雄果蠅，88只白眼雌果蠅，86只白眼雄果蠅。

教師呈現資料四，引導學生分析后代數量比，1：1：1：1是典型的孟德爾測交比，但是回交后代中雌雄果蠅均有紅眼和白眼，表明白眼性狀能夠通過適當的雜交傳遞給雌性，又該如何解釋這一現象呢？因此，最終確定需研究的問題——如何解釋白眼性狀能夠通過適當的雜交傳遞給雌性的現象？

2.3作出假設：對白眼性狀與性別相關聯的解釋

在觀察和分析的基礎上提出問題后，通過想象和推理提出假說，體現了假說演繹法從特殊到一般的特性。假說不是毫無根據的盲目猜測，它以一定的科學事實為根據，不僅能夠合理解釋已知的實驗現象或科學事實，而且依據假說可以預測未知的科學事實，這也是一個演繹推理的過程。

資料五 威爾遜觀察一種花十字長蝽蟓的染色體排列方式，發現這種昆蟲的兩種性別的細胞所存在的染色體數目是相同的，但有些與X染色體配對的染色體明顯較小，稱之為Y染色體，由帶Y染色體的精子受精的卵產生雄蟲，每個雄性子代從其母得到X染色體，從其父得到Y染色體。遺傳學家們將這種由性染色體X和Y的差異決定性別的機制稱為XY機制，經許多實驗證明，果蠅的性別就是由XY型決定。

教師呈現染色體決定性別理論的背景資料，引導學生比較XY染色體遺傳機制與果蠅眼色遺傳方式，不難發現白眼的遺傳與X染色體的遺傳相似，且與性別相關聯。因此，教師可鼓勵學生大膽去想象和推理，發散思維，嘗試提出可以解釋雜交、回交實驗現象的假設：控制白眼的基因在X染色體上。接著，教師依據假設所述寫出雜交、回交實驗的遺傳圖解（見圖1、圖2），發現此假設確實可以合理解釋摩爾根果蠅實驗出現的“異常”現象，使學生明白假設不是毫無根據的盲目猜測，它以一定的科學事實為根據，且可以解釋已有實驗現象的假設才具有繼續推敲的價值。

提出上述假設后，教師可讓學生猜想摩爾根當時提出的設想是否跟自己的一致。

資料六 1905年，威爾遜和他的同事們研究了幾種不同的昆蟲，觀察到蛛緣蝽屬昆蟲的兩種性別的生殖細胞中含有不同數目的染色體，未經減數分裂的雄性精原細胞攜帶13個染色體，雌性卵原細胞攜帶14個染色體，且發現來自同一個體的精子有些攜帶6個染色體，另外一些卻有7個染色體，而卵細胞都有7個染色體，由帶6個染色體的精子受精的卵發育成雄蟲，而由帶7個染色體的精子受精的卵發育成雌蟲。因此，將在有些精子和全部卵細胞中多出的那條染色體稱為“X染色體”，將這種依靠X染色體數目的差異所作的性別決定稱為XO型。同年，史蒂文斯提出甲殼蟲的Y染色體與雄性有關，雄性是XY，雌性是XX，威爾遜很快驗證了史蒂文斯的結論。

通過補充性別決定理論的科學史，學生意識到當時的染色體決定性別理論還不完全成熟，XO與XY性別決定機制各有爭鳴，摩爾根也沒有意識到果蠅細胞中有Y染色體的存在。但是隨著研究的推進，在事實面前，摩爾根很快就采用了孟德爾定律中提到的“因子”“雜合體”等名詞，也沿用了薩頓、史蒂文斯和威爾遜等人對性染色體的理解。他假設白眼雄蠅的精子中含決定白眼的因子（W），并非常謹慎地用X表示性決定因子，一半精子攜帶一個X，另一半缺少X，將決定白跟和紅眼的因子（R）獨立在染色體之外與性決定因子相關，后續也是用WWX、RRXX等方式解釋和驗證果蠅雜交實驗。

因此，學生可從摩爾根的角度出發，考慮時代局限性和當時生物理論研究進程的影響，了解到摩爾根并未作出“控制白眼的基因在X染色體上”的假設。同時，使學生體會到摩爾根在僅有的條件下是如何排除萬難開展研究的，明白時代背景對科學探究的制約性，感受任何科學研究都不是一蹴而就的，反復多次試驗，歷經一番曲折，都是常有的事，幫助學生理解“科學受科學家文化背景影響”的科學本質觀并認同科學是一個暫時、發展的過程，正如摩爾根的想法也隨著研究的推進而逐步改變，從而深化學生對科學本質的認識。

2.4演繹推理：對白眼性狀與性別相關聯解釋的驗證

判斷一種假設是否正確，僅能解釋已有實驗現象是不夠的，必須要能夠推測未知的科學事實，要具有預測性。從提出的假說出發，演繹推理出一系列思維產物，這些思維產物是可以被檢測的具體現象，體現了從一般到特殊的演繹過程，最后可通過實驗驗證預測的實驗現象，從而確認假說的正確與否。相應分析如表1所示。

教師引導學生以假說為中心，發散思維，充分利用現有事實設計實驗，邏輯推導出具體的實驗現象，可引導學生依據已知的雜交組合，將已出現的果蠅基因型進行組合，形成4種未知的雜交組合：XwXw／xwxW紅眼（♀）×XwY白眼（♂），XwXw白眼（♀）×XwY紅眼（♂），XwXw白眼（♀）×XwY白眼（♂）。據此推理并設計出這三組實驗，并預測實驗結果，使學生在感受科學探究過程中，既能運用假說解釋已知實驗現象，又可演繹未知實驗，以佐證假說正確性，從而培養學生假說演繹的科學思維，真正領悟假說演繹法的真諦。

2.5假說成立：基因位于染色體上

通過演繹預測的實驗結果是否正確呢？這還需通過實際的實驗進一步驗證。根據上述演繹推理情況，設計并實施相應的實驗，但是這些實驗都不適合在課堂上重演，因而教師可通過呈現摩爾根實驗的資料，讓學生分析摩爾根通過一系列實驗得到的結果與我們的預測是否一致來驗證結果，如果真實的實驗結果確實與假說預測的結果相符，則證實假說成立；如果不相符，則要對假說進行相應的修正。

資料摩爾根將紅眼雌果蠅與白眼雄果蠅進行交配，半數紅眼雌果蠅的后代比例為1：1：1：1，另外半數的后代全為紅眼；白眼雌果蠅和紅眼雄果蠅進行雜交，后代紅眼雌果蠅與白眼雄果蠅的比例是1：1；白眼雌果蠅和白眼雄果蠅進行交配，后代全是白眼，且雌雄各半。

教師通過補充摩爾根三個驗證實驗的科學史資料，讓學生體會摩爾根實驗的完整性和嚴謹性，并引導學生對比摩爾根實驗結果與自己所預期的實驗結果是否相符，發現真實的實驗數據與預期的結果完全一致。因此，控制白眼的基因在X染色體上的假說成立。通過簡單的對比，學生不僅可得出答案，更能將重點放在假說成立的關鍵條件上，假說預測的實驗結果須經過真實的實驗驗證，從而幫助學生系統領悟假說演繹法。教學框架如圖3所示。

3總結

相較于傳統的假說演繹法的教學，在HPS教育視角下開展的假說一演繹法的教學注重科學證據的提供與科學思維的引導，使學生在歷經真實的科學發現歷程中領悟假說演繹過程的嚴謹與縝密，體會科學家們卓爾不群的品質與精神。學生的學習是從大量已知的科學事實開始，但是教育應當給予他們比單純掌握已有知識更多的東西。如，面向未來的態度，以及做好準備探求未知領域的創新精神。融入HPS教育的假說－演繹法教學有助于實現這樣的培養目標。