基于科学论证的生物学教学内容分析——以“孟德尔分离定律”为例

苏洪波 关亚萌 李秋石

(1 河北师范大学教师教育学院 石家庄 050024； 2 河北省唐山市开滦第二中学 唐山 063000； 3 河北师范大学生命科学学院 石家庄 050024)

生物学由于其学科属性，其教学内容彰显了大量科学思维的因素，尤其是科学论证思维的因素。科学论证是科学思维的重要内容，那么如何从科学论证的视角去解读教学内容呢？

1 论证的概念与类型

所谓论证是由断定一个或一些判断为真，进而断定另一个判断的真实性的思维过程[1]，是对相信什么或做什么得出合理性判断的起点。例如，DNA分子复制方式就是通过论证发现的。

论证具有两种类型： 实践论证和逻辑论证。实践论证是通过人的变革物质世界的积极活动[1]，来检验一个思想与它所反映的事物是否一致的唯一的标准；而逻辑论证是借助于一些真的判断，通过逻辑推理来确定另一个判断的真实性[1]，这是人们发现真理、理解真理的重要工具之一，也是有力表达思想的必要条件。在科学发现过程中，两种论证往往相辅相成。

2 论证的组成与规则

2.1 组成 论证主要由论题、论据、论证方式组成。

2.1.1 论题 论题是指某一判断真实性需要加以确认的判断[1]。在论证的过程中，论题既可以是论证开始前所提出的要解决问题，又可以是论证结束时的结论；既可以是科学上已经被确认为真的判断，又可以是一个未经确认为真的判断。例如，沃森和克里克提出“脱氧核糖核酸结构的互补特性揭示了它是如何自我复制的[2]。”这既是所要解决问题“DNA分子复制的方式是什么”，又是结论“……实现特异的DNA自我复制……每一条互补DNA链，在形成它的一条新链时，都可以作为模板[2]”，同时这个论题还是一个未经确认(在当时)为真的判断，因此需要为这个判断寻找理论的和事实的依据。

2.1.2 论据 论据就是确认论题的真实性时所根据的判断[1]。论据的真实性，是论题真实性的根据，是信念和行动的第一道安全检验门[3]。

论据种类有多种划分方式，其中根据论据的得出是否需要推导分为： ①基本论据： 不是由其他论据推导出来的论据，如科学中的基本定义和公理、已被证实的关于个别事实的判断、哲学和每门科学中的一般原理等[1]。如新陈代谢进行的条件是酶和能量；在DNA分子中，A/T的比值和G/C的比值总是十分接近于1。②非基本论据： 由基本论据或其他非基本论据推导出来的论据，如由基本论据“新陈代谢进行的条件是酶和能量”，可以推导出“DNA分子复制需要酶和能量”；由基本论据“在DNA分子中，A/T的比值和G/C的比值总是十分接近于1”和“DNA分子具有两条链”，可以推导出“……这种单链……作为模板，游离的核苷酸通过形成氢键自动地结合到它上面[2]”。

2.1.3 论证方式 有了论题和论据，并不等于就能做出论证。论证还存在一个由论据到论题的推理过程，这一过程称为论证方式。某些学生虽然记忆了论证所需要的事实、定义、定理等论据，但却不能完成论证过程，这实际上就是缺乏推理的能力。

根据论证方式可以将论证分为演绎论证和归纳论证。

演绎论证是借助于演绎推理(也包括假言推理形式和选言推理)的论证方式，论据和论题之间是一种必然关系的论证。其特点是论据往往是一般的原理，论题是特殊的判断。例如，根据半保留复制的假说，可以演绎推理出Meselson和Stahl所做实验的第一代大肠杆菌的DNA为一条链为14N标记，另一条链为15N标记。

归纳论证是借助于归纳推理(也包括类比推理)的论证方式，论据和论题之间是一种或然关系的论证。其特点是论据是某种特殊的判断，论题是一般的原理。例如，1958年Meselson和Stahl通过15N标记大肠杆菌DNA、 H·Taylar用3H标记蚕豆根尖细胞的DNA以及1974年Korenberg和Freedlender通过改进的姐妹染色体色差法(SCD)获取相应实验事实，归纳出“DNA分子复制的方式是半保留复制”。

2.2 规则 论证有正确的、也有错误的，因此论证的规则是一个正确的论证所必须遵守的。

关于论题的规则，一是论题必须明确。论题明确，是论证的先决条件。二是不能转移或偷换论题。

总之，数据分析观念自提出并实施以来，取得了一些阶段性的成果，但也存在一些问题需要持续、深入的合作研究和探索.为了进一步推进统计与概率课程的改革，研究者和实践者需要对数据分析观念引起高度关注，加强对研究现状的考察和问题的解决，进而落实数据分析观念的培养目标.

关于论据的规则，论据应当是已明确为真的判断。论题的真实性是由论据的真实性推理出来的。论据本身如果不真实，就不可能达到论证论题真实性的目的。好论据的必要条件是可检验性，即必须是可以客观检验的，而且只有在这样检验之后，才可以接受为真，或者至少可以接受为不用争论的前提[3]。论据的真假的判断标准是看其是否符合实践。

关于论证方式的规则 论据必须能正确地推出论题。正确的论证方式，必须遵守正确的推理规则。

3 基于科学论证的“分离定律”的分析

3.1 论题 孟德尔在《植物杂交的试验》一文中描述：“……它们的目的是在杂种的后代中继续探究它们的发育。……关于直到现在，还没有圆满地阐述一个能于普遍应用的控制杂种的形成和发育的规律[2]。”由此可以得出孟德尔研究的论题是： ①提出所要解决的问题：“杂种的形成和发育是否具有规律？”或“‘杂种的卵和花粉细胞的构成’[2]是否具有规律性？”②结论： 通过分析“分离定律”，可以得出中心论题是：杂种在形成配子时，成对的遗传因子发生分离，分别进入不同的配子[4]；三个分论题是“生物性状由颗粒状的具有显性和隐性差别的遗传因子控制”“体细胞中遗传因子成对存在”“受精时，雌雄配子的结合是随机的”。

3.2 论据 笔者从人教版高中生物学必修2《遗传与进化》第1章第1节、孟德尔论文“植物杂交的试验”以及其他文献中收集与上述论题相关的论据。

3.2.1 基本论据 一是显性论据[4]： ①孟德尔把F1中显现出来的性状叫做显性性状；②孟德尔做的豌豆杂交实验的结果；③非糯性花粉遇碘变蓝黑色，而糯性花粉遇碘变橙红色；④取F1花粉加碘染色，半数花粉呈蓝黑色，半数呈橙红色。

二是隐性论据： ①正反交，7个杂交的每一个杂交，杂种性状同一个亲本的性状如此相像；②显花植物的繁殖是由一个卵细胞和一个花粉细胞结合成单一的细胞开始；③世界是物质的[5]；④世界包括物质世界(遗传现象属于物质世界)和社会世界[5]；⑤物质是由微观粒子构成[6]；⑥在化学变化中，分子可以分成原子，原子又可以结合成新的分子[6]；⑦设A、 B为两个事件，若P(AB)=P(A)·P(B)，则事件A与事件B相互独立；⑧若A∩B为不可能事件，那么事件A与事件B互斥[7]。

3.2.2 非基本论据 一是显性论据： ①不论是正交还是反交，F1全部表现为显性性状；②F1与隐性性状进行正交和反交实验，测交结果均为显性性状和隐性性状比例为1∶1。二是隐性论据： ①在第一代中[F2]在所有的试验中都分解为2∶1∶1[2](注： 比例对应的性状分别是杂种显性性状： 纯种显性性状： 纯种隐性性状)；②稳定的后代只是在卵细胞和授精的花粉是属于同样性质的时候才得以形成[2]；③化学分子和遗传因子都属于物质；④遗传因子是一种颗粒物质；⑤遗传因子具有显性与隐性。

3.3.1 科学理论 ①由“世界是物质的”“世界包括物质世界(遗传现象属于物质现象)和社会世界”，经演绎推理可以得出“遗传因子是一种物质”；②由“物质是由微观粒子构成”“遗传因子是一种物质”，经演绎推理可以得出“遗传因子是一种颗粒物质”；③由“在化学变化中，分子可以分成原子，原子又可以结合成新的分子”“化学分子和遗传因子都属于物质”，经类比推理可以得出“遗传因子可以分，又可以结合”，即“形成配子时，遗传因子可以发生分离；受精时，遗传因子可以随机结合”。

3.3.2 实验事实 ①由“正反交，7个杂交的每一个杂交，杂种性状同一个亲本的性状如此相像”“孟德尔把F1中显现出来的性状叫做显性性状”，经演绎推理可以得出“不论是正交还是反交，F1全部表现为显性性状”；②由“不论是正交还是反交，F1全部表现为显性性状”或“在第一代中[F2]，在所有的试验中都分解为2∶1∶1”，经演绎推理可以得出“遗传因子具有显性与隐性[8]”；③由“在第一代中[F2]，在所有的试验中都分解为2∶1∶1”“稳定的后代只是在卵细胞和授精的花粉是属于同样性质的时候才得以形成”和“显花植物的繁殖是由一个卵细胞和一个花粉细胞结合成单一的细胞开始”，经演绎推理可以得出“杂种形成两种配子”“杂种体细胞中具有两个遗传因子”；④“非糯性花粉遇碘变蓝黑色，而糯性花粉遇碘变橙红色”“取F1花粉加碘染色，半数花粉呈蓝黑色，半数呈橙红色”，经归纳推理可以得出“杂种在形成两种雄配子”，即“杂种在形成配子时，成对的遗传因子发生分离，分别进入不同的雄配子，且比例为1∶1”；⑤由“F1与隐性性状进行正交和反交实验，测交结果均为显性性状和隐性性状为1∶1”“遗传因子具有显性与隐性”，经归纳推理可以得出“杂种在形成配子时，成对的遗传因子发生分离，分别进入不同的配子，且比例为1∶1”。

3.3.3 数理逻辑 孟德尔接受过严格的科学训练，具备扎实的数学和统计学知识，因此可能在实验观察和科学假设之间建立起了如下数理逻辑。

由“孟德尔所研究的7对相对性状均具有两种类型”，可以设以A代表稳定的显性性状，a代表稳定的隐性性状[2]，因此可以用Aa代表两者相结合的杂种类型。

笔者认为孟德尔用A代表显性纯合子、Aa代表显性杂合子的理由是： ①为了区别两种显性性状个体；②如果用AA代表显性纯合子就重复了[9]；③“孟德尔确实认为遗传因子成对存在”；④说明遗传因子具有显性与隐性之别。

遗传因子的存在状态证明 杂种中遗传因子A、 a的存在状态是一个(不相容)选言命题，即“杂种的两个遗传因子要么是融合的(融合遗传)，要么是独立的(颗粒遗传)”。

由融合遗传思想[10]与实验事实(“不论是正交还是反交，F1全部表现为显性性状”“在第一代中[F2]，……在所有的试验中都分解为2∶1∶1”)相矛盾，可以得出“杂种的两个遗传因子是融合的”错误，从而由排中律和不相容选言推理规则，即证明杂种的两个遗传因子是独立的(即遗传因子具有颗粒性)。

遗传因子传递规律证明 若杂合体的两个因子是独立的，则杂合体的表示方式是(A+a)[11]。杂种产生雄配子种类及其比例为A∶a=x∶y，杂种产生雌配子种类及其比例为A∶a=x∶y。

由“设A， B为两个事件，若P(AB)=P(A)·P(B)，则事件A与事件B相互独立”，可以推知： 雄配子种类与雌配子种类为相互独立事件；由“显花植物的繁殖是由一个卵细胞和一个花粉细胞结合成单一的细胞开始[12]”，因此杂种F1自交子代F2的遗传因子组成为：

P(F2显性纯合子)=P(A雌A雄)=P(A雌)·P(A雄)=x2

P(F2隐性纯合子)=P(a雌a雄)=P(a雌)·P(a雄)=y2

P(F2显性杂合子1)=P(A雌a雄)=P(A雌)·P(a雄)=xy

P(F2显性杂合子2)=P(a雌A雄)=P(a雌)·P(A雄)=yx

根据“若A∩B为不可能事件，那么事件A与事件B互斥”，可以推知： F2显性杂合子1与F2显性杂合子2为互斥事件。因此P(F2显性杂合子)=P(F2显性杂合子1)+P(F2显性杂合子2)=2xy。

由“在第一代中[F2]，……在所有的试验中都分解为2∶1∶1(注： 杂种显性性状： 纯种显性性状： 纯种隐性性状)”和“P(F2显性纯合子)=x2、 P(F2隐性纯合子)=y2、 P(F2显性杂合子)=2xy”，可以计算得出： x∶y=1∶1。

由上述数理逻辑论证可以得出全部论题，学生从中可以体会出： 把数学方法引入生物学的研究，是超越前人的创新[4]。

以本文解读孟德尔分离定律为例，大量的生物学教学内容都可以从科学论证的视角来进行分析。科学论证是科学思维的重要方面，基于科学论证的教学内容分析应该得到重视。