科学哲学融入中学生物学教学——以基因概念的发展为例*

易 琴 谢建平

（西南大学生命科学学院现代生物医药研究所 重庆 400715）

生物学是研究生命现象和规律的科学。中学生物学课程不仅要介绍科学领域基础知识，还具有提高学生生物学核心素养，培养科学思维和创新实践能力的重大使命。

科学哲学（philosophy of science）是通过研究科学理论和活动，探究科学本质，理清科学逻辑结构，获得科学知识和经验的科学方法论［1］。它与哲学形而上学、认识论和逻辑学有着密切的关系。将科学哲学融入中学生物学教学，对于把握生物学学科概念、性质和规律具有指导意义。生物科学的研究是从现象到本质。本文系统分析基因概念的发展，融入科学哲学理念，明确科学本质，从而形成对基因概念的科学把握。

1 生物学中的哲学思想

新课程标准明确提出中学生物学课程是以提高学生生物学学科核心素养为宗旨的基础课程，培养核心素养需要学生掌握科学知识，理解生物科学、生物技术和社会的相互关系。生物学哲学思想对于理解科学概念和认识生命活动规律，有着非常重要的意义。

从病毒到高等哺乳动物，生物体内多种元素组成糖类、蛋白质、核酸等各种化合物，构成了生物的物质基础。从细胞到个体，乃至生物圈的结构层次说明生命是有实实在在的物质基础。

生物体中也存在着许多量变到质变的生命活动。例如，致癌物会引起细胞遗传物质的改变，而癌症的出现，是癌细胞持续生长并不断发展，由量变到质变的积累过程。在有丝分裂过程中，分裂间期完成DNA 分子的复制和蛋白质的合成，为分裂期进行活跃的物质准备，量在不断积累；分裂间期结束后，进入到分裂期，将亲代细胞的染色体精确地平均分配到2 个子细胞中，保持遗传性状的稳定性，达到质变。

2 基因概念的发展

2.1 工具的基因 孟德尔利用豌豆杂交实验，解释了生物遗传和变异的内在机制。1909年，约翰逊（W.L.Johannsen）给孟德尔的“遗传因子”起了一个新名字，叫做“基因”（gene）。这一时期的基因，更像一种抽象的符号，不涉及具体的物质概念［2］。科学哲学角度看孟德尔学说若是一种工具主义假设，则基因只是一个决定性状的符号，没有明确的遗传单位。若这一学说具有真实性，基因是可以被测试的［3］。在孟德尔定律之后，基因逐渐有了可被检验的科学内涵。

2.2 物质的基因

2.2.1 基因和染色体关系的确立 基因是否具有物理实在性？许多科学家进行了思考。例如，1903年美国遗传学家萨顿（W.S.Sutton）根据基因和染色体在细胞中存在平行现象，提出了基因与染色体一一对应的假说。从科学哲学角度看，萨顿假说是支持孟德尔理论的一个关键辅助假说。

基因概念发展的转折是摩尔根（T.H.Morgan）通过研究果蝇这一模式生物，提出了遗传连锁交换定律，绘制出“染色体图”，正式建立“染色体遗传理论”。此时的“基因”代表着一个有机实体，从抽象的符号转变成了稳定的客观存在［4］。

在科学哲学中，社会历史环境是科学研究中不可或缺的影响因素。摩尔根和他的学生斯图蒂文特（A.H.Sturtevant）、缪勒（H.J.Muller）和布里奇斯（C.B.Bridges）都是“实验主义者”，他们认为，只有通过实验验证的理论才具有意义，这也是科学哲学家公认的观点。通过分析摩尔根提出的基因概念，发现基因此时代表着遗传上的物质重组单位。

2.2.2 基因结构的确立 1941年，比德尔（Beadle.G.W）等以红色链孢菌［粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）］为研究对象，发现基因控制生物体内反应过程，并提出了一个基因一个酶的观点；1944年，埃佛里（Avery）通过肺炎双球菌实验，表明DNA 是负责转化的分子，但这一观点在当时并不受欢迎；1951年，赫尔希（Herskey）和蔡斯（Chase）使用放射性标记技术进行了噬菌体感染实验，证明了蛋白质不是遗传物质［5］；1952年，富兰克林（Franklin）拍摄了DNA 晶体X-射线衍射照片；1952年，查哥夫（Chargaff）发现了DNA 分子中碱基组成的定量关系并命名为Chargaff 法则；1955年，本兹尔（Benzer）提出的顺反子（cistron）概念，即结构基因。这些新发现使生物学家又重新理解基因概念。正是在这样的背景下，沃森（Watson）和克里克（Crick）建立了DNA 双螺旋模型，揭示出基因是DNA 分子上有遗传效应的多核苷酸片段。

2.3 当代分子生物学中的基因概念 随着基因工程技术、DNA 体外重组技术快速发展，人们对基因概念有了更深的认识，发现了调节基因、断裂基因、重叠基因、印记基因、跳跃基因和假基因（表1）等。

2.4 基因组计划后的基因概念 2003年4月14日，人类基因组计划（human genome project，HGP）完成了人基因组的序列测定。在人类基因组时代，基因结构正常的核苷酸序列称为开放阅读框（open reading frame，ORF），ORF 可以编码完整多肽链，无终止密码子阻断翻译。在一定程度上，这时的基因意味着基因组中的ORF。

国际人类基因组单体型图计划（The International HapMap Project）是继人类基因组计划之后的又一个重大研究计划。HapMap 计划发起于2002年，建立了人类全基因组遗传多态图谱［9］，根据这张图谱可以更加深入研究基因组结构特点。此时的基因可以根据单核苷酸多态性进行基因分型。在2003年9月又启动了ENCODE（encyclopedia ofDNA elements，DNA 元件百科全书），ENCODE 项目改变了人类对基因的看法，曾经的“垃圾基因”并非真正的垃圾［10］。基因既可以编码蛋白质，也可以是为RNA 提供转录模板的DNA 片段。

表1 基因概念发展［6-8］

2.5 基因表达中的组蛋白修饰 基因表达受多种因素调控，其中组蛋白甲基化是目前最为稳定的修饰，它通过改变自身性质影响基因表达过程。此外它的N 末端还可发生乙酰化、泛素化、磷酸化、ADP 核糖基化等多种修饰，对染色质结构的维持具有重要作用；与DNA 损伤修复和DNA 复制等基因表达调控密切相关［11］。

从最初表示抽象的符号、代表基因组中的一段DNA 序列，到最后基因表达中的组蛋白修饰，人们对基因的结构和功能了解得越来越多，基因逐渐成为遗传学中的一个重要词汇。

3 中学生物学教材关于基因概念的介绍及不足

我国现行有5 种版本的高中生物学教材，本文以人民教育出版社出版的《普通高中课程标准实验教科书·生物》（简称人教版）为例，解析教材中基因概念相关知识，以期更好地促进中学生物学遗传学内容教学。

人教版必修2《遗传与进化》以遗传的物质基础—遗传的基本规律—伴性遗传—生物的变异—人类遗传病与优生—现代生物进化理论简介为主线。该主线按照先物质、后规律的顺序展开，属于知识逻辑体系的范畴。教材开篇即提及了150年前孟德尔以豌豆为材料，推理发现了遗传学的两大基本遗传规律：“基因分离定律”和“自由组合定律”，并提出了“遗传因子”的概念。约翰逊用“基因”一词替代了孟德尔的“遗传因子”。这是关于基因概念最初的介绍，还处于工具的基因。之后教材相关内容为基因在染色体上，萨顿的假说和摩尔根的果蝇杂交实验，认识到了基因与染色体行为存在着明显的平行关系，提出染色体是基因的载体。接着再到J.D.Watson 和F.Crick 构建DNA双螺旋结构模型，确定了基因的化学本质是具有遗传效应的DNA 片段［4］，更新了基因的概念。

在教材的第5 章第3 节“人类遗传病”中，以资料搜集和分析链接的形式介绍了人类基因组计划及其影响。至此，基因概念介绍完毕。从基因概念的发展和以上中学生物学教材对比分析，教材中关于基因概念的介绍重点放在了孟德尔的遗传发现和研究以阐述遗传的基本规律，以及讲述减数分裂和受精过程中细胞结构的动态变化从而揭示遗传的细胞基础，对于DNA 序列的基因概念及人类基因组计划介绍较少。

4 中学生物学中基因概念教学的思考

4.1 重逻辑，调顺序 《遗传与进化》是中学生物学现代遗传学理论体系的反映，对学生理解生命的延续和发展有重要意义。但学生要将不可见、不可及的染色体行为变化，与生物的性状遗传相结合较为困难。透过科学哲学观，在遵循先物质、后规律的顺序基础之上，针对学生的理解情况，可调整部分授课内容的先后顺序，使逻辑结构更加清晰。例如，教材中减数分裂和受精作用为第2 章的内容，孟德尔豌豆杂交实验则是开篇第1 章，在实际教学中，教师可将二者顺序对调。通过先学习减数分裂和受精作用，使学生全面认识细胞分裂的种类、实质和意义，奠定细胞学基础后再学习孟德尔“遗传因子”的提出，再到基因在染色体上等基因概念内容的连贯学习，有助于学生构建知识的完整性，以及降低学生理解基因概念等遗传学知识难度的梯度。减数分裂与之前学习的有丝分裂密切相关，是一种特殊方式的有丝分裂，以这样的逻辑顺序开启对《遗传与进化》的学习，更有益于学生对知识的过渡和理解，促进教学。

4.2 重本质，转概念 在生物科学领域有大量的科学概念，而学生在接受正规的科学教育之前就已经形成了自己的一种概念，这是学生对客观世界的朴素概念。其中有些完全与科学概念相悖，尤其以遗传学内容最为突出。这就需要教师及时消除学生的相异构想，构建科学概念。

“基因是有遗传效应的DNA 片段”这一内容授课结束后，关于“DNA 或基因的化学本质是什么？”学生仍然混为一谈，不能对其进行区分。教师应强调基因是带有遗传讯息的DNA 片段，而DNA 是一种双链分子，始终具有生物学教学中真实的物理结构。明确科学概念的本质，也是科学哲学中重要研究内容之一。

教材基因工程章节内容涉及到讨论转基因生物和转基因食品的安全性问题。其中主要有2 种观点，一是转基因食品不安全，要严格控制；二是转基因食品是安全的，应大范围推广。绝大多数学生出于对转基因技术的担忧，希望科学家能证明转基因“绝对”安全。在学生的日常概念中，转基因食品抗虫害，既然虫子食用后会导致死亡，人也不应该食用。这就需要教师引导学生通过真正理性的讨论把转基因问题讲清楚，批准后上市的转基因食品是经过安全性实验的，是可以接受的［12］。马克思主义哲学表示，人们对事物的认识具有相对真理性，是对事物相对正确的反映。所以，人们今天对转基因的认识也具有相对真理性。

总之，对于基因概念的发展和定义需要不断提出问题并解决问题。从科学哲学角度，运用科学认识论与方法论，通过调整教学的有效实施，以及引导学生对概念转变的过程，可以训练学生的科学思维，在较好理解生物学概念的基础上形成生命观念。