例谈选言推理在高中生物教学中的应用

朱满员

摘 要 将选言推理应用于科学史教学、实验教学及概念教学中，不仅能极大提升学科教学的逻辑性，还能培养学生严谨的分析能力与理性的思维习惯。

关键词 选言推理 生物教学 实验设计 酶专一性

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

2014年4月，教育部颁布的《关于全面深化课程改革，落实立德树人根本任务的意见》（以下简称《意见》）明确提出发展学生的核心素养是育人的重要目标。生物学科核心素养则是由四个要素组成：生命观念、理性思维、科学探究、社会责任。其中“理性思维”是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。科学的思维方法包括归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法。选言推理就属于演绎推理中的一种，在日常生活中常有接触，所以，让学生掌握选言推理的原理与方法，也是响应《意见》的育人要求。

1 选言推理的定义

选言推理是根据选言命题的逻辑性质而进行的推理，可分为相容选言推理和不相容选言推理两种。现有2个选言支，常用p和q来表示，相容选言推理只有一个正确的形式，即否定肯定式：p或者q（大前提），非p（小前提），所以，q（结论）。而不相容选言推理有两个正确的形式：①否定肯定式：要么p，要么q（大前提），非p（小前提），所以，q（结论）。②肯定否定式：要么p，要么q（大前提），是p（小前提），所以，非q（结论）。

通俗化的解释是：若对某一现象有两种合理的备选解释（选言支），相容选言推理的大前提是这两种备选解释中至少有一种是正确的（相容的），所以否定一个即可肯定另一个——否定肯定式。而不相容选言推理的大前提则是这两种备选解释中只有一种是正确的（不相容），所以否定一个就可以肯定另一个——否定肯定式，或者肯定一个便可以否定另一个——肯定否定式。相容与不相容选言推理共同有效的推理形式是否定肯定式。

2 选言推理的应用

2.1 选言推理在科学史教学中的应用

生物学的科学史就是学科思想史，也是实验探究史，所以在学习科学发现史时，离不开实验。如，证明DNA是遗传物质的肺炎双球菌活体转化实验（实验过程如图1），教材中直接得出推理：在加热杀死的S型菌中，一定有一种物质能把某些R型菌转化为S型菌。此处思维跨度较大。学生总怀疑会有别的可能性。事实上，该结论的得出是利用了选言推理的方法，不过在推理分析之前，需要将所有合理的备选解释一一列出：① R型菌自发突变成S型菌；② S型菌加热杀死不彻底，有部分S型菌仍有活性；③ 加热杀死的S型菌中有一种物质能把R型菌转化为S型菌。同时，还需要利用图1补充说明的是：D组注射到小鼠体内的混合物就是B组中剩余的R型活菌与C组中剩余的S型死菌。有了这些补充与完善，教师就可以帮助学生进行逐项否定：因为D组注射的内容物是B、C组注射物的混合，而B组的小鼠没有死亡的，所以否定了R型菌自发突变成S型菌的可能；同时C组小鼠也全部存活，同样否定了S型菌加热杀死不彻底，有部分S型菌仍有活性的可能；最后只剩下一种可能性，即加热杀死的S型菌中一定有一种物质能把R型菌转化为S型菌。

利用选言推理的否定肯定式的思维方法，学生就非常容易理解肺炎双球菌活体转化实验为何能得出这样的结论，同时也了解了科学家的思维过程。

又如，关于噬菌体浸染细菌实验到底能不能证明蛋白质不是遗传物质的探讨。有一种观点是：该实验只有DNA进入了细菌内，而蛋白质并没有进入大肠杆菌内部，所以只能说明DNA是遗传物质，并不能说明蛋白质不是遗传物质。也就是说，肯定一个并不能否定另一个。这就涉及所用的选言推理的大前提是相容的还是不相容的，即DNA和蛋白质至少有一种是遗传物质，还是只能有一种是遗传物质？如果是前者，固然肯定了DNA是遗传物质，但不能否定蛋白质；但如果是后者，则肯定了DNA是遗传物质的同时，就能否定蛋白质。纵观遗传物质的发现史，从1953年起艾弗里等人开始采用排除法来寻找格里菲斯活体转化实验中的“转化因子”，即通过加入特异性的试剂破坏或去除某类物质，观察转化现象能否正常发生，进而排除或确认其为转化因子的可能性。经过一系列严谨细致的实验，多糖、蛋白质、脂肪和RNA作为转化因子的可能性均被否定。实验最后艾弗里等人加入了DNA酶，转化因子的活性几乎完全消失，且经过多次重复实验，也证明该实验结果真实有效，即引起肺炎双球菌发生转化的物质是DNA。只可惜当时生物学界的主流观点仍然认为遗传物质最可能是蛋白质，只有极少数人意识到DNA可能是遗传物质。在艾弗里转化实验的影响下，1952年美国冷泉港实验室的赫尔希和蔡斯设计了著名的噬菌体侵染细菌实验。所以，该实验是在遗传物质“非蛋白质即DNA”——两选言支不相容的背景下进行的。事实上，该实验本就是根据哪种物质进入细菌体内，并在噬菌体的亲子代间保持连续性来确定其是否为遗传物质的。实验结果表明，进入细菌内部发生作用的是DNA而非蛋白质。所以，噬菌体侵染细菌实验不仅能肯定DNA是遗传物质，同时也能证明蛋白质不是遗传物质，即不相容选言推理中的肯定否定式。

2.2 选言推理在实验教学中的应用

生物实验设计有一个很重要的原则——对照原则，即实验设计一定要有对照。对照能排除掉一些无关变量对实验结果的干扰以增加实验结果的可信度和说服力。按对照的内容和形式的不同，可将对照形式分为4种：空白对照、条件对照、自身前后对照和相互对照。简单的实验设计只涉及一种对照，但复杂的实验中往往涉及多种对照类型。所以学生在实际运用中，较容易理解实验组的设计，但对于对照组的设置就感觉有难度。学生都了解设置对照组，但如何设置对照组，选择哪些类型的对照？他们往往会考虑不周全，漏掉一些必要的对照组。

如证明：顶芽产生生长素运输到侧芽并抑制侧芽生长的实验设计如下：选取健壮、生长状态一致的幼小植株，分为甲、乙、丙、丁4组。甲组植株不做任何处理，其他三组植株均切除顶芽。然后乙组植株切口不做处理；丙组植株切口处放置含有适宜浓度生长素的琼脂块；丁组植株切口处放置不含生长素的琼脂块。而后，将上述4组植株置于相同的適宜条件下培养，观察侧芽的生长情况。此实验设计中，去除顶芽的乙组和去顶芽后补充生长素的丙组作为实验组，甲组作为对照组。学生常会漏掉丁组，他们容易忽略丙组抑制侧芽的因素可能来自琼脂块中的生长素，也可能来自琼脂块本身。所以，就需要排除琼脂块对实验结果的干扰而增加丁组以确保实验结果的可靠性。

又如，已知垂体受到下丘脑和甲状腺分泌激素的共同调节，使生物体内促甲状腺激素（TSH）含量保持相对稳定。为进一步验证下丘脑和甲状腺对垂体TSH分泌量的调节作用，请根据以下提供的实验材料，设计实验并分析。

实验材料：动物细胞培养瓶若干和其他相关的培养和测定仪器、大白鼠的下丘脑细胞悬液和垂体细胞悬液、动物细胞培养液（不含TSH）、甲状腺激素溶液。（要求与说明：细胞培养条件适宜；TSH含量测定的具体方法不作要求）

实验设计思路如下：① 取4个动物细胞培养瓶，标号为A、B、C、D，各加入等量的动物细胞培养液。② A组加入垂体细胞悬液；B组加入垂体细胞悬液+甲状腺激素溶液；C组加入垂体细胞悬液+下丘脑细胞悬液；D组加入下丘脑细胞悬液。③ 将上述4个动物细胞培养瓶放在相同且适宜的条件下，培养一段时间。④ 测定各培养瓶中TSH的含量并记录。对于D组的设计，学生通常觉得没必要，不知为何要设置这一组。如果从选言推理角度来解释D组就顺理成章了，因为从实验结果来看，C组的TSH含量比A组高，但此结果并不能证明下丘脑细胞能促进垂体分泌TSH，因为还存在另一个合理的备选解释，即下丘脑细胞自身产生了TSH导致C组中TSH含量变高。如何否定这个备选解释呢？唯有再增加一组实验以证明下丘脑细胞不会产生TSH，从而才可以肯定是下丘脑细胞促进垂体细胞产生TSH，于是D组就成为必需的条件对照了。

同理，在浙科版选修1“大肠杆菌的培养和分离”实验中，需要倒4个平板划线接种3个板，留1个平板作对照，此对照有些学生也认为没必要。但从选言推理角度而言，平板上长出的菌落有两个来源，即接种上去的和培养基灭菌不严格，由杂菌长成的。否定一个来源，便可以肯定另一个来源。留1个平板不接种，就是为了否定培养基灭菌不彻底而造成的杂菌污染。

在此类实验设计中，教师需引导学生利用选言推理的思想与方法对实验结果的产生多考虑一些可能的备选解释。如果有不止一种合理的备选解释，就需要设置一些对照予以一一否定。这不仅使实验设计更为周全严谨，也培养了学生科学的理性思维习惯。

2.3 选言推理在概念教学中的应用

科学常常是以概念的形式来表达的，概念是在许多事实和证据的基础上，经抽象概括提炼而形成的。可以说概念是用最精炼的语言表达最丰富的内涵。最精练的语言可以写在教材上，而最丰富的内涵却需要教师去挖掘。

如酶的定义：酶是活细胞产生的，具有催化作用的有机物，绝大多数是蛋白质，少数是RNA。回到酶这个简单的宣告式定义，笔者就会引导学生考虑一个看似不是问题的“问题”：是不是所有的活细胞都能产生酶？此问题一提出，学生便开展了热烈讨论，并提出了自己的猜测。首先师生需要让学生达成一个共识：① 所有的活细胞都要进行代谢，细胞中一切化学反应统称为代谢；② 细胞中的化学反应都需要酶的催化。所以所有活细胞都需要酶。教师继续分析：既然所有的活细胞都需要酶，活细胞所需要的酶或自己合成，或从外界摄取（大前提）。但酶是大分子，细胞膜具有选择透性，除非采用胞吞的形式，否则细胞一般不允许大分子进入。而绝大多数细胞不具有胞吞功能，即否定了酶从外界摄取的可能（小前提），于是便肯定了所有的活细胞都能产生酶的推理了。

同样的推理方法还可以应用在验证酶的专一性的实验分析上，现以课堂教学片段来展现选言推理在“酶的专一性”概念教学中的应用。

教师：根据锁钥模型的原理，底物恰好能和酶结合，酶才能发生催化。由于酶分子的形状只适合与一种或是小部分分子结合，所以一种酶只能催化一种底物或少数几种相似底物的反应，这就是酶的专一性。现在老师要通过一个演示实验来验证酶的专一性：现取2个试管，分别编为1号、2号。在1号、2号试管中各加入新鲜唾液1 mL。然后，在1号试管中加入质量分数为1%的淀粉溶液3 mL，在2号试管中加入质量分数为2%的蔗糖溶液3 mL。充分混匀后，放在37℃恒温水浴中保温，15 min后取出。两管再各加本尼迪特试剂2 mL，摇匀，放在沸水浴中煮2～3 min。观察两试管的颜色变化。1号试管出现红黄色沉淀，2号试管为蓝色。

教师：有同学能分析下颜色变化的原因吗？

学生1：1号试管中的淀粉酶将淀粉分解成麦芽糖，而麦芽糖是还原糖，遇本尼迪物试剂热水浴后出现红黄色沉淀。2号试管中淀粉酶不能分解蔗糖，所以没有出现红黄色沉淀。

教师：对，如果2号试管中的蔗糖能被淀粉酶分解也会产生还原糖（葡萄糖与果糖），也就会遇本尼迪特试剂而呈红黄色。事实是2号试管没有相应的颜色变化，说明淀粉酶能催化淀粉却不能催化蔗糖。至此，就能说明酶具有专一性了。

教师：2号试管出现的红黄色只能说明试管中有还原糖，这些还原糖可能是反应产生的；也可能是反应物淀粉具有还原性或是淀粉中混有还原糖； 还可能是加入的唾液中存在还原糖。如何让实验更具说服力呢？

学生2：再增加2个试管，各加入新鲜唾液1 mL和质量分数为1%的淀粉溶液3 mL。向两试管各加2 mL本尼迪特试剂，摇匀后沸水浴。然后观察两试管的颜色变化。

教师：非常好，只有排除掉后两种可能性，才能严格说明淀粉酶只催化淀粉不分解蔗糖，从而证明酶具有专一性。教材实验中安排了“5号、6号试管各加入蔗糖酶溶液1 mL，然后在5号试管中加入质量分数为1%的淀粉溶液3 mL，在6号试管中加入质量分数为2%的蔗糖溶液3 mL。充分混匀后，放在37℃恒温水浴中保温，15 min后取出。两管各加本尼迪特试剂2 mL，摇匀，放在沸水浴中煮2～3 min。”这组对照实验的结果能说明什么？

学生3：也说明酶具有专一性。

学生4：5号与6号试管的对照好像只能说明淀粉只能被淀粉酶分解，而不能被蔗糖酶分解。

教师没错。从逻辑上来说，虽然酶与底物的关系确是一一对应（锁钥模型原理），但根据酶专一性的定义——一种酶只能催化一种底物或少数几种相似底物的反应，只要证明淀粉酶只能分解淀粉不能分解蔗糖就可以说明酶的专一性了，无需额外再证明一种底物也只有一种酶能催化。相反，如若仅凭教材实验中第5号、6号试管的对照，反而无法说明酶具有专一性。所以应该将教材中实验1，改进具体见表1。

教学意图：对验证酶专一性的实验结果进行选言推理分析，可以清楚地展现对照实验的设计逻辑，培养学生理性的思维习惯，提高学生的逻辑分析能力与解决问题的能力。这样的教学过程比仅分析实验原理会更有意义。

当然，在教学实践过程中，教师在分析一些生物学现象的备选解释时，少数思维特别活跃的学生可能会举出一些“奇怪”的解释，如肺炎双球菌活体转化实验中的D组小鼠是“外星人投毒杀死的”。此类备选解释很难讲合不合理，却可以用“奥卡姆剃刀原理”来排除。所谓“奥卡姆剃刀原理”又称“简单有效原理”，即“如無必要，勿增实体”。对于“奥卡姆剃刀原理”还有一种更为常见的表述形式：如果对于同一现象有两种或多种不同的解释，那么简单或可证伪的那个更好。总之，选言推理与奥卡姆剃刀定律作为一种思维理念与思维方法，不断在哲学、科学等领域得到应用。在日常生物教学中渗透这些思维方法能培养学生批判精神和质疑能力，从而助于学生学科核心素养的提升。