溯因推理在高中生物学教学中的应用

盛国跃

(浙江省金华市教育局教研室 金华 321017)

1 认识溯因推理

1.1 溯因推理的基本内涵 溯因推理就是根据已知事实结果和相关的规律性知识，推断产生这个结果的原因的猜测性假设的推理。它不同于演绎和归纳的逻辑形式，具有推理过程与结果并存、理论选择与建构一体的逻辑特征。

皮尔斯认为演绎推理是解释前提的，结论没有超出前提，不能用于假说的提出，只能用于假说的验证，而归纳只是对已有假设的实验证明。只有溯因推理才是“形成假设的过程，是唯一产生新信念的逻辑操作”[1]。在人类探索自然的过程中，会经常遇到一些“令人惊异的事情”发生。从这些惊异的事件出发，结合推理者的背景知识，借助一定的推理模式，获得事件解释的过程就是一个溯因的过程。例如，格里菲斯从发现“把加热杀死的S型菌和活的R型菌一起注射到小鼠体内后，很多小鼠因患败血症而死亡，并且死亡的小鼠血液中能分离出活的S型菌”这一现象开始，到提出“S型菌中存在转化因子”观点就是一个溯因过程。

1.2 溯因推理的基本模式 演绎、归纳、类比和溯因作为各自相对独立的推理类型，均有各自独特的推理模式。一个“令人惊异的事情”是溯因的起点，也是溯因推理的前提和诱因(下文把这“令人惊异的事情”简称为“事情B”)。溯因的逻辑形式可用如下模式表示： 当一个“事情B”被观察到(推理的前提和诱因)；借助于已有的知识、经验和理论等找到了A，它能作为B的原因并解释它，使B变成理所当然的；因此，有理由推测A是真的[2]。

生物学中有很多伟大的发现都是溯因推理的产物。例如，孟德尔在提出“生物的性状由遗传因子控制”这一假说时，就进行了溯因推理，其过程可简化如下。一件“令人惊异的事情”被观察到： 所选取的7种性状所做的杂交实验，其F1代的性状与亲本之一相同，而另一亲本性状完全不显现；让F1代自交，F2代所表现出的性状既有显性性状也有隐性性状，且比例为3∶1。用已有的知识、经验和理论等对事件进行解释： ①用泛生论和融合遗传思想均无法对这一事件进行解释；②道尔顿的原子论认为各种元素是由原子构成的，化合物被分解时，原子不会失去原来的性质，化学反应就是原子的重新组合；③如果遗传物质也具有原子一样的性质，即遗传物质具有“粒子性”，则可完美地解释这一“令人惊异的事情”。因此，可认为“生物的性状由遗传因子控制”。

当孟德尔发现在他的豌豆杂交实验中，F2代出现了性状分离且性状分离比均为3∶1，这一现象令他惊异时，溯因推理就开始了，下一步就是要探究其原因。在这一过程中需要综合运用原有的知识、经验和理论等，以获得对该现象的最佳解释。在孟德尔时代，最流行的两种遗传学理论是泛生论和融合遗传思想。孟德尔在溯因时发现这两种理论都无法解释他所观察到的实验结果。当时道尔顿的原子论的影响非常广泛，受原子论的影响，孟德尔在溯因时推测遗传物质也具有“粒子”性，在遗传的过程中相互独立，不会混合。当他用这一观点来解释他的实验结果时，发现原来“令人惊异”的实验结果变得“理所应当”了。于是他提出了“生物的性状由遗传因子控制”这一假说。

当人们观察到了某一惊异的现象，并且渴求作出解释时，溯因推理就发生了。人们在对观察资料进行可理解的解释过程中，便有了新的发现。因此，溯因推理与科学发现是密切相关的，它是认知科学框架中的重要一环。

2 获得新知的溯因模型构建

致力于学生核心素养培育的深度学习，已成为我国基础教育转型的新目标，新知的获取是实现深度学习的主要载体。人们对各类事物及现象的认识是从现象到本质、从不甚深刻的本质到更深刻的本质的层层深化的无限过程。那么，层层探索事物本质的思维是如何进行的呢？显然，依靠的是溯因推理，而且是一种连续的、递进的溯因。可见，将溯因推理引入课堂，用于学生获取新知，有利于深度学习的发生。

例如，借减数分裂一节的教学对以上模型做简要说明。溯因推理是从当学生看到一件“令人惊异的事情B”开始的。因此，在进行减数分裂的教学过程中可先向学生展示资料： 1883年，胚胎学家贝内登发现马蛔虫配子中的染色体数目是体细胞中的1/2。学生由于无法用已经学习的有丝分裂来解释这种数目关系，故会感到惊异。此时，他们会在寻求答案欲望的驱动下，积极的调动原有的知识储备(如有丝分裂、染色质复制、着丝粒分裂和染色体在纺锤丝的作用下运动并实现分配等)，在已有的知识结构中寻找与当前问题相似的经验、现象，以探寻能解释当前问题的假设。学生在对“染色体数目减半”的溯因中普遍会提出三种假设： ①染色体不复制，细胞分裂一次；②染色体复制一次，细胞连续分裂两次，着丝粒分裂发生在第一次细胞分裂过程中；③染色体复制一次，细胞连续分裂两次，着丝粒分裂发生在第二次细胞分裂过程中。那么，哪种假设是合理的呢？这就需要将这些假说送到检验模块中去进行验证。教师可以引导学生通过观察蝗虫精母细胞减数分裂固定装片进行验证。如果证实了某个假设A是真的，学生就有理由相信A为B的原因，学生也就获得了新知。否则，就需要返回开始处，进行新一轮溯因与检验验证，如此往复。

获得新知的溯因模型在帮助学生学习的过程中，凸显了深度学习的五大特征，即： 理解认知、高阶思维、整体联通、创造批判和专家构建[3]。因而，该模型是与深度学习高度一致的，其目标都是致力于学生核心素养的培育。

3 溯因模型在生物学教学中的应用

“分析摩尔根的果蝇伴性遗传实验”一节，不仅是学生学习相关知识的好材料，更是锻炼科学思维的好素材。教师在教学过程中，按照常规的教学思路不利于培育学生的科学思维(即先引导学生发现果蝇眼色的遗传不仅符合孟德尔规律，而且还与性别相关联后，出示摩尔根的假设，然后用假设来解释实验现象)。为了让学生能像科学家一样进行科学发现，笔者将溯因模型应用于本部分内容的教学中，其简要过程如下：

3.1 “令人惊异的事情” 在1910年摩尔根用他偶然发现的一只白眼雄果蝇与红眼雌果蝇交配，结果F1都是红眼。在F1的雌雄果蝇互交得到的F2中，白眼果蝇与红眼果蝇的数目比是3∶1。这一现象完全符合孟德尔的分离定律。令人惊异的是F2的雌果蝇全为红眼，而雄果蝇中却有一半是白眼。

3.2 溯因推理 ①这一现象说明果蝇眼色的遗传与性别相联系；②研究已证明果蝇的性别是由细胞中的性染色体决定的；③1902年美国细胞学研究生萨顿，通过对减数分裂过程中同源染色体的分离和孟德尔假说中遗传因子的分离之间的类比，提出了“染色体是遗传因子的物质载体”的观点；④如果控制白眼的基因位于性染色上，则可以解释这一惊异的事情。

3.3 提出假说 假说1： 控制白眼的基因在X染色体上，而Y染色体上没有它的等位基因；假说2： 控制白眼的基因位于X、 Y染色体的同源区段上(“控制白眼的基因在Y染色体上，而X染色体上没有它的等位基因”这种假说不能解释惊异的事情，故可直接排除)。

3.4 演绎验证 若假说1是正确的，将F1红眼雌果蝇(XBXb)与白眼雄果蝇(XbY)测交，则测交后代中的表现型及比例为红眼雌果蝇∶白眼雌果蝇∶红眼雄果蝇∶白眼雄果蝇=1∶1∶1∶1；若假说2是正确的，将F1红眼雌果蝇(XBXb)与白眼雄果蝇(XbYb)测交，则测交后代中的表现型及比例也为红眼雌果蝇∶白眼雌果蝇∶红眼雄果蝇∶白眼雄果蝇=1∶1∶1∶1。两种假说的测交结果一致，故无法得到验证。

3.5 实践验证 在1916年，摩尔根的弟子布里吉斯发现了X染色体的不分离现象，找到了白眼基因位于X染色体上，而Y染色体上没有它的等位基因的直接证据(注： 在教学中，如果缺乏还原科学发现的实验条件，可用科学发现史实的相关资料来代替实验操作。故在本环节中，需展示布里吉斯的“果蝇眼色遗传的初级例外和次级例外”实验及其后续验证过程的相关材料，具体内容在此不再累述)，从而证实了假说1是正确的。

生物学的研究经历了从现象到本质的发展过程。将溯因模型应用于生物学教学中，不仅有利于学生习得基本的知识，而且有利于学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法，养成科学思维的习惯，发展终身学习的能力。

溯因推理是创造性的推理模式，它以产生新知识、发现新理论为最终目标。对于生物学学科核心素养而言，溯因推理本身就是科学思维的外延之一，也是提出假设的必经之路，而提出假设是科学探究的重要一环。因此，在倡导核心素养的今天，将溯因推理应用于生物学教学显得尤为重要。