运用“假说—演绎法”提高高中生的生物科学素养

潘岳

19世纪之前，科学家对生物科学的研究，往往习惯于从生物现象和实验结果中提出某一结论或某种学说，这就是传统的归纳法。因此，在传统的生物教学中，对“假说—演绎法”没作过明确要求。随着教育的不断深入发展，《普通高中生物课程标准》提出了新的要求，其明确指出，“假说—演绎法”是高中学生必须掌握的科学方法之一，对于提高高中学生的生物科学素养至关重要。下面我就对“假说—演绎法”在教学中的应用谈谈心得和体会。

一、对“假说—演绎法”的基本认识

在人类的发展史中，许多科学的结论都是运用“假说—演绎法”发现的。例如：牛顿创立光的颜色理论过程、凯库勒提出苯分子的环状结构、爱因斯坦相对论的提出和验证过程，这些无不体现“假说—演绎法”在科学研究中的重要性。

假说是人们以一定的经验材料和已知的科学事实为依据，以已有的科学推论和技术为指导，对未知的自然现象或事物产生的原因而作出的推测性解释。

演绎是由前提必然得出结论的推理，或是从一些假设的命题出发，运用逻辑规则，导出另一命题的过程。也就是从普遍性的理论知识出发，认识个别的、特殊的现象的一种逻辑推理方法。

所谓“假说—演绎法”，是指在观察和分析的基础上提出针对性问题后，通过严谨的推理提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，最后通过实验检验演绎推理得到预期的结果。如果实验结果与预期结果一致，则假说成立；反之，假说不成立。

“假说—演绎法”的一般步骤为：发现问题→提出假说→演绎推理→预期结果→实验结果与预期结果是否吻合→得出结论。

二、高中生物课本中“假说—演绎法”典型课例

在《遗传与进化》模块中，关于“假说—演绎法”的相关素材较多，这些内容主要集中于模块二的第1到第4章，如基因与染色体关系的探究历程，DNA分子的结构、复制方式及中心法则的提出与证实，遗传密码的破译。“假说—演绎法”的最典型教学素材，莫过于孟德尔杂交实验中豌豆的一对相对性状的杂交实验。下面以此为例，谈谈如何运用“假说—演绎法”提高学生的生物科学素养。

1.观察实验，发现问题。

以孟德尔一对相对性状高茎和矮茎为研究对象，展示孟德尔的杂交实验过程图，由学生依图讲解实验操作流程。在此过程中，学生时不时地会用到生物学的一些基本术语，如杂交中的正交、反交，生物学基本概念，如自交，以及豌豆雌雄同花植物如何进行异花授粉。这些实验操作表述，无形中激发了学生的好奇心，有利于培养学生的语言表达能力和理解能力。在教师的引导思考下，学生会对该图解提出各种各样的疑问，如“为什么亲本无论正交还是反交，后代都表现为高茎呢？矮茎性状就消失没有了吗？”“为什么子二代中又出现了矮茎？”这些问题的提出，有利于培养学生的问题意识，给予学生发散思维、启用已有知识的空间，有利于学生理解孟德尔的科学研究方法。

在学生的质疑声中，教师提醒学生，不能停留在实验现象的观察和描述上，对数据进行处理是否会有新的发现？在老师的启发下，学生尝试分析子二代中高茎787株，矮茎277株，两者的数据比值为2.84倍，单独看该数据没什么特别之处，当我们把豌豆的其他6对相对性状的杂交实验数据一起投影时，原本沉寂的学生一下子豁然开朗，课堂气氛活跃起来，子二代的性状分离比都约为3∶1，这一结果引发了学生新的疑问，为什么会出现这种现象呢？该如何解释呢？

在以上引领学生观察并分析孟德尔一对豌豆杂交的实验中，学生从中发现问题到最后提出问题，离不开数学统计的科学方法和坚持不懈地追求科学真谛的执著精神。

2.根据问题，作出假说。

围绕发现的问题，给一定时间让学生进行讨论，提出各种可能的假说，在教师的引导下，保留部分较合理的假说，其中具有代表性的黑板上加以保留，如“生物的性状是由基因决定的，显性性状由显性基因控制（用大写的字母表示，如D），隐性性状由隐性基因控制（用小写的字母表示，如d）”。当学生用自己的假说解释豌豆高茎和矮茎的杂交实验时，会面临新的难题，如个体的基因型该如何表示，其产生的配子中的基因又该如何表示等一系列的问题。在这些新的问题串中，要求学生不断提出新的假说，才能解释这对相对性状的杂交实验中出现的现象。在老师的引导下，学生对假设进行了必要的补充：“豌豆体细胞中的基因是成对存在的，因此纯合的高茎表示为DD，纯合的矮茎表示为dd。”“在形成配子时，成对的基因又是彼此分开的，故配子所含的基因要么是D，要么是d。”“在受精时，雌雄配了结合又是随机的，D的雄配子可以与D的雌配子相结合，也可也d的雌配子相结合。”在这些增设的假说基础上，就能完整地解释孟德尔的杂交实验现象了。

提出假说这一环节，要求学生有足够的睿智，敢于大胆猜想、质疑，敢于冲破传统观念，敢于创新，这与培养学生的科学素养息息相关。当学生用提出的假说圆满地解释豌豆杂交实验时，学生会异常兴奋，由此而倍感喜悦。

3.演绎推理，求证假说。

在学生享受成功的快乐时，老师不忘提出新的问题：“虽然假说很完美，但作为一条科学结论，还为时太早，如何才能证明你的假说是对的呢？”在当今生物科技发达的年代，学生首先想到的是能否用现代仪器设置（如显微镜）直接观察染色体，甚至其上的基因，只要能看到体细胞中基因成对存在和配子中基因成单存在，就能直接证实假说的成立。这种逻辑思维未尝不可，这就是《遗传与进化》模块为什么要将“基因和染色体的关系”章节放在“遗传因子的发现”章节后面的真正意图，目的是排除学生用现代科技手段，包括分子生物学的手段直接定位基因的位置所在。更何况，基因在显微镜下是无法直接区分出来的，这给直接证明带来了困难。这时，就得借助于逻辑推断的力量，利用“假说—演绎”等逻辑推断的思路间接证明可观察的现象，最终将假设肯定化。因此，“假说—演绎法”不愧为间接证明的好办法。

演绎推理假说的成立，要抓住问题的核心和假说的要点，在老师参与学生讨论、引导学生拓展思维空间的同时，不忘提醒学生：“能否用该假说来推测其他实验结果，如果实际操作结果与你的预测完全吻合，则说明我们的假说成立，反之则不成立。”学生在教师的启发下，开始进入新一轮的探究，寻求支撑假说的实验方案，尝试各种豌豆最佳的交配类型，如DD与DD自交方案、dd与dd自交方案、Dd与Dd自交方案、DD与dd杂交方案、Dd与dd测交方案。在学生激烈讨论的同时，教师要随时把问题聚集在证明假说的核心上，孟德尔演绎推理的要点，其实就是要证明子一代的基因型是否为Dd，本质就是测交，所有纯合子的自交，后代都是纯合子，豌豆在自然界中自身的现象，无法证明假说的合理；而杂合子（Dd）的自交，本身就是假说产生的实验基础，不能用自身产生的推断证明自身的对错。因此，对最佳的实验方案（测交方案）进行演绎推理：子一代的基因型如果为Dd，则产生的配子D和d的比为1：1，dd产生的配子就一种d，雌雄配结合又是随机结合的，因此产生的后代性状分离比为1高：1矮。如果推理成立，则实际操作结果与推理相吻合。

4.操作实验，得出结论。

限于时间，课堂教学无法直接进行豌豆的种植实验，我们展示了孟德尔的测交实验结果，统计得到64株后代中，有30株为高茎，34株为矮茎，两者的性状分离比接近于1 ∶ 1。因此，结果与预测完全符合，从而验证了假说的成立，最终得出了结论。

通过一对相对性状的研究学习，学生深刻领会到孟德尔超乎常人的思维方式和独特的数据处理方法。即使我们提出的假说不是那么完整，即使提到孟德尔提到的一项，我们都会感到无比欣慰，因为孟德尔的成功是他8年锲而不舍追求的结果，我们只用了几节课的时间，就领会到了“假说—演绎法”的精髓。它的真正好处在于促进了学生感悟创新科学研究的方法，培养了学生探究生物科学的能力，激励了学生勇于探索、热爱科学、大胆创新、锲而不舍的精神。

三、“假说—演绎法”对学生能力的终身意义

通过以上典例，不难看出“假说—演绎法”不是传统的灌输、堆砌等教育方式，而是形成和构建科学理论的一种重要思维方法。在每年的高考考纲中，对此也有明确要求：“能运用假说演绎法等科学方法解决基本的生物学问题。”因此，其在近几年各省的生物高考卷中都有具体体现。对于学生来说，一门课程学完，知识可能随着时间的推移而逐渐淡忘，但科学研究方法一定会深入脑海，内化为一个人真正的科学素养，对学生来说，这才是终身受用的财富。