HPS教育视角下假说－演绎法的教学

摘要：以摩尔根果蝇杂交实验为例，运用真实的科学发现历程为载体，在HPS教育视角下开展假说演绎法的教学，将HPS教育理念融入生物学课堂，旨在帮助学生系统领悟假说演绎法的一般过程，培养假说演绎法的科学思维和求真务实的科学精神，促进学生对科学本质的理解，从而落实发展生物学学科核心素养的要求。

关键词：假说-演绎法；摩尔根；HPS教育；科学本质

文章编号：1003-7586（2024）02-0039-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

假说－演绎法是现代科学研究中常用的一种科学方法，指在观察和分析已有实验现象的基础上，提出合理的问题，通过想象和推理提出解释问题的假说，再以假说作为解释性原理，推演出某种特殊的推断，最后通过实验检验推断的正确性。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中要求，学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用演绎与推理等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。同时，假说－演绎法在人教版《普通高中教科书生物学必修2遗传与进化》的学习中也是一个重点，被单独呈现在“科学方法”栏目中。教师在高中生物学课堂中有效地开展假说－演绎法的教学，不仅能够培养学生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，还有助于充分落实生物学学科核心素养的要求。

1假说－演绎法的教学中融入HPS教育理念的重要性与必要性

HPS教育是以建构主义为指导思想，要求把科学史、科学哲学和科学社会学（History，Plulosophy and Sociology of Science，缩写为HPS）的有关内容引入中小学科学教育，以期促进学生对科学本质的理解的一种新型科学教育观念；是国家实施素质教育，保证提高受教育者核心素养的一条有效途径。HPS教育的重点不在于要求学生掌握具体的科学知识，而是要将科学学习放在广阔的社会文化背景中，亲历科学发现过程，实现科学教育与人文教育的融合，旨在帮助学生深刻理解科学本质。假说演绎法是一个从特殊到一般，再到特殊的演绎求证过程，蕴含许多科学教育和人文教育元素。一方面，假说演绎法本身就是一个重要的科学研究方法，用以探索未知世界，可在一定程度上说明“科学具有实证性、预见性”“科学是一个暂时、发展的过程”“科学受科学家文化背景影响”等科学本质观，可用来帮助学生进行科学本质观的学习；另一方面，学习科学方法不能用灌输、堆砌等方式，可借助HPS教育理念，即借助真实的科学发现过程，将假说演绎法的学习放在广阔的社会文化背景下，以科学发现历程作为学习假说－演绎法的载体，提高学生学习生物科学的兴趣，从而引导学生认同学习科学方法的重要性，更好地领悟科学本质观与假说演绎法的真谛。

2摩尔根果蝇杂交实验的教学案例

2.1呈现历史素材，铺垫研究背景

资料一 1903年，美国遗传学家萨顿根据对蝗虫精子和卵细胞形成过程的研究，发现孟德尔假设的遗传因子与减数分裂中染色体的行为具有平行性，于是他推断：遗传因子是由染色体携带着从亲代传递给下—代的，也就是说，基因就在染色体上。

资料二 美国生物学家摩尔根反对孟德尔的遗传学说，而且挖苦孟德尔通过对数字进行分析推理后提出理论的方法学，称之为“高级杂耍”。摩尔根曾用腹部颜色不同的小鼠杂交，结果子代呈现双亲性状混合的特征，与孟德尔的遗传理论相悖，由此怀疑孟德尔遗传理论的适用范围，且认为萨顿的基因位于染色体上的假说无实验论证，此假说并不可靠。于是，摩尔根抱着这些怀疑开始了建立染色体遗传学说的研究征程。

教师呈现上述两则科学史资料，铺垫摩尔根时代的科学背景和社会环境，使学生体会同时代不同科学家的观点碰撞过程，引导学生分析摩尔根开展果蝇杂交实验的原因、目的，不仅可更好地过渡到下一步的教学环节，而且让学生明白一种假说的成立需要实验的证据来支撑，经过实验论证的设想才具有说服力，有助于培养学生实证的科学思维和敢于质疑的科学精神，从而帮助学生正确理解“科学具有实证性”的科学本质观。

2.2提出问题：红眼果蝇与白眼果蝇的杂交实验

在科学研究的过程中，问题的提出是至关重要的。通过观察和分析已知的实验现象或科学事实，发现实验现象与现有理论不相匹配而产生疑问，这样产生的疑问可能有多个，但并不是所有的问题都值得研究，不排除有特殊例子的出现，因此应当抓住研究过程中的关键点，提出具有进一步研究价值的问题。

资料三 1910年，摩尔根潜心研究果蝇的遗传行为，一天，偶然在一群红眼果蝇中发现一只白跟雄果蝇。他用这只白眼雄果蝇与野生红眼果蝇杂交，后代出现1237只红眼果蝇和3只白眼果蝇，接着用子一代红眼雌、雄果蝇进行交配，子二代出现2459只红眼雌果蝇、1011只红眼雄果蝇和782只白眼雄果蝇。

教师呈现资料三，首先引导学生观察和分析摩尔根果蝇杂交实验的结果，不难找出与盂德尔遗传定律“不相匹配”的实验现象：第一，F1中自眼性状没有隐而未现；第二，F2中红眼与白眼的数量比不是3：1，白眼果蝇数量较少；第三，白眼性状只在雄性中出现。接着，教师适当提示杂交过程中果蝇发生变异的可能性以及白眼果蝇的成活率较红眼低的事实，引发学生讨论，判断以上三种现象在当下的研究中是否具有继续下去的价值，哪些问题是可以排除的，哪些问题是可以再深入研究下去的。在讨论的过程中一一排除实验中出现的特殊情况，找准研究要点，从而使学生明白科学研究中时常会有例外现象，要学会抓住研究过程中的关键点。最后，学生结合科学史料了解摩尔根最初的实验目的（摩尔根认为基因位于染色体上的假说无实验论证，假说不可靠），更容易设身处地地站在摩尔根的思维角度上思考问题，从而将学生的观念与科学家的观念相互交融，进行跨越时空的对话，体验科学家的思维方式。

因此，排除变异、白眼果蝇成活率低等因素，F1可看作全是红眼后代，说明红眼对白眼是显性；F2中红眼与白眼的数量比是3：1，这些表现都符合盂德尔分离定律。不同的是白眼性状只在雄性中出现，最后得出第一、二种现象是特殊情况，不具有研究价值，从而初步提出问题——如何解释白眼性状只在雄性中出现的“异常”现象？

资料四 摩尔根用F1红眼雌蝇与最初的那只白眼雄果蝇进行回交，后代出现129只红眼雌果蝇，132只红眼雄果蝇，88只白眼雌果蝇，86只白眼雄果蝇。

教师呈现资料四，引导学生分析后代数量比，1：1：1：1是典型的孟德尔测交比，但是回交后代中雌雄果蝇均有红眼和白眼，表明白眼性状能够通过适当的杂交传递给雌性，又该如何解释这一现象呢？因此，最终确定需研究的问题——如何解释白眼性状能够通过适当的杂交传递给雌性的现象？

2.3作出假设：对白眼性状与性别相关联的解释

在观察和分析的基础上提出问题后，通过想象和推理提出假说，体现了假说演绎法从特殊到一般的特性。假说不是毫无根据的盲目猜测，它以一定的科学事实为根据，不仅能够合理解释已知的实验现象或科学事实，而且依据假说可以预测未知的科学事实，这也是一个演绎推理的过程。

资料五 威尔逊观察一种花十字长蝽蟓的染色体排列方式，发现这种昆虫的两种性别的细胞所存在的染色体数目是相同的，但有些与X染色体配对的染色体明显较小，称之为Y染色体，由带Y染色体的精子受精的卵产生雄虫，每个雄性子代从其母得到X染色体，从其父得到Y染色体。遗传学家们将这种由性染色体X和Y的差异决定性别的机制称为XY机制，经许多实验证明，果蝇的性别就是由XY型决定。

教师呈现染色体决定性别理论的背景资料，引导学生比较XY染色体遗传机制与果蝇眼色遗传方式，不难发现白眼的遗传与X染色体的遗传相似，且与性别相关联。因此，教师可鼓励学生大胆去想象和推理，发散思维，尝试提出可以解释杂交、回交实验现象的假设：控制白眼的基因在X染色体上。接着，教师依据假设所述写出杂交、回交实验的遗传图解（见图1、图2），发现此假设确实可以合理解释摩尔根果蝇实验出现的“异常”现象，使学生明白假设不是毫无根据的盲目猜测，它以一定的科学事实为根据，且可以解释已有实验现象的假设才具有继续推敲的价值。

提出上述假设后，教师可让学生猜想摩尔根当时提出的设想是否跟自己的一致。

资料六 1905年，威尔逊和他的同事们研究了几种不同的昆虫，观察到蛛缘蝽属昆虫的两种性别的生殖细胞中含有不同数目的染色体，未经减数分裂的雄性精原细胞携带13个染色体，雌性卵原细胞携带14个染色体，且发现来自同一个体的精子有些携带6个染色体，另外一些却有7个染色体，而卵细胞都有7个染色体，由带6个染色体的精子受精的卵发育成雄虫，而由带7个染色体的精子受精的卵发育成雌虫。因此，将在有些精子和全部卵细胞中多出的那条染色体称为“X染色体”，将这种依靠X染色体数目的差异所作的性别决定称为XO型。同年，史蒂文斯提出甲壳虫的Y染色体与雄性有关，雄性是XY，雌性是XX，威尔逊很快验证了史蒂文斯的结论。

通过补充性别决定理论的科学史，学生意识到当时的染色体决定性别理论还不完全成熟，XO与XY性别决定机制各有争鸣，摩尔根也没有意识到果蝇细胞中有Y染色体的存在。但是随着研究的推进，在事实面前，摩尔根很快就采用了孟德尔定律中提到的“因子”“杂合体”等名词，也沿用了萨顿、史蒂文斯和威尔逊等人对性染色体的理解。他假设白眼雄蝇的精子中含决定白眼的因子（W），并非常谨慎地用X表示性决定因子，一半精子携带一个X，另一半缺少X，将决定白跟和红眼的因子（R）独立在染色体之外与性决定因子相关，后续也是用WWX、RRXX等方式解释和验证果蝇杂交实验。

因此，学生可从摩尔根的角度出发，考虑时代局限性和当时生物理论研究进程的影响，了解到摩尔根并未作出“控制白眼的基因在X染色体上”的假设。同时，使学生体会到摩尔根在仅有的条件下是如何排除万难开展研究的，明白时代背景对科学探究的制约性，感受任何科学研究都不是一蹴而就的，反复多次试验，历经一番曲折，都是常有的事，帮助学生理解“科学受科学家文化背景影响”的科学本质观并认同科学是一个暂时、发展的过程，正如摩尔根的想法也随着研究的推进而逐步改变，从而深化学生对科学本质的认识。

2.4演绎推理：对白眼性状与性别相关联解释的验证

判断一种假设是否正确，仅能解释已有实验现象是不够的，必须要能够推测未知的科学事实，要具有预测性。从提出的假说出发，演绎推理出一系列思维产物，这些思维产物是可以被检测的具体现象，体现了从一般到特殊的演绎过程，最后可通过实验验证预测的实验现象，从而确认假说的正确与否。相应分析如表1所示。

教师引导学生以假说为中心，发散思维，充分利用现有事实设计实验，逻辑推导出具体的实验现象，可引导学生依据已知的杂交组合，将已出现的果蝇基因型进行组合，形成4种未知的杂交组合：XwXw／xwxW红眼（♀）×XwY白眼（♂），XwXw白眼（♀）×XwY红眼（♂），XwXw白眼（♀）×XwY白眼（♂）。据此推理并设计出这三组实验，并预测实验结果，使学生在感受科学探究过程中，既能运用假说解释已知实验现象，又可演绎未知实验，以佐证假说正确性，从而培养学生假说演绎的科学思维，真正领悟假说演绎法的真谛。

2.5假说成立：基因位于染色体上

通过演绎预测的实验结果是否正确呢？这还需通过实际的实验进一步验证。根据上述演绎推理情况，设计并实施相应的实验，但是这些实验都不适合在课堂上重演，因而教师可通过呈现摩尔根实验的资料，让学生分析摩尔根通过一系列实验得到的结果与我们的预测是否一致来验证结果，如果真实的实验结果确实与假说预测的结果相符，则证实假说成立；如果不相符，则要对假说进行相应的修正。

资料摩尔根将红眼雌果蝇与白眼雄果蝇进行交配，半数红眼雌果蝇的后代比例为1：1：1：1，另外半数的后代全为红眼；白眼雌果蝇和红眼雄果蝇进行杂交，后代红眼雌果蝇与白眼雄果蝇的比例是1：1；白眼雌果蝇和白眼雄果蝇进行交配，后代全是白眼，且雌雄各半。

教师通过补充摩尔根三个验证实验的科学史资料，让学生体会摩尔根实验的完整性和严谨性，并引导学生对比摩尔根实验结果与自己所预期的实验结果是否相符，发现真实的实验数据与预期的结果完全一致。因此，控制白眼的基因在X染色体上的假说成立。通过简单的对比，学生不仅可得出答案，更能将重点放在假说成立的关键条件上，假说预测的实验结果须经过真实的实验验证，从而帮助学生系统领悟假说演绎法。教学框架如图3所示。

3总结

相较于传统的假说演绎法的教学，在HPS教育视角下开展的假说一演绎法的教学注重科学证据的提供与科学思维的引导，使学生在历经真实的科学发现历程中领悟假说演绎过程的严谨与缜密，体会科学家们卓尔不群的品质与精神。学生的学习是从大量已知的科学事实开始，但是教育应当给予他们比单纯掌握已有知识更多的东西。如，面向未来的态度，以及做好准备探求未知领域的创新精神。融入HPS教育的假说－演绎法教学有助于实现这样的培养目标。