逻辑学的基本规律在生物科学探究中的应用

余燕

摘要：文章介紹逻辑学基本规律在生物科学探究中的现状和实践，并以科学史和高考题作为探究案例渗透逻辑学基本规律，培养学生的思维和认知意识，帮助学生正确使用语言与思维，提高学习成绩。

关键词：逻辑学；同一律；充足理由律；矛盾律；排中律

一、研究背景

在《普通高中生物学课程标准》中，“科学探究”被描述为能够发现现实生活中的生物学问题，对特定的生物学现象进行观察、提问、实验设计、方案实施、交流讨论的能力。科学思维的核心是理性思考，主要是根据一定的规则程序和严谨的思考，实现逻辑的推理。

二、逻辑学的基本规律在生物科学探究中的现状

逻辑思维不仅是学科核心素养的内在要求和高考考查的方向，还是现代社会创新发展的要求，是发展创新思维的前提和基础。然而，研究如何提高逻辑思维的文献几乎都是在探讨、归纳推理的方法，如类比推理、科学归纳法、完全归纳法和统计归纳法等，很少提及逻辑学的基本规律。

在实际教学中，越来越多的教师开始重视培养学生的科学探究能力，且用到了大量的逻辑思维。但是，很多教师没有明确提出逻辑的相关知识，学生在逻辑推理时，是自发而不自觉的状态，难免会犯各种逻辑错误却不自知。如果教师运用逻辑学的相关知识训练学生，既能提高学生的逻辑推理能力，又能提高学生的科学探究能力。例如，教师先让学生了解逻辑学的基本规律，包括同一律、充足理由律、矛盾律、排中律等，然后在生物科学史等探究式教学中，让学生认识到“混淆概念”和“理由不充足”等常见逻辑错误。当学生有意识地按照逻辑学的基本规律进行思考和表述时，便能够避开常见的逻辑错误，思路会更清晰，表述也会更有条理。

三、逻辑学的基本规律在生物科学探究中的实践策略

（一）逻辑学及其基本规律

逻辑学是为分辨正确的或有效的推理与论证，辨析错误的或无效的推理与论证提供标准，是专门研究推理与论证的科学。推理是思维形式或过程，是以已知的命题为前提的，以得出新命题作为结论。论证和推理常常被同等看待，论据和论点分别对应推理的前提和结论。两者的不同之处在于推理并不要求前提为真，但论证要求论据必须是真实的。

古代思想家在提出一些谬误和诡辩的具体解决方式时，为了正确使用语言与思维，进行理性的交流，提出和表述了三个规律，分别是同一律、矛盾律和排中律。充足理由律是由近代的莱布尼茨提出的，后来充足理由律就与同一律、矛盾律、排中律并称为逻辑的四大基本规律，它们保证了思维的论证性、确定性、无矛盾性和一贯性。

（二）实践策略

生物教科书中有许多经典实验，新教材中还增加了很多“思维训练”资料。同时，在实际教学中，教师经常会设计教学情境，解决生活中的一些问题。这些都离不开科学探究，也离不开逻辑推理。目前，很多高考题的考查也涉及科学探究，渗透着逻辑学的基本规律。在前期的科学探究中，学生可以初步了解逻辑学的基本规律，知道常见的逻辑错误。在中期的科学探究中，当学生出现逻辑错误时，教师明确指出是犯了哪一种逻辑错误，让学生进一步掌握逻辑学的基本规律。在后期的科学探究中，学生可以有意识地遵循逻辑学的基本规律，实现正确思维，有序表达。

（三）逻辑学的基本规律与常见错误

1.同一律

在同一思维过程中，教师所使用的概念、论题都必须与自身保持同一。概念保持同一，是指不管是概念的内涵，还是外延，都要保持一致。可见，同一律保障了思维的确定性。例如，从“细胞是熊猫结构和功能的基本单位，神经元是细胞”这个命题中，无法得出新命题“神经元是熊猫结构和功能的基本单位”，因为前提中的两个“细胞”内涵不同。论题保持同一，是指论题的意思和真假必须保持一致，在讨论中不能离题或者跑题。例如，过酸会使酶失去活性，浓盐酸pH值很低，是强酸，所以浓盐酸会使胃蛋白酶失活。过酸和强酸的含义是不一样的，所以得出的结论也是错误的。

在科学探究中，教师必须明确概念和论题。这一点在“提出问题”环节尤为重要，只有问题明确无误，才能使实验设计朝着正确的方向进行。

“混淆概念或偷换概念”“转移论题或偷换论题”是两种常见的违反同一律的逻辑错误。例如，在讲授光合作用相关知识的过程中，学生知道光合作用有很多不同含义，如实际光合速率和净光合速率等。但是，相关实验有时探究的是整棵植株的光合作用，有时探究的是叶片的光合作用，等等。因此，教师要让学生明确想要探究的是哪一种含义的光合作用。

如2019年全国III卷第29题的第2小题，要求验证农作物对NH4﹢和NO3﹣的吸收具有偏好性。有些学生在进行实验设计时，是用分别含有铵态氮和硝态氮的营养液去培养农作物，然后测定培养该农作物一段时间后，营养液中NH4﹢或NO3﹣的剩余量，最后比较这两者的大小。这些学生没有注意到，题目明确指出了偏好性的前提是两种离子同时存在。这样的逻辑错误就是“转移论题或偷换论题”。

2.充足理由律

在推理和论证的过程中，学生要确定命题为真，理由必须充足，主要的逻辑要求有两个：理由必须真实，理由与结论之间要有逻辑联系。充足理由律为思维的论证性提供了保障。在科学探究中，事实或理论依据必须相关、充分，“作出假设”和“设计实验”环节均需要注意这一点。

违反充足理由律的常见逻辑错误有三种：“理由虚假”“推不出”“理由不充足”。

“理由虚假”是指作为依据的理由，本身真实性还有待证明，或理由根本就是主观臆测的。例如，在探究酵母菌的呼吸方式实验中，有学生想要探究酵母菌将葡萄糖代谢为酒精是在有氧条件下进行的，还是在无氧条件下进行的。在实验过程中，学生发现在有氧条件和无氧条件下均产生了酒精，从而得出结论：无论是在有氧条件下，还是在无氧条件下，酵母菌均产生酒精。这里存在的问题是，按照课本的实验装置，在有氧条件下，很难保证所有的酵母菌都能获得足够的氧气。想要酵母菌只进行有氧呼吸，需要增加氧气的通入量，并减少活化酵母菌的数量，这样得出的结果会更有说服力。

“推不出”是指單独看理由不看结论，它是真实的，但它与结论之间没有必然联系，无法从理由推出结论。循环论证就是“推不出”的一种，它通过理由去证明结论的真实性，又通过结论去证明理由的真实性。例如，探究生长素的运输方向时，在玉米胚芽鞘的形态学的上端朝上的情况下，胚芽鞘上端琼脂块中的生长素可以运输到胚芽鞘下端的琼脂块中，这并不能说明生长素只能从形态学的上端向下端运输。有可能生长素从形态学上端向下端运输只是重力的作用，所以还需要将胚芽鞘的形态学上端朝下进行实验，作为对照，就可以排除重力的影响。课本上这个例子的讨论题中也提到了逻辑推理，提问是否严谨，笔者认为，如果懂得逻辑学的基本规律，学生的思维方向会更明确，思维过程有标准可依也会更严谨。

“理由不充足”是指理由对结论的支持度有强弱之分。有时候理由为真，结论很可能为真，但不能排除结论为假的可能。例如，要探究一种新出现的性状来源于基因突变还是基因重组，在排除染色体变异后，还需要加上这种性状在群体中出现的概率，理由才更充足。

以伞藻为例，在探究细胞核结构和功能的教学中，教师往往会让学生先分析伞藻的嫁接实验，推断伞藻的形态构建取决于细胞核还是细胞质。很多学生会得出结论：伞藻的形态构建取决于细胞核。但这个实验结果对结论的支持度是不够的，因为假根中除了有细胞核之外，还含有细胞质，有可能是细胞质起到了决定性的作用。希望得到强支持的实验证据，就需要单独观察细胞核的作用，学生思考后才能设计出伞藻核移植实验。

如2019年全国I卷第29题第3小题，需要设计实验来证明干旱条件下气孔开度减小是由脱落酸引起的，而不是由缺水直接引起的。部分学生在设计实验时只考虑了在干旱条件下脱落酸对气孔开度的影响，而没有考虑到要验证缺水对气孔开度的影响，所以在实验思路中没有提到需要在干旱处理前后均测定气孔开度。这个逻辑错误就属于“理由不充足”，干旱条件下气孔开度减小有可能只是脱落酸引起的，也可能是与缺水有关，排除缺水的影响后，理由对结论才是强支持。

3.矛盾律

相互矛盾或互相反对的两个命题不能同时为真，必有一假。矛盾律要求思维的一致性。例如，“细胞是所有生物结构和功能的基本单位，病毒没有细胞结构”，这种表述就是自相矛盾。“自相矛盾”的逻辑错误具体表现在三个方面：第一，概念间的自相矛盾。第二，判断间的自相矛盾。第三，语句中隐含着相互矛盾的概念或判断。

在科学探究中，推理、论证必须合理有效。“自相矛盾”是学生在实验设计这一环节容易出现的逻辑错误。例如，2019年全国III卷第32题第2小题，要求设计实验验证分离定律，提供的是自然条件下获得的饱满玉米子粒和凹陷玉米子粒。在自然条件下，玉米是可以杂交的，并不像豌豆那样只能自交，都是纯种。因此，亲代玉米的一种表现型可能对应多种基因型，杂交后代会有多种不同的表现。如果没有考虑到这一点，预期的子代和亲代之间是无法对应的，这里就隐含了相互矛盾的判断。

4.排中律

两个相互矛盾的命题不能同时为假，其中必有一真。排中律保证了思维的明确性。结合矛盾律，在相互矛盾的两个命题中，必须肯定一个，否定另一个，也称“二值逻辑”。例如，“所有的细胞都是有细胞核的”与“有些细胞是没有细胞核的”，这两个命题必有一真一假。而两个互相反对的论题，虽然不能同时为真，但是可以同时为假。例如，“黑藻是黑色的”与“黑藻是红色的”这两个命题皆为假，因为黑藻是绿色的。

违反排中律的要求所产生的逻辑错误为“两不可”。在探究实验中，排中律常用于“提出假设”“分析结果，得出结论”。例如，关于伴性遗传和常染色体遗传的判断。必修2教材的35页分析人类红绿色盲的“思考·讨论”栏目，根据红绿色盲的系谱图，分析遗传方式。排除细胞质遗传和伴Y遗传，红绿色盲的致病基因所在位置只有两种可能：一是在常染色体上，二是在X染色体上。此时，“红绿色盲的致病基因在常染色体上”和“红绿色盲的致病基因在X染色体上”就是两个互相矛盾的命题，必有一真一假。

参考文献：

[1]陈波.逻辑学十五讲（第二版）[M].北京：北京大学出版社，2016.

基金项目：广西教育科学“十三五”规划2018年度专项课题“广西普通高中生物学科教学关键问题实践研究-2——提升中学生科学探究能力的策略的实践及研究”阶段性研究成果，立项编号：2018ZJY237。

（作者单位：南宁市第二中学）