将“理论”与“定律”的理解用于中学生物学教学

靳冬雪 刘恩山

（北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出：“高中生物学课程是自然科学课程，学生在学习该课程中不仅要获得诸如细胞、遗传、进化等生物学方面的知识，还应该学习一些‘关于自然科学的知识’”［1］。“关于自然科学的知识”，也称科学本质（nature of science，NOS），描述了自然科学的特点。它的价值在于能促进科学知识的学习和理解，提高对科学的兴趣，帮助人们理性决策，促进科学教学的传递［2］。在生物学学习中，科学本质能帮助学生建立生物学观念，促进学科核心素养的达成［1］。

理论和定律是生物学学习中的重要内容，它能使学生理解生命世界的现象，把握生物学规律，例如细胞学说、现代生物进化理论，分离定律与自由组合定律等。但对于理论和定律本身的含义、特点及二者间的区别，许多学生甚至教师都存在错误概念，例如：理论与定律是绝对真理，二者放诸四海皆准，理论经过检验就会成为定律［3］等。这些错误概念的潜在危险在于，认为一个科学观点一旦被“定律化”或“理论化”就不需要再去思考和发展，可以完全信任和使用［4］。这种理解上的偏差将会影响生物学概念的学习和理解，导致在此基础上构建的生物学知识存在错误和变得碎片化［5］，具有错误概念的教师也无法进行成功和有效的科学教学。目前，中学生关于科学本质正确的理解是：“理论和定律赋予科学解释的能力，但两者不尽相同。”基于理论和定律的重要作用，有必要对二者进行阐释和区分，并明确它们在生物学教学中的应用。

1 理论与定律的含义、特点及二者的区别

理论和定律都能帮助人们理解自然界的运转，却是2 种功能不同的知识：理论解释机理，定律预测现象。它们之间存在着相似性，但这并不意味着其中一个会在某一刻成为另一个。

1.1 理论解释科学现象 科学是创造知识的过程，该过程要对现象进行仔细观察，并在观察中建立各种理论［6］。因此，理论是在已有事实、经验等基础上，作出的符合逻辑的总结与归纳，用于解释科学现象。理论具有预见性和一定的可信性，并在其适用的范围内，一直处于发展和完善的过程中。

理论应具有预见性。理论是建立在大量有效的观察之上的，但仅仅解释已观察到的现象并不够，还应能预测建立理论时尚未观察到的现象，即预见性［6］。在此，“尚未观察到的现象”并不一定指未来的事件，也包括尚未发现或研究过的以前的证据，例如新发现的人形化石遗迹，就是以前存在的证据，它与人类起源理论作出的预测是相符的［6］。

正因为理论建立在大量观察和逻辑之上，当其在尝试解释一个以前似乎不相关现象的内在联系时，具有一定的可信性［6］。以大陆漂移理论为例，该理论阐述了各种地质现象之间的关联，例如地震、火山爆发、不同大陆板块上化石类型，以及海床轮廓的匹配等，由此获得了较高的可信度［6］。需注意的是，理论虽然建立在一定量科学有效的观察之上，合乎逻辑，但不一定为真，不一定经过检验。例如拉马克针对生物各种适应性特征形成提出的用进废退和获得性遗传的进化学说（理论），虽然是建立在对植物和动物的大量观察之上，但后来仍被大多数学者所摒弃。

理论作为对科学现象的解释，可能在极大的范围内都是适用的，也有可能只适用于有限的范围［6］。前者以达尔文提出的自然选择学说为例，认为生物具有过度繁殖的倾向，并在生存斗争过程中优胜劣汰。该学说解释了生物进化的原因，并经过几百年的发展，成为现代生物进化理论的核心。后者以爱因斯坦提出的狭义相对论为例，是在运动速度接近光速时适用的理论，并不适合解释低速范围内的现象。

在科学中，理论一直处于发展、完善和修正的过程中，有时甚至还会舍弃［6］。无论一个理论对一组现象的解释多好，都有可能存在另一种理论更适合解释这些现象，或者适用范围更广，所以理论无法做到绝对完善和绝对正确，但它一直在无限地接近客观世界运转的真理［6］。例如关于遗传和变异的研究，已随着生物科学的发展，从性状水平深入到基因水平，这极大地丰富和发展了达尔文的自然选择学说，并形成了以自然选择学说为核心的现代生物进化理论。理论是科学工作者进行科研工作的基础，反之，科研工作的重点也是为了支持、扩展或修正现存的理论［7］。

1.2 定律描述自然界模式 在科学中，规律性出现的形状和结构、重复出现的事件，以及事件间的关系，存在着模式（patterns）［8］。而定律则是利用科学语言对自然界中的模式进行的总结性描述。定律需要经过检验，例如欧姆定律，反映一段导体中电流与该段导体上的电压和电阻之间的关系，经过实验检验，得到了真实数据的支持。

定律在其适用的范围内，也处于一直发展和完善的过程中。中心法则最初由克里克提出时，阐明了遗传信息可以从DNA 流向DNA（自我复制），也可以从DNA 流向RNA，进而流向蛋白质。之后经过大量实验证据的支持，中心法则补充了遗传信息从RNA 流向RNA，以及从RNA 流向DNA 这2 条途径。可见定律也非“终极真理”，而是不断在修正和完善自己。这便是科学知识的“暂时性”。当人们发现了新的证据之后，正确做法是尝试修正科学知识，而非一味地揪着先前的错误不放，这样才能更好地维护科学发展［4］。

1.3 理论与定律功能不同，不会转化为彼此人们往往认为定律是经过证实的理论，但其实定律和理论是非常不同的2 种知识［9］。定律反映客观世界运行的法则，但不考察其中所涉及的理论依据。打个比喻，定律相当于“菜谱”，按照菜谱即可行之有效地做一道菜；理论则解释了为何这样做菜，阐述的是背后的机理［4］。牛顿本人借其所提出的“万有引力定律”解释定律和理论的区别：“我尚未找到究竟是什么导致了万有引力这种现象的出现，也未能对此做出假说……但万有引力定律是真实存在的，能根据该定律解决问题就 足 够 了”［4］。

理论与定律在科学中扮演不同的角色，前者用于解释客观现象，后者则反映自然界中的模式，用于预测。应当注意，即使随着科学的发展会有新的证据出现以支持理论，但这并不会改变理论本身的特征，它所起的仍是解释的作用，理论最终也不会成为定律［2］。

2 理论与定律在生物学教学中的应用

教师是教学中必不可少的因素，其本身对科学本质应当有正确的理解，在此基础上才能进行成功和有效的科学本质教学。一些教师会误认为仅凭科学探究或科学调查的经历就可使学生理解科学本质，这好比认为学生通过观察动物的呼吸就可以学到细胞呼吸过程中的细节［9］。Lederman指出，最能影响学生对科学本质的理解，是教师在课程中实施的具体教学行为、教学活动和决策［10］。因此，教师要选取合适的教学活动，并在恰当的教师行为和教学策略下，才能使学生获得对科学本质的长时间的理解［11］。

2.1 确立科学本质教学目标 首先要确立明确的科学本质教学目标，与其他知识或技能等目标相结合。这样在选择教学材料、活动、策略、评价学生观点和行为时，才更有针对性［11］。以评价学生的表现为例，能正确使用科学用语“理论”和“定律”可视为是科学本质教学的成果，例如“正确使用‘现代生物进化理论’与‘哈迪-温伯格平衡定律’”。

2.2 选择合适的教学活动 合适的教学活动能促进学生理解“理论”和“定律”及二者的区别，例如科学史或实验探究。利用科学史将科学本质整合到知识讲授和资料阅读中，不仅提高了趣味性，恰当利用更能帮助学生明白科学是一直不停发展和完善的，而非由前人做好的成品［11］。例如20世纪50年代开始，科学家的实验结果不断地在完善和修正中心法则，再如近几十年受到重视而迅猛发展的表观遗传学，补充了控制生物性状的遗传学分子机制，诸如此类的科学史案例能帮助学生理解定律和理论的“暂时性”。

实验探究也是使学生有效理解科学本质的途径。学生将经历分组合作，选择器材和研究方法，收集有效数据，处理问题数据，反复试验、检查数据、解释结果，讨论并达成一致等［11］。

以“神秘的纸盒（mystery cube）”活动为例：制作一个展开后如图1所示的立方体纸盒，将纸盒FRANK 面朝下放置在桌上，该纸盒所在的位置是教室的中央，学生观察其余5 面，参与者可以交流，但不能离开自己所在的位置，猜测立方体上单词与数字之间的关系。学生利用证据支持自己的假设并预测出“？”处最有可能的数字。之后展示纸盒的FRANK 面，与答案进行比对。活动结束后引导学生讨论理论与定律相关的科学本质内容，例如定律能总结性地描述模式，并起到预测作用等。

图1 神秘的纸盒（mystery cube）［9］

“mystery cube” 活动遵循Lederman 和Khalick提出的“黑箱活动”模式，该模式可让学生在实验探究过程中很好地理解科学本质，具体内容详见表1。

表1 “黑箱活动”基本模式［9］

黑箱活动模式适用于多个生物学实验的教学设计，例如孟德尔分离定律一节中的“性状分离比的模拟”实验。在观察豌豆杂交实验的结果后，让学生对其中的模式进行假设，并通过模拟实验检验提出的假设，然后让学生给出结论并与分离定律的内容进行比对，最后讨论整个实验中涉及的科学本质，例如定律的预测作用。

在活动过程中，教师不直接评判学生的做法合适与否，学生所产生的疑问将直接指向实验设计、数据收集、结果分析等［11］。其中，“讨论”环节可以对是否采用同一种实验方法、 实验得到的模型是否能进一步完善等科学本质的内容进行讨论。这样既可判断学生目前对科学本质概念的理解情况，也可使学生个人构建和加工的知识在集体的讨论中得到进一步的提升［5］。

2.3 规范课堂教学行为 恰当的教学活动能帮助学生理解科学本质，但活动过程中教师的表现比活动本身更重要［11］。一些基本的教学行为能促进学生思考，例如根据学生最初的观点抛出进一步的引导问题，鼓励学生详细阐述自己的想法，以及大量的观察和倾听等。此外，教学用语也非常重要，学生就是在教师使用的语言中形成了对科学本质的理解，故而教师要非常注意科学用语的使用［11］。在进行教学时，要使用准确、有效的语言表达科学本质的观点，例如正确使用“理论”“定律”等专业名词，强调生物学理论与定律并非终极真理而是一直在发展和完善，二者虽然都赋予科学解释的能力但不会互相转化等。

3 结语

在自然科学领域，理论与定律同等重要，人们不仅需要通过理论理解自然界运转的机理，也需要依靠定律对科学现象进行预测。学生努力学习前人的研究成果，同时也要明白理论和定律仍需不断完善和发展。因此，教师应将对理论与定律的理解结合到日常教学中，明确、外显地引导学生，帮助学生掌握生命观念，建立恰当的科学本质观，促进生物学学科核心素养的达成。