學(xué)科教育論文-高中生物“遺傳與進化”模塊邏輯體系簡論.doc

學(xué)科教育論文-高中生物“遺傳與進化”模塊邏輯體系簡論摘要：現(xiàn)代遺傳學(xué)的理論體系，是一個以科學(xué)事實為邏輯起點的公理化體系。同時，遺傳學(xué)的發(fā)展，為小進化的研究提供了邏輯基礎(chǔ)。普通高中生物課程標準（實驗）“遺傳與進化”模塊的內(nèi)容體系，就是按邏輯規(guī)則構(gòu)建的。在遺傳學(xué)和進化論的發(fā)展過程中，科學(xué)家運用了多種科學(xué)方法，具有很高的科學(xué)認識教育價值。教材的編寫，可以按邏輯線索進行，也可以按學(xué)科發(fā)展的歷史線索進行。抽象思維與形象思維的結(jié)合，是本模塊的重要思維訓(xùn)練價值之所在。關(guān)鍵詞：高中生物課程；“遺傳與進化”模塊；邏輯體系；小進化Abstract:Thetheoreticalsystemofmoderngeneticsisaxiomsystemwithscientifictruthasthelogicalstartingpoint.Atthesametime,thedevelopmentofgeneticsprovidelogicalbasisfortheresearchofsmallevolution.ThecontentsystemofhereditaryandevolutionmoduleinTheBiologyCurriculumStandardsinGeneralSeniorMiddleSchools（experimentaledition）isconstructedaccordingtologicalregulations.Inthedevelopmentalcoursesofgeneticsandevolutionism,scientistshaveusedmanyscientificwayswhichhaveveryhigheducationalvaluesforscientificrealization.Teachingmaterialscouldbewritteninaccordancewithlogicallinesorwithhistoricallinesofsubjectdevelopment,whichhasitsownsignificance.Andthecombinationofabstractthinkingandthinkinginimagesshowstheimportantvaluesofthinkingtraininginthismodule.Keywords:biologyinseniormiddleschools；hereditaryandevolutionmodule；logicalsystem；smallevolution關(guān)于生物課程內(nèi)容體系的建構(gòu)，作者曾在高中生物課程內(nèi)容建構(gòu)及穩(wěn)態(tài)與環(huán)境模塊的分析一文中作過討論，認為像“遺傳與進化”模塊的內(nèi)容，可以按形式邏輯的方法，確定若干科學(xué)事實或概念作為邏輯起點，通過演繹推理構(gòu)建一個公理化的體系。1本文擬對此做一具體分析。一、現(xiàn)代遺傳學(xué)理論的構(gòu)建科學(xué)研究首先要通過觀察和實驗獲得感性認識。孟德爾正是通過豌豆雜交實驗，獲得了大量經(jīng)驗材料。但是，感性材料的獲得只是認識的第一步，認識的真正任務(wù)在于達到理性認識。這就需要用科學(xué)的方法去處理這些材料。如何處理？首先要概括總結(jié)出這些經(jīng)驗材料所反映的事物的本質(zhì)和變化規(guī)律。這需要科學(xué)抽象。所謂科學(xué)抽象，就是人們運用思維能力，透過事物的各種現(xiàn)象，抽取出事物的本質(zhì)屬性及其變化發(fā)展規(guī)律。科學(xué)抽象是一個復(fù)雜的思維過程。第一步是以經(jīng)驗材料為基礎(chǔ)形成概念，就是從“感性上的具體”上升到“抽象的規(guī)定”。所謂“感性上的具體”，就是人們在科學(xué)實踐中形成的混沌的表象；所謂“抽象的規(guī)定”，就是通過一定的方法抽象出事物的本質(zhì)屬性。孟德爾正是從豌豆大量具體的遺傳性狀（如花的顏色、子葉是否飽滿、植株的高矮等）中，抽象出“相對性狀”的概念，并進一步把它區(qū)分為“顯性性狀”和“隱性性狀”。第二步，是運用概念進行判斷和推理，建構(gòu)規(guī)律、原理，就是從“抽象的規(guī)定”上升為“思維中的具體”。“思維中的具體”不同于“感性上的具體”，感性材料已不再是各種事實的混沌的總和，而是受一定規(guī)律支配的有組織的知識。孟德爾就是依據(jù)顯性性狀和隱性性狀等概念，總結(jié)出了分離現(xiàn)象和自由組合現(xiàn)象。整個過程從邏輯方法的角度看，是一個歸納推理的過程：前提是若干科學(xué)事實，結(jié)論是從前提中通過推理得到一般規(guī)律。在科學(xué)認識活動中，科學(xué)抽象與邏輯方法是同一認識過程中的兩個側(cè)面。一方面，認識過程是一個不斷抽象形成科學(xué)概念的過程；另一方面，認識過程是一個運用邏輯方法進行判斷和推理的過程。認識了分離現(xiàn)象和自由組合現(xiàn)象后，孟德爾沒有停步，他開始建立遺傳因子假說。在科學(xué)研究中，當對科學(xué)事實的認識達到一定程度后，就必須通過理論思維的能動作用，運用各種理論思維方法進行整理和加工，建立科學(xué)假說。這是將研究引向深入的重要環(huán)節(jié)和一般方法。在孟德爾所處的時代，科學(xué)界盛行的理論思維方法是牛頓的方法。牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中提出的第一條科學(xué)方法規(guī)則，就是簡單性原則。2對“簡單性原則”概念的界定，學(xué)術(shù)界至今尚無一致意見。牛頓和孟德爾所運用的簡單性原則的含義，是事物內(nèi)部的簡單性，即認為在對自然的認識中，最簡單的解釋總是比較可取的。正如愛因斯坦所說：“我們所謂的簡單性，并不是指學(xué)生在精通這種體系時產(chǎn)生的困難最小，而是指這種體系所包含的彼此獨立的假設(shè)或公設(shè)最少。”3近代科學(xué)中，道爾頓首先在19世紀初按照簡單性原則，把宏觀的、高層次的、憑感官能覺察但認識還不夠清楚的化學(xué)物質(zhì)的多樣性、復(fù)雜性，分解成數(shù)量無限多而種類比較少的微觀的、低層次的、感官不能直接察覺的物質(zhì)最小微粒原子（當時道爾頓的認識），再以原子之間的相互聯(lián)系和相互作用，來理解、說明、解釋化學(xué)物質(zhì)的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能和屬性的無限多樣性、復(fù)雜性，達到對化學(xué)物質(zhì)和化學(xué)變化的全面、深刻的認識，從而奠定了現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)。孟德爾在創(chuàng)建其遺傳因子假說的過程中，有否借鑒道爾頓的原子論認識模式，我們不得而知。但他運用簡單性原則取得了成功。他建立了遺傳因子成對存在的模型并創(chuàng)造了符號體系予以表達，以有限種類基因的無限組合，解釋了無限種生命形式的存在。假說雖然具有一定的事實基礎(chǔ)和知識依據(jù)，但畢竟不同于科學(xué)理論，它帶有一定的猜測性和或然性。因此，在建立起假說后，孟德爾又運用演繹推理以測交實驗驗證其遺傳因子假說。演繹推理是進行邏輯證明的一種重要方法，是運用一般原理對具體事物進行推論并作出科學(xué)預(yù)見和發(fā)展科學(xué)理論的必要環(huán)節(jié)。由此可見，孟德爾工作的開拓性，除了正確選擇材料和采用統(tǒng)計方法，更重要的是巧妙地抽象出科學(xué)概念，建立假說，創(chuàng)造符號體系予以表達并與有計劃的實驗相結(jié)合。這種方法自伽利略和牛頓以來在物理學(xué)中一直被使用，但在當時的生物學(xué)中無人知曉。這可能是孟德爾的工作沒有被與他同時代的最優(yōu)秀的生物學(xué)家所認同的原因。但正是這種方法的建立使遺傳學(xué)不斷取得進展并成為一門真正的科學(xué)。從邏輯方法來分析，遺傳因子假說的邏輯起點是分離現(xiàn)象的自由組合現(xiàn)象，概括得出這兩個現(xiàn)象時孟德爾使用的歸納方法是簡單枚舉法，即根據(jù)若干對象都具有某種屬性而無一反例，于是推論得出該類對象都具有這種屬性的結(jié)論。簡單枚舉歸納法得出的結(jié)論帶有某種程度的或然性，不能作為科學(xué)理論來使用，只能提供尚需進一步加以研究和驗證的一種假定。為了從根本上提高結(jié)論的可靠性，必須努力發(fā)現(xiàn)某種屬性與某類對象之間的必然聯(lián)系。如果能夠確定某屬性是該類對象所必然具有的，那么其推論就最終成立了。這樣，推理方法也就由簡單枚舉法過渡到科學(xué)歸納法了。細胞遺傳學(xué)和分子遺傳學(xué)的成果，最終證明了孟德爾假說的正確性，因為它們根據(jù)對遺傳現(xiàn)象和遺傳物質(zhì)之間必然聯(lián)系的認識，推定分離規(guī)律和自由組合規(guī)律具有普遍性。至此，孟德爾假說才被確立為遺傳學(xué)理論。其實，經(jīng)過分子遺傳學(xué)的建立這一場“科學(xué)革命”后，現(xiàn)代遺傳學(xué)的“范式”與經(jīng)典遺傳學(xué)已經(jīng)完全不同了。現(xiàn)代遺傳學(xué)的邏輯起點是三個方面的科學(xué)事實，一是有性生殖細胞的形成和受精作用（特別是這些過程中染色體的變化）；二是DNA是主要的遺傳物質(zhì)，每個染色體都是由特定的DNA鏈和蛋白質(zhì)組成的；三是遺傳物質(zhì)對遺傳信息的儲存、傳遞和表達（分子遺傳學(xué)中心法則）。通過對這三方面所發(fā)現(xiàn)的科學(xué)事實的綜合，建構(gòu)起了現(xiàn)代遺傳學(xué)理論。而前面所述的遺傳學(xué)的發(fā)生發(fā)展過程，已經(jīng)成為歷史。二、進化理論構(gòu)建的科學(xué)方法達爾文進化論包括兩方面的內(nèi)容，一是肯定生物是進化的，二是說明生物進化的機理。對于“生物是進化的”這個結(jié)論，達爾文在自己的環(huán)球考察和前人研究的基礎(chǔ)上，收集了大量的材料，主要運用歸納法得出。后來，又有越來越多的發(fā)現(xiàn)提供了新的證據(jù)。迄今未遇到反例。因此可以說，自1859年達爾文的物種起源發(fā)表后，進化論取得了勝利。對“生物進化的機理”，達爾文用自然選擇理論解釋?，F(xiàn)在有許多異議，但尚未有一個理論可以取而代之。對此，我們從科學(xué)方法的角度做一分析。自然選擇理論的邏輯起點是四個科學(xué)事實：過度繁殖、遺傳變異、生存斗爭和隔離。達爾文以它們?yōu)榛A(chǔ)，通過與人工選擇的類比，依據(jù)因果關(guān)系而建立起理論體系。在作為邏輯起點的四個科學(xué)事實中，過度繁殖和生存斗爭，可以通過觀察直接證實；對遺傳變異，現(xiàn)代科學(xué)研究也已充分證明，在各種生物中都發(fā)現(xiàn)了大量的突變，遺傳多態(tài)現(xiàn)象（polymorphism）廣泛存在；隔離阻斷了基因交流，對于小種群來說，確實能使物種分化，這已成為珍稀動物保護中建立“種群通道”的理論依據(jù)?，F(xiàn)在的爭議在選擇理論。達爾文的自然選擇理論是通過與“人工選擇”的類比而建立的，因此僅僅是一種推斷。人工選擇是在有限范圍內(nèi)進行的，而且是實驗上可控的原理。把這樣一種原理擴展成普遍意義上的原理，是否可以？而且到目前為止，人們除了在多倍體植物中發(fā)生的一些例子外，在可以觀察的范圍內(nèi)從來沒有出現(xiàn)過新物種。所以，通過自然選擇產(chǎn)生新物種尚缺乏實證。因此，一些人從思維方式和科學(xué)方法的角度，對自然選擇學(xué)說提出了質(zhì)疑。伴隨對生物進化過程中物種演變認識的深入，遺傳學(xué)家歌德斯密特（R.B.Goldshmidt）在1940年提出了“大進化”和“小進化”的概念。1944年古生物學(xué)家辛普森（G.G.Simpson）對此概念又做了修正并給予明確定義，認為小進化（microevolution）考察進化過程中物種內(nèi)性狀維持或變異的規(guī)律，大進化（macroevolution）則研究物種規(guī)模演變的特征。達爾文和他以后的許多進化論者把生物個體看作是進化的單位，但小進化的研究表明這樣的認識是不對的。實際上，進化的單位，對無性生殖的生物是無性繁殖系，對有性繁殖的生物是通過有性生殖聯(lián)系起來的種群。這樣，在遺傳學(xué)研究成果的直接推動下，達爾文的自然選擇學(xué)說發(fā)生了一次大的改造，主要體現(xiàn)在選擇的效果不再是“生”或“死”的問題，而變成了在生物的繁衍過程中，突變基因?qū)ΨN群基因庫分布（某突變基因和與它同源的等位野生型基因在種群總基因數(shù)中的比例）的影響大小的問題；生物進化的單位不再是生物個體，而是擴展到種群。這是對達爾文進化論的一次重要修正，人們把這次修正后的達爾文進化論稱為“現(xiàn)代綜合論”（themodernsynthesis）?，F(xiàn)代進化理論對小進化的研究，以遺傳平衡定律（Hardy-Weinberg定律，1908）為基礎(chǔ)，引進適合度（fitness）和選擇系數(shù)（selectivecoefficient）的概念后，為自然選擇學(xué)說提供了可靠的邏輯基礎(chǔ)和定量概念，是自然選擇學(xué)說的重要發(fā)展。現(xiàn)在許多生物學(xué)家接受選擇理論，正是因為遺傳學(xué)在這個方面的發(fā)展。然而，對現(xiàn)代綜合論，基于種群遺傳學(xué)基礎(chǔ)之上的小進化模式是否可以解釋物種形成和高級分類群起源等大進化現(xiàn)象，多年來一直是進化生物學(xué)中爭論的一個焦點問題。特別是20世紀70年代以來，古生物學(xué)研究證明生物的大進化過程并不總是與環(huán)境的變遷相一致。例如，我國云南澄江動物群化石揭示的寒武紀大爆發(fā)之類的進化現(xiàn)象（還包括大絕滅現(xiàn)象）告訴我們，進化不是一個連續(xù)的過程而表現(xiàn)為階段性的過程，最初是以迅速形成幾種主要類群的方式爆發(fā)性地形成類群的階段，然后是緩慢的物種形成和在每個類群內(nèi)對不同棲息地逐漸適應(yīng)的階段，最后是衰落和絕滅階段。因此，進化不僅是由環(huán)境的變化和生存斗爭決定的，它還受生命系統(tǒng)內(nèi)部因素的制約。特別是大進化，更是如此。從控制論的角度看，生命系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)是反饋調(diào)節(jié)的結(jié)果。生命系統(tǒng)可能通過負反饋調(diào)節(jié)而保持穩(wěn)態(tài)，也可能通過正反饋調(diào)節(jié)打破原有的穩(wěn)態(tài)，從而建立新的穩(wěn)態(tài)或趨于毀滅。因此，選擇并非只是自然的選擇，生命系統(tǒng)作為自組織系統(tǒng)，對系統(tǒng)的發(fā)展也存在一定的自身干預(yù)，如作為進化單位的種群內(nèi)部的性選擇對基因頻率的影響等。從熱力學(xué)的角度看，熱力學(xué)第二定律揭示的孤立系統(tǒng)的熵增加，是一個退化的過程。20世紀中葉誕生的非平衡態(tài)熱力學(xué)，說明生命系統(tǒng)在本質(zhì)上都是開放系統(tǒng)。它們的結(jié)構(gòu)都是耗散結(jié)構(gòu)，因而可以發(fā)生“熵減少”的個體生長發(fā)育和系統(tǒng)進化過程，同時其中也可以包含局部的熵增加過程。所以，任何生命系統(tǒng)都在大量偶然的隨機因素中發(fā)展著，并不只是適應(yīng)環(huán)境的變化。在生物進化的過程中，內(nèi)因是變化的根據(jù)，而外因只是變化的條件。三、“遺傳與進化”模塊邏輯體系的構(gòu)建（一）模塊體系構(gòu)建的邏輯方法標準對“遺傳與進化”模塊的知識體系，沒有按遺傳學(xué)和進化論的發(fā)展歷史線索構(gòu)建，而以邏輯線索構(gòu)建，形成一個公理化的體系。公理化體系的特點是先提供不容置疑的科學(xué)事實或概念作為邏輯起點，然后主要運用形式邏輯的方法，通過判斷、推理、證明來建構(gòu)，其邏輯形式包括邏輯起點、邏輯中介、邏輯順序和邏輯終點四個基本環(huán)節(jié)。1.邏輯起點。邏輯起點是形成理論的起點，它必須是：對事物最簡單和最一般的本質(zhì)規(guī)定；能構(gòu)成所研究對象的基本單位；包含事物整個發(fā)展過程中一切矛盾的“胚芽”。例如，經(jīng)典遺傳學(xué)中的“相對性狀”“基因”等概念，就是經(jīng)典遺傳學(xué)理論的邏輯起點。2.邏輯中介。邏輯中介是聯(lián)結(jié)起點和終點之間由一系列的概念、模型所組成的中間環(huán)節(jié)。它具有以下特點：起溝通和聯(lián)結(jié)的作用，能把邏輯起點和邏輯終點聯(lián)結(jié)起來，構(gòu)成一環(huán)扣一環(huán)的邏輯整體；以事物之間的內(nèi)在聯(lián)系為依據(jù)，不能任意跳躍。例如，經(jīng)典遺傳學(xué)中的表現(xiàn)型、基因型、等位基因等概念和模型，就是經(jīng)典遺傳學(xué)理論的邏輯中介。3.邏輯順序。邏輯順序是概念、模型、原理之間前后相繼或相互隸屬的關(guān)系。確定邏輯順序的方式主要有兩種：從屬性的聯(lián)系方式，如相對性狀與顯性性狀、隱性性狀之間，基因型與純合子、雜合子之間的聯(lián)系，按照這種方式確定的邏輯順序主要反映客觀事物內(nèi)