高中生物遺傳與進化模組邏輯體系簡論
摘要：現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”模組的內容體系，就是按邏輯規則構建的。在遺傳學和進化論的發展過程中，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，也可以按學科發展的歷史線索進行。抽象思維與形象思維的結合，是本模組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”模組；邏輯體系；小進化
關於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態與環境模組的分析》一文中作過討論，認為像“遺傳與進化”模組的內容，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，透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、現代遺傳學理論的構建
科學研究首先要透過觀察和實驗獲得感性認識。孟德爾正是透過豌豆雜交實驗，獲得了大量經驗材料。但是，感性材料的獲得只是認識的第一步，認識的真正任務在於達到理性認識。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驗材料所反映的事物的本質和變化規律。這需要科學抽象。所謂科學抽象，就是人們運用思維能力，透過事物的各種現象，抽取出事物的本質屬性及其變化發展規律。科學抽象是一個複雜的思維過程。第一步是以經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“抽象的規定”，就是透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，並進一步把它區分為“顯性性狀”和“隱性性狀”。第二步，是運用概念進行判斷和推理，建構規律、原理，就是從“抽象的規定”上升為“思維中的具體”。“思維中的具體”不同於“感性上的具體”，感性材料已不再是各種事實的混沌的總和，而是受一定規律支配的有組織的知識。孟德爾就是依據顯性性狀和隱性性狀等概念，總結出了分離現象和自由組合現象。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，結論是從前提中透過推理得到一般規律。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。
認識了分離現象和自由組合現象後，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後，就必須透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節和一般方法。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《自然哲學的數學原理》中提出的第一條科學方法規則，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，並不是指學生在精通這種體系時產生的困難最小，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、複雜性，分解成數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絡和相互作用，來理解、說明、解釋化學物質的形態、結構、功能和屬性的無限多樣性、複雜性，達到對化學物質和化學變化的全面、深刻的認識，從而奠定了現代化學的基礎。孟德爾在建立其遺傳因子假說的過程中，有否借鑑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並創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，但畢竟不同於科學理論，它帶有一定的猜測性和或然性。因此，在建立起假說後，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並作出科學預見和發展科學理論的必要環節。
由此可見，孟德爾工作的開拓性，除了正確選擇材料和採用統計方法，更重要的是巧妙地抽象出科學概念，建立假說，創造符號體系予以表達並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併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象的自由組合現象，概括得出這兩個現象時孟德爾使用的歸納方法是簡單列舉法，即根據若干物件都具有某種屬性而無一反例，於是推論得出該類物件都具有這種屬性的結論。簡單列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，必須努力發現某種屬性與某類物件之間的必然聯絡。如果能夠確定某屬性是該類物件所必然具有的，那麼其推論就最終成立了。這樣，推理方法也就由簡單列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，因為它們根據對遺傳現象和遺傳物質之間必然聯絡的認識，推定分離規律和自由組合規律具有普遍性。至此，孟德爾假說才被確立為遺傳學理論。
其實，經過分子遺傳學的建立這一場“科學革命”後，現代遺傳學的“正規化”與經典遺傳學已經完全不同了。現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資訊的儲存、傳遞和表達（分子遺傳學中心法則）。透過對這三方面所發現的科學事實的綜合，建構起了現代遺傳學理論。而前面所述的遺傳學的發生發展過程，已經成為歷史。
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。對於“生物是進化的”這個結論，達爾文在自己的環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。後來，又有越來越多的發現提供了新的證據。迄今未遇到反例。因此可以說，自1859年達爾文的《物種起源》發表後，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、生存鬥爭和隔離。達爾文以它們為基礎，透過與人工選擇的類比，依據因果關係而建立起理論體系。在作為邏輯起點的四個科學事實中，過度繁殖和生存鬥爭，可以透過觀察直接證實；對遺傳變異，現代科學研究也已充分證明，在各種生物中都發現了大量的突變，遺傳多型現象（polymorphism）廣泛存在；隔離阻斷了基因交流，對於小種群來說，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。現在的爭議在選擇理論。達爾文的自然選擇理論是透過與“人工選擇”的類比而建立的，因此僅僅是一種推斷。人工選擇是在有限範圍內進行的，而且是實驗上可控的原理。把這樣一種原理擴充套件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生的一些例子外，在可以觀察的範圍內從來沒有出現過新物種。所以，透過自然選擇產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並給予明確定義，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律，大進化（macroevolution）則研究物種規模演變的特徵。達爾文和他以後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透過有性生殖聯絡起來的種群。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生了一次大的改造，主要體現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佈（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，而是擴充套件到種群。這是對達爾文進化論的一次重要修正，人們把這次修正後的達爾文進化論稱為“現代綜合論”（the modern synthesis）。
現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）和選擇係數（selective coefficient）的概念後，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展。現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展。然而，對現代綜合論，基於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階分類群起源等大進化現象，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並不總是與環境的變遷相一致。例如，我國雲南澄江動物群化石揭示的寒武紀大爆發之類的進化現象（還包括大絕滅現象）告訴我們，進化不是一個連續的過程而表現為階段性的過程，最初是以迅速形成幾種主要類群的'方式爆發性地形成類群的階段，然後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，最後是衰落和絕滅階段。因此，進化不僅是由環境的變化和生存鬥爭決定的，它還受生命系統內部因素的制約。特別是大進化，更是如此。
從控制論的角度看，生命系統的穩態是反饋調節的結果。生命系統可能透過負反饋調節而保持穩態，也可能透過正反饋調節打破原有的穩態，從而建立新的穩態或趨於毀滅。因此，選擇並非只是自然的選擇，生命系統作為自組織系統，對系統的發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的熵增加，是一個退化的過程。20世紀中葉誕生的非平衡態熱力學，說明生命系統在本質上都是開放系統。它們的結構都是耗散結構，因而可以發生“熵減少”的個體生長髮育和系統進化過程，同時其中也可以包含區域性的熵增加過程。所以，任何生命系統都在大量偶然的隨機因素中發展著，並不只是適應環境的變化。在生物進化的過程中，內因是變化的根據，而外因只是變化的條件。
三、“遺傳與進化”模組邏輯體系的構建
（一）模組體系構建的邏輯方法
《標準》對“遺傳與進化”模組的知識體系，沒有按遺傳學和進化論的發展歷史線索構建，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，然後主要運用形式邏輯的方法，透過判斷、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節。
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定；②能構成所研究物件的基本單位；③包含事物整個發展過程中一切矛盾的“胚芽”。例如，經典遺傳學中的“相對性狀”“基因”等概念，就是經典遺傳學理論的邏輯起點。
2.邏輯中介。邏輯中介是聯結起點和終點之間由一系列的概念、模型所組成的中間環節。它具有以下特點：①起溝通和聯結的作用，能把邏輯起點和邏輯終點聯結起來，構成一環扣一環的邏輯整體；②以事物之間的內在聯絡為依據，不能任意跳躍。例如，經典遺傳學中的表現型、基因型、等位基因等概念和模型，就是經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、原理之間前後相繼或相互隸屬的關係。確定邏輯順序的方式主要有兩種：①從屬性的聯絡方式，如相對性狀與顯性性狀、隱性性狀之間，基因型與純合子、雜合子之間的聯絡，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係；②繼起式的聯絡方式，如相對性狀與分離現象、自由組合現象、等位基因與基因的分離規律之間的聯絡，按照這種方式確定的邏輯順序大體上與客觀事物的發展順序以及人類認識的發展歷史相一致。
4.邏輯終點。邏輯終點意味著一個特定範圍內的認識上升週期的結束，也是另一個新的認識上升週期的開始。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）模組邏輯體系的構建
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“闡明細胞的減數分裂並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“說明基因和遺傳資訊的關係”“概述DNA分子的複製”“概述遺傳資訊的轉錄和翻譯”等內容。
4.得出第一個理論──“專題3.遺傳的基本規律”
先透過“分析孟德爾遺傳實驗的科學方法”，然後以上述三個邏輯起點為基礎，來“闡明基因的分離規律和自由組合規律”。這裡的邏輯證明和“分子與細胞”模組不同，那裡是透過“使用顯微鏡觀察多種多樣的細胞”等活動來證明沒有反例，而這裡是透過“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律和自由組合規律的內在必然性。
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，再根據遺傳的基本規律進行推理，便可“舉例說出基因重組及其意義”“舉例說明基因突變的特徵和原因”“簡述染色體結構變異和數目變異”。
6.從遺傳學出發討論進化問題
從遺傳學出發來討論進化機理，主要在小進化的範疇。所以安排了“用數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》只是要求透過“蒐集生物進化理論發展的資料”活動，“說明現代生物進化理論的主要內容”。
至於對“生物是進化的”這個問題，因已為現代社會普遍接受，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，既可以根據現代遺傳學理論體系構建，也可以根據遺傳學發展史上的學科思想和方法構建。
四、“遺傳與進化”模組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徵概念及判斷和推理的過程。例如，“表現型”就是一種實物模型，相當於生物體某性狀的模式標本；減數分裂圖解、染色體圖解等則屬於模擬模型。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於具象模型，“基因型”和雜交過程圖解等屬於抽象模型，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，並透過演繹推理來預測某些雜交試驗的結果。
模型屬於表象。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錶象的研究。而認知心理學家一般認為，表象是更適合於進行創造性思維的認知成分。眾所周知，想象是一種重要的創造性思維形式，而它正是大腦對錶象進行分析綜合、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，注意透過對錶象的操作、加工而實現的思維活動。例如，在遺傳學問題解決中，人們經常使用模型方法。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，就是要尋找變數之間的關係，構建模型；然後依據模型進行推導、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，生產上用種子繁殖，現要選育矮稈（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），生產上通常用塊莖繁殖，現要選育黃肉（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式以及馬鈴薯品種間雜交育種程式。要求用遺傳圖解表示並加以簡要說明。（寫出包括親本在內的前三代即可。）”運用模型方法解題程式如下表所示。
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──言語系統和表象系統，二者之間存在三個重要的聯結關係：一是言語刺激與表象刺激之間的表達聯結，在上表中，“（1）分析變數”這一步驟建構了這個聯結，如“矮稈或高稈”對應“aa或A_”；二是言語系統與表象系統之間的指稱聯結，上表中的“（2）構建親本基因組合模型”步驟完成了這個聯結，如小麥親本“矮稈不抗病”對應“aabb”；三是言語系統和表象系統內部的聯想聯結，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結，來自對外在事件、字詞或表象的熟悉感，表達意義以經驗作為基礎；第二步驟中的指稱意義指相應的表象表達的啟用或相應言語表達的啟用，它來自言語系統與表象系統之間的相互啟用和相互作用；最後兩個步驟中的聯想意義是分別在言語系統或表象系統本系統內的一種深層次表達，它依靠本系統內的聯想網路結構賦予認知者以意義，這個過程在表象系統和言語系統的共同作用下完成。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裡，它需要言語和表象兩個系統共同作用才能完成。
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於抽象思維與形象思維相結合，這正是“遺傳與進化”模組的重要思維訓練價值之所在。
參考文獻：
［1］餘自強.高中生物課程內容建構及穩態與環境模組的分析［J］.課程·教材·教法，2004，24（9）：54.
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