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摘要：現(xiàn)代遺傳學的理論體系，是一個以科學事實為邏輯起點的公理化體系。同時，遺傳學的發(fā)展，為小進化的研究提供了邏輯基礎。《普通高中生物課程標準（實驗）》“遺傳與進化”模塊的內容體系，就是按邏輯規(guī)則構建的。在遺傳學和進化論的發(fā)展過程中，科學家運用了多種科學方法，具有很高的科學認識教育價值。教材的編寫，可以按邏輯線索進行，也可以按學科發(fā)展的歷史線索進行。抽象思維與形象思維的結合，是本模塊的重要思維訓練價值之所在。

關鍵詞：高中生物課程；“遺傳與進化”模塊；邏輯體系；小進化

關于生物課程內容體系的建構，作者曾在《高中生物課程內容建構及穩(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”模塊的內容，可以按形式邏輯的方法，確定若干科學事實或概念作為邏輯起點，通過演繹推理構建一個公理化的體系。[1]本文擬對此做一具體分析。

一、現(xiàn)代遺傳學理論的構建

科學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，認識的真正任務在于達到理性認識。這就需要用科學的方法去處理這些材料。如何處理？首先要概括總結出這些經(jīng)驗材料所反映的事物的本質和變化規(guī)律。這需要科學抽象。所謂科學抽象，就是人們運用思維能力，透過事物的各種現(xiàn)象，抽取出事物的本質屬性及其變化發(fā)展規(guī)律。科學抽象是一個復雜的思維過程。第一步是以經(jīng)驗材料為基礎形成概念，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：前提是若干科學事實，結論是從前提中通過推理得到一般規(guī)律。在科學認識活動中，科學抽象與邏輯方法是同一認識過程中的兩個側面。一方面，認識過程是一個不斷抽象形成科學概念的過程；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。在科學研究中，當對科學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，科學界盛行的理論思維方法是牛頓的方法。牛頓在《自然哲學的數(shù)學原理》中提出的第一條科學方法規(guī)則，就是簡單性原則。[2]對“簡單性原則”概念的界定，學術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或公設最少。”[3]近代科學中，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物質的多樣性、復雜性，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、解釋化學物質的形態(tài)、結構、功能和屬性的無限多樣性、復雜性，達到對化學物質和化學變化的全面、深刻的認識，從而奠定了現(xiàn)代化學的基礎。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和知識依據(jù)，但畢竟不同于科學理論，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預見和發(fā)展科學理論的必要環(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合。這種方法自伽利略和牛頓以來在物理學中一直被使用，但在當時的生物學中無人知曉。這可能是孟德爾的工作沒有被與他同時代的最優(yōu)秀的生物學家所認同的原因。但正是這種方法的建立使遺傳學不斷取得進展并成為一門真正的科學。

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論。簡單枚舉歸納法得出的結論帶有某種程度的或然性，不能作為科學理論來使用，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歸納法了。細胞遺傳學和分子遺傳學的成果，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理論。

其實，經(jīng)過分子遺傳學的建立這一場“科學革命”后，現(xiàn)代遺傳學的“范式”與經(jīng)典遺傳學已經(jīng)完全不同了。現(xiàn)代遺傳學的邏輯起點是三個方面的科學事實，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，每個染色體都是由特定的DNA鏈和蛋白質組成的；三是遺傳物質對遺傳信息的儲存、傳遞和表達（分子遺傳學中心法則）。通過對這三方面所發(fā)現(xiàn)的科學事實的綜合，建構起了現(xiàn)代遺傳學理論。而前面所述的遺傳學的發(fā)生發(fā)展過程，已經(jīng)成為歷史。

二、進化理論構建的科學方法

達爾文進化論包括兩方面的內容，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”這個結論，達爾文在自己的環(huán)球考察和前人研究的基礎上，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。現(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�礎，通過與人工選擇的類比，依據(jù)因果關系而建立起理論體系。在作為邏輯起點的四個科學事實中，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)。現(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方法的角度，對自然選擇學說提出了質疑。伴隨對生物進化過程中物種演變認識的深入，遺傳學家歌德斯密特（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，在遺傳學研究成果的直接推動下，達爾文的自然選擇學說發(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，突變基因對種群基因庫分布（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”（the modern synthesis）。

現(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，引進適合度（fitness）和選擇系數(shù)（selective coefficient）的概念后，為自然選擇學說提供了可靠的邏輯基礎和定量概念，是自然選擇學說的重要發(fā)展。現(xiàn)在許多生物學家接受選擇理論，正是因為遺傳學在這個方面的發(fā)展。然而，對現(xiàn)代綜合論，基于種群遺傳學基礎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對不同棲息地逐漸適應的階段，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)是反饋調節(jié)的結果。生命系統(tǒng)可能通過負反饋調節(jié)而保持穩(wěn)態(tài)，也可能通過正反饋調節(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，如作為進化單位的種群內部的性選擇對基因頻率的影響等。從熱力學的角度看，熱力學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，說明生命系統(tǒng)在本質上都是開放系統(tǒng)。它們的結構都是耗散結構，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，并不只是適應環(huán)境的變化。在生物進化的過程中，內因是變化的根據(jù)，而外因只是變化的條件。

三、“遺傳與進化”模塊邏輯體系的構建

（一）模塊體系構建的邏輯方法

《標準》對“遺傳與進化”模塊的知識體系，沒有按遺傳學和進化論的發(fā)展歷史線索構建，而以邏輯線索構建，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，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：①對事物最簡單和最一般的本質規(guī)定；②能構成所研究對象的基本單位；③包含事物整個發(fā)展過程中一切矛盾的“胚芽”。例如，經(jīng)典遺傳學中的“相對性狀”“基因”等概念，就是經(jīng)典遺傳學理論的邏輯起點。

2.邏輯中介。邏輯中介是聯(lián)結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：①起溝通和聯(lián)結的作用，能把邏輯起點和邏輯終點聯(lián)結起來，構成一環(huán)扣一環(huán)的邏輯整體；②以事物之間的內在聯(lián)系為依據(jù)，不能任意跳躍。例如，經(jīng)典遺傳學中的表現(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系。確定邏輯順序的方式主要有兩種：①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部各個組成部分之間的從屬關系；②繼起式的聯(lián)系方式，如相對性狀與分離現(xiàn)象、自由組合現(xiàn)象、等位基因與基因的分離規(guī)律之間的聯(lián)系，按照這種方式確定的邏輯順序大體上與客觀事物的發(fā)展順序以及人類認識的發(fā)展歷史相一致。

4.邏輯終點。邏輯終點意味著一個特定范圍內的認識上升周期的結束，也是另一個新的認識上升周期的開始。思維從起點到終點的整個上升運動，一方面是對客觀事物和實際過程的反映，另一方面又具有其嚴密的邏輯結構。

（二）模塊邏輯體系的構建

1.第一個邏輯起點──“專題1.遺傳的細胞基礎”

現(xiàn)代遺傳學的第一個邏輯起點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），因此，《標準》安排了“舉例說明配子的形成過程”和“舉例說明受精過程”這兩個知識點，重點在“闡明細胞的減數(shù)分裂并模擬分裂過程中染色體的變化”。

2.第二個邏輯起點──“專題2.遺傳的分子基礎”

其中的“總結人類對遺傳物質的探索過程”“概述DNA分子結構的主要特點”這兩個知識點，說明DNA是主要的遺傳物質，每個染色體都是由特定的DNA鏈和蛋白質組成的。

3.第三個邏輯起點──分子遺傳學的中心法則

圍繞中心法則，“專題2.遺傳的分子基礎”安排了“說明基因和遺傳信息的關系”“概述DNA分子的復制”“概述遺傳信息的轉錄和翻譯”等內容。

4.得出第一個理論──“專題3.遺傳的基本規(guī)律”

先通過“分析孟德爾遺傳實驗的科學方法”，然后以上述三個邏輯起點為基礎，來“闡明基因的分離規(guī)律和自由組合規(guī)律”。這里的邏輯證明和“分子與細胞”模塊不同，那里是通過“使用顯微鏡觀察多種多樣的細胞”等活動來證明沒有反例，而這里是通過“專題1.遺傳的細胞基礎”和“專題2.遺傳的分子基礎”，來闡明基因的分離規(guī)律和自由組合規(guī)律的內在必然性。

5.得出第二個理論──“專題4.生物的變異”

以前述三個邏輯起點為基礎，再根據(jù)遺傳的基本規(guī)律進行推理，便可“舉例說出基因重組及其意義”“舉例說明基因突變的特征和原因”“簡述染色體結構變異和數(shù)目變異”。

6.從遺傳學出發(fā)討論進化問題

從遺傳學出發(fā)來討論進化機理，主要在小進化的范疇。所以安排了“用數(shù)學方法討論基因頻率的變化”的活動建議。然而小進化能否說明大進化，還有許多爭議，所以《標準》只是要求通過“搜集生物進化理論發(fā)展的資料”活動，“說明現(xiàn)代生物進化理論的主要內容”。

至于對“生物是進化的”這個問題，因已為現(xiàn)代社會普遍接受，初中也已涉及，所以《標準》只在初中的基礎上安排了一個知識點：“概述生物進化與生物多樣性的形成”。

考慮到遺傳學和進化論發(fā)展中的科學認識模式和方法所具有的教育價值，《標準》又安排了“總結人類對遺傳物質的探索過程”“分析孟德爾遺傳實驗的科學方法”“探討生物進化觀點對人們思想觀念的影響”等內容。

當然，在編寫教材時，可以有不同的體系。例如，對遺傳學的內容，既可以根據(jù)現(xiàn)代遺傳學理論體系構建，也可以根據(jù)遺傳學發(fā)展史上的學科思想和方法構建。

四、“遺傳與進化”模塊的思維方式特點分析

自孟德爾開始，遺傳學便使用模型來表征概念及判斷和推理的過程。例如，“表現(xiàn)型”就是一種實物模型，相當于生物體某性狀的模式標本；減數(shù)分裂圖解、染色體圖解等則屬于模擬模型。這些都是物質模型。而DNA分子雙螺旋結構模型、蛋白質合成示意圖等屬于具象模型，“基因型”和雜交過程圖解等屬于抽象模型，二者都是思想模型。基因型，其實質是“基因組成模型”，它用英文字母來表示生物體中與所研究問題有關的基因組成。雜交過程圖解是理想化的過程模型，它按遺傳學規(guī)律把雜交過程簡化，用以反映和解釋雜交試驗的過程和結果，并通過演繹推理來預測某些雜交試驗的結果。

模型屬于表象。過去的生物學課程在邏輯實證主義的影響下，往往只重視概念在思維中的作用而忽視對表象的研究。而認知心理學家一般認為，表象是更適合于進行創(chuàng)造性思維的認知成分。眾所周知，想象是一種重要的創(chuàng)造性思維形式，而它正是大腦對表象進行分析綜合、加工改造，從而形成新的表象的心理過程。因此，在教學改革中許多教師提倡要發(fā)揮生物學圖解教學的功能，其實質就是運用模型來設計新的知識結構，注意通過對表象的操作、加工而實現(xiàn)的思維活動。例如，在遺傳學問題解決中，人們經(jīng)常使用模型方法。利用模型方法解決問題，需先建立模型，簡稱生物建模。所謂建模，就是要尋找變量之間的關系，構建模型；然后依據(jù)模型進行推導、計算，作出預測。其過程在實質上是一個需要概念思維和表象思維參與的過程。我們以2003年全國高考“理綜”卷第26題為例說明。題目是：“小麥品種是純合體，生產(chǎn)上用種子繁殖，現(xiàn)要選育矮稈（aa）、抗病（BB）的小麥新品種；馬鈴薯品種是雜合體（有一對基因雜合即可稱為雜合體），生產(chǎn)上通常用塊莖繁殖，現(xiàn)要選育黃肉（Yy）、抗病（Rr）的馬鈴薯新品種。請分別設計小麥品種間雜交育種程序以及馬鈴薯品種間雜交育種程序。要求用遺傳圖解表示并加以簡要說明。（寫出包括親本在內的前三代即可。）”運用模型方法解題程序如下表所示。

我們可以運用認知心理學的雙重編碼理論對這個思維過程進行分析。該理論認為人的認知結構存在兩個系統(tǒng)──言語系統(tǒng)和表象系統(tǒng)，二者之間存在三個重要的聯(lián)結關系：一是言語刺激與表象刺激之間的表達聯(lián)結，在上表中，“（1）分析變量”這一步驟建構了這個聯(lián)結，如“矮稈或高稈”對應“aa或A_”；二是言語系統(tǒng)與表象系統(tǒng)之間的指稱聯(lián)結，上表中的“（2）構建親本基因組合模型”步驟完成了這個聯(lián)結，如小麥親本“矮稈不抗病”對應“aabb”；三是言語系統(tǒng)和表象系統(tǒng)內部的聯(lián)想聯(lián)結，這是在“（3）推導雜交過程”和“（4）作出預測”中完成的，這兩步既有運用言語的思維，又有運用表象（模型）的思維。根據(jù)雙重編碼理論，第一步驟中的表達意義即言語刺激和表象刺激之間的聯(lián)結，來自對外在事件、字詞或表象的熟悉感，表達意義以經(jīng)驗作為基礎；第二步驟中的指稱意義指相應的表象表達的激活或相應言語表達的激活，它來自言語系統(tǒng)與表象系統(tǒng)之間的相互激活和相互作用；最后兩個步驟中的聯(lián)想意義是分別在言語系統(tǒng)或表象系統(tǒng)本系統(tǒng)內的一種深層次表達，它依靠本系統(tǒng)內的聯(lián)想網(wǎng)絡結構賦予認知者以意義，這個過程在表象系統(tǒng)和言語系統(tǒng)的共同作用下完成。從整個問題解決過程來看，遺傳學建模問題對學生來說有一定難度，其根本原因可能也在這里，它需要言語和表象兩個系統(tǒng)共同作用才能完成。

在思維方式中，以科學概念為思維材料而進行的思維是科學抽象思維，以表象為思維材料進行的思維是科學形象思維。上述遺傳學問題解決思維過程的特點在于抽象思維與形象思維相結合，這正是“遺傳與進化”模塊的重要思維訓練價值之所在。

參考文獻：

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［3］愛因斯坦.愛因斯坦文集.第1卷［M］.許良英，等，編譯.北京：商務印書館，1976.299.

Discussion on the Logical System of the ‘Hereditary and Evolution’

Module of Biology in Senior Middle Schools

YU Zi-qiang

（Wenzhou Education and Teaching Research Institute, Wenzhou Zhejiang 325027,China）

Abstract: The theoretical system of modern genetics is axiom system with scientific truth as the logical starting point. At the same time, the development of genetics provide logical basis for the research of small evolution. The content system of hereditary and evolution module in The Biology Curriculum Standards in General Senior Middle Schools（experimental edition） is constructed according to logical regulations. In the developmental courses of genetics and evolutionism, scientists have used many scientific ways which have very high educational values for scientific realization. Teaching materials could be written in accordance with logical lines or with historical lines of subject development, which has its own significance . And the combination of abstract thinking and thinking in images shows the important values of thinking training in this module.

Key words: biology in senior middle schools； hereditary and evolution module； logical system； small evolution

    自《課程·教材·教法》2005年第3期