學(xué)科教育論文-高中生物“遺傳與進(jìn)化”模塊邏輯體系簡(jiǎn)論.doc

學(xué)科教育論文-高中生物“遺傳與進(jìn)化”模塊邏輯體系簡(jiǎn)論摘要：現(xiàn)代遺傳學(xué)的理論體系，是一個(gè)以科學(xué)事實(shí)為邏輯起點(diǎn)的公理化體系。同時(shí)，遺傳學(xué)的發(fā)展，為小進(jìn)化的研究提供了邏輯基礎(chǔ)。普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）“遺傳與進(jìn)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(jìn)化論的發(fā)展過程中，科學(xué)家運(yùn)用了多種科學(xué)方法，具有很高的科學(xué)認(rèn)識(shí)教育價(jià)值。教材的編寫，可以按邏輯線索進(jìn)行，也可以按學(xué)科發(fā)展的歷史線索進(jìn)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(jià)值之所在。關(guān)鍵詞：高中生物課程；“遺傳與進(jìn)化”模塊；邏輯體系；小進(jìn)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(rèn)為像“遺傳與進(jìn)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(shí)或概念作為邏輯起點(diǎn)，通過演繹推理構(gòu)建一個(gè)公理化的體系。1本文擬對(duì)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(shí)驗(yàn)獲得感性認(rèn)識(shí)。孟德爾正是通過豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，獲得了大量經(jīng)驗(yàn)材料。但是，感性材料的獲得只是認(rèn)識(shí)的第一步，認(rèn)識(shí)的真正任務(wù)在于達(dá)到理性認(rèn)識(shí)。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(yàn)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(yùn)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?？茖W(xué)抽象是一個(gè)復(fù)雜的思維過程。第一步是以經(jīng)驗(yàn)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?cè)诳茖W(xué)實(shí)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(duì)性狀”的概念，并進(jìn)一步把它區(qū)分為“顯性性狀”和“隱性性狀”。第二步，是運(yùn)用概念進(jìn)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(shí)的混沌的總和，而是受一定規(guī)律支配的有組織的知識(shí)。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(gè)過程從邏輯方法的角度看，是一個(gè)歸納推理的過程：前提是若干科學(xué)事實(shí)，結(jié)論是從前提中通過推理得到一般規(guī)律。在科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)中，科學(xué)抽象與邏輯方法是同一認(rèn)識(shí)過程中的兩個(gè)側(cè)面。一方面，認(rèn)識(shí)過程是一個(gè)不斷抽象形成科學(xué)概念的過程；另一方面，認(rèn)識(shí)過程是一個(gè)運(yùn)用邏輯方法進(jìn)行判斷和推理的過程。認(rèn)識(shí)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(dāng)對(duì)科學(xué)事實(shí)的認(rèn)識(shí)達(dá)到一定程度后，就必須通過理論思維的能動(dòng)作用，運(yùn)用各種理論思維方法進(jìn)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(shí)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(jiǎn)單性原則。2對(duì)“簡(jiǎn)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(yùn)用的簡(jiǎn)單性原則的含義，是事物內(nèi)部的簡(jiǎn)單性，即認(rèn)為在對(duì)自然的認(rèn)識(shí)中，最簡(jiǎn)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(jiǎn)單性，并不是指學(xué)生在精通這種體系時(shí)產(chǎn)生的困難最小，而是指這種體系所包含的彼此獨(dú)立的假設(shè)或公設(shè)最少?！?近代科學(xué)中，道爾頓首先在19世紀(jì)初按照簡(jiǎn)單性原則，把宏觀的、高層次的、憑感官能覺察但認(rèn)識(shí)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(dāng)時(shí)道爾頓的認(rèn)識(shí)），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(dá)到對(duì)化學(xué)物質(zhì)和化學(xué)變化的全面、深刻的認(rèn)識(shí)，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(rèn)識(shí)模式，我們不得而知。但他運(yùn)用簡(jiǎn)單性原則取得了成功。他建立了遺傳因子成對(duì)存在的模型并創(chuàng)造了符號(hào)體系予以表達(dá)，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(shí)基礎(chǔ)和知識(shí)依據(jù)，但畢竟不同于科學(xué)理論，它帶有一定的猜測(cè)性和或然性。因此，在建立起假說后，孟德爾又運(yùn)用演繹推理以測(cè)交實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其遺傳因子假說。演繹推理是進(jìn)行邏輯證明的一種重要方法，是運(yùn)用一般原理對(duì)具體事物進(jìn)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(jì)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(hào)體系予以表達(dá)并與有計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)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(dāng)時(shí)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(shí)代的最優(yōu)秀的生物學(xué)家所認(rèn)同的原因。但正是這種方法的建立使遺傳學(xué)不斷取得進(jìn)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(diǎn)是分離現(xiàn)象的自由組合現(xiàn)象，概括得出這兩個(gè)現(xiàn)象時(shí)孟德爾使用的歸納方法是簡(jiǎn)單枚舉法，即根據(jù)若干對(duì)象都具有某種屬性而無一反例，于是推論得出該類對(duì)象都具有這種屬性的結(jié)論。簡(jiǎn)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(jìn)一步加以研究和驗(yàn)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(duì)象之間的必然聯(lián)系。如果能夠確定某屬性是該類對(duì)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(jiǎn)單枚舉法過渡到科學(xué)歸納法了。細(xì)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?yàn)樗鼈兏鶕?jù)對(duì)遺傳現(xiàn)象和遺傳物質(zhì)之間必然聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，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(shí)，經(jīng)過分子遺傳學(xué)的建立這一場(chǎng)“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?，F(xiàn)代遺傳學(xué)的邏輯起點(diǎn)是三個(gè)方面的科學(xué)事實(shí)，一是有性生殖細(xì)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(gè)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(duì)遺傳信息的儲(chǔ)存、傳遞和表達(dá)（分子遺傳學(xué)中心法則）。通過對(duì)這三方面所發(fā)現(xiàn)的科學(xué)事實(shí)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(jìn)化理論構(gòu)建的科學(xué)方法達(dá)爾文進(jìn)化論包括兩方面的內(nèi)容，一是肯定生物是進(jìn)化的，二是說明生物進(jìn)化的機(jī)理。對(duì)于“生物是進(jìn)化的”這個(gè)結(jié)論，達(dá)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(yùn)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(dá)爾文的物種起源發(fā)表后，進(jìn)化論取得了勝利。對(duì)“生物進(jìn)化的機(jī)理”，達(dá)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(gè)理論可以取而代之。對(duì)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(diǎn)是四個(gè)科學(xué)事實(shí)：過度繁殖、遺傳變異、生存斗爭(zhēng)和隔離。達(dá)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(diǎn)的四個(gè)科學(xué)事實(shí)中，過度繁殖和生存斗爭(zhēng)，可以通過觀察直接證實(shí)；對(duì)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(duì)于小種群來說，確實(shí)能使物種分化，這已成為珍稀動(dòng)物保護(hù)中建立“種群通道”的理論依據(jù)?，F(xiàn)在的爭(zhēng)議在選擇理論。達(dá)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(jìn)行的，而且是實(shí)驗(yàn)上可控的原理。把這樣一種原理擴(kuò)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(shí)證。因此，一些人從思維方式和科學(xué)方法的角度，對(duì)自然選擇學(xué)說提出了質(zhì)疑。伴隨對(duì)生物進(jìn)化過程中物種演變認(rèn)識(shí)的深入，遺傳學(xué)家歌德斯密特（R.B.Goldshmidt）在1940年提出了“大進(jìn)化”和“小進(jìn)化”的概念。1944年古生物學(xué)家辛普森（G.G.Simpson）對(duì)此概念又做了修正并給予明確定義，認(rèn)為小進(jìn)化（microevolution）考察進(jìn)化過程中物種內(nèi)性狀維持或變異的規(guī)律，大進(jìn)化（macroevolution）則研究物種規(guī)模演變的特征。達(dá)爾文和他以后的許多進(jìn)化論者把生物個(gè)體看作是進(jìn)化的單位，但小進(jìn)化的研究表明這樣的認(rèn)識(shí)是不對(duì)的。實(shí)際上，進(jìn)化的單位，對(duì)無性生殖的生物是無性繁殖系，對(duì)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(dòng)下，達(dá)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(kù)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(jìn)化的單位不再是生物個(gè)體，而是擴(kuò)展到種群。這是對(duì)達(dá)爾文進(jìn)化論的一次重要修正，人們把這次修正后的達(dá)爾文進(jìn)化論稱為“現(xiàn)代綜合論”（themodernsynthesis）?，F(xiàn)代進(jìn)化理論對(duì)小進(jìn)化的研究，以遺傳平衡定律（Hardy-Weinberg定律，1908）為基礎(chǔ)，引進(jìn)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?yàn)檫z傳學(xué)在這個(gè)方面的發(fā)展。然而，對(duì)現(xiàn)代綜合論，基于種群遺傳學(xué)基礎(chǔ)之上的小進(jìn)化模式是否可以解釋物種形成和高級(jí)分類群起源等大進(jìn)化現(xiàn)象，多年來一直是進(jìn)化生物學(xué)中爭(zhēng)論的一個(gè)焦點(diǎn)問題。特別是20世紀(jì)70年代以來，古生物學(xué)研究證明生物的大進(jìn)化過程并不總是與環(huán)境的變遷相一致。例如，我國(guó)云南澄江動(dòng)物群化石揭示的寒武紀(jì)大爆發(fā)之類的進(jìn)化現(xiàn)象（還包括大絕滅現(xiàn)象）告訴我們，進(jìn)化不是一個(gè)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(gè)類群內(nèi)對(duì)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(jìn)化不僅是由環(huán)境的變化和生存斗爭(zhēng)決定的，它還受生命系統(tǒng)內(nèi)部因素的制約。特別是大進(jìn)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(fù)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(duì)系統(tǒng)的發(fā)展也存在一定的自身干預(yù)，如作為進(jìn)化單位的種群內(nèi)部的性選擇對(duì)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(gè)退化的過程。20世紀(jì)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(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育和系統(tǒng)進(jìn)化過程，同時(shí)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(jī)因素中發(fā)展著，并不只是適應(yīng)環(huán)境的變化。在生物進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)“遺傳與進(jìn)化”模塊的知識(shí)體系，沒有按遺傳學(xué)和進(jìn)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(gè)公理化的體系。公理化體系的特點(diǎn)是先提供不容置疑的科學(xué)事實(shí)或概念作為邏輯起點(diǎn)，然后主要運(yùn)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(diǎn)、邏輯中介、邏輯順序和邏輯終點(diǎn)四個(gè)基本環(huán)節(jié)。1.邏輯起點(diǎn)。邏輯起點(diǎn)是形成理論的起點(diǎn)，它必須是：對(duì)事物最簡(jiǎn)單和最一般的本質(zhì)規(guī)定；能構(gòu)成所研究對(duì)象的基本單位；包含事物整個(gè)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(duì)性狀”“基因”等概念，就是經(jīng)典遺傳學(xué)理論的邏輯起點(diǎn)。2.邏輯中介。邏輯中介是聯(lián)結(jié)起點(diǎn)和終點(diǎn)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(diǎn)：起溝通和聯(lián)結(jié)的作用，能把邏輯起點(diǎn)和邏輯終點(diǎn)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(duì)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)