摘要：《生物科学发展史专题》是学科教学（生物）教育硕士研究生的专业选修课，教学目标之一是培养研究生的独立钻研、分析和处理教材的能力。生物科学发展史就是科学家探究生物学知识的科学过程史。生物科学每一个知识点的产生过程，就是一个科学探究的过程。如发现问题、提出问题、作出假设、逻辑推理、检验假设、分析结论、交流评价等，是对学生进行科学方法训练的良好素材。以Y老师“孟德尔豌豆杂交实验”的课堂教学为例，讲述了Y老师通过对生物科学史的深度挖掘，训练学生“假说演绎”的科学思维方法，同时激发学生学习兴趣，培养生物科学情感的教学过程。

关键词：孟德尔；豌豆杂交；生物科学发展史；假说演绎

The scientific enlightenment of Mendelian pea hybridization experiment in teaching

Abstract: "Special Topics on the History of Biological Sciences" is a professional elective course for postgraduates in the subject teaching (biology) education. One of the teaching goals is to cultivate postgraduates' ability to independently study, analyze and process textbooks. The history of biological sciences is the history of the scientific process in which scientists explore biological knowledge. The process of generating every knowledge point in biological science is a process of scientific inquiry. Such as discovering problems, asking questions, making hypotheses, logical reasoning, testing hypotheses, analyzing conclusions, communicating and evaluating, etc., are good materials for training students in scientific methods. Taking the classroom teaching of "Mendel Pea Hybridization Experiment" by teacher Y as an example, it described how teacher Y trains students to "hypothesize" the scientific thinking method through in-depth exploration of the history of biological sciences, and at the same time stimulates students' interest in learning and cultivates biological science emotions the teaching process.

Key words: Mendel; Pea Hybridization; the Development History of Biological Sciences; Hypothesis Interpretation

背景信息

生物科学发展史是一部不断对生命活动规律进行探索创新的历史，无数的科学探索留下了大量的经典生物实验，这些经典实验蕴涵科学家独具匠心的科学思维和巧妙的实验设计方法。可以看出，生物科学发展史蕴含着丰富的科学思想、科学方法、科学世界观以及科学精神、科学态度等内容，因而具有很高的教育价值。

《生物科学发展史专题》是学科教学（生物）教育硕士研究生的专业选修课，教学目标之一是培养研究生的独立钻研、分析和处理教材的能力。高中生物课程标准的基本理念是以生物学素养为核心，生物科学素养是公民科学素养构成中的重要组成部分。生物科学素养是指公民参加社会活动、经济活动、生产实践和个人决策所需的生物科学知识、探究能力以及相关的情感、态度与价值观。提高每个学生的生物科学素养是生物学教学实施的核心任务，也符合新一轮生物学课程改革所倡导的理念。生物科学发展史中记载着科学家的生平事迹，从中挖掘科学家的科学态度、科学精神和科学世界观，把它们渗透到生物教学中，对培养学生的生物学素养乃至科学素养和人文素养都具有积极的教育意义。学生置身于科学史的氛围中进行领悟和体会，获取丰富而有趣的知识营养，体验严密的逻辑思维过程和解决问题的思想方法，并在厚重的历史感中体会前人的智慧，从而提高自身的生物科学素养。

生物科学发展史就是科学家探究生物学知识的科学过程史。生物科学每一个知识点的产生过程，就是一个科学探究的过程。如发现问题、提出问题、作出假设、逻辑推理、检验假设、分析结论、交流评价等，是对学生进行科学方法训练的良好素材。学习生物科学发展史有助于学生了解每个知识点的来龙去脉，而且可以从其中一些典型事件中学习到科学家的科学探究方法。这样不仅可促进学生深刻领会生物科学理论的论点，还能使学生在亲身体验科学探索的过程中接受科学方法的训练，形成一定的探究能力。

1866年，孟德尔在豌豆实验中发现了“分离定律”；这个实验也是高中生物学的重点及难点，该实验在观察和分析的基础上，经过严密的推理和大胆想象,提出能解释现象的假说，然后根据假说进行演绎推理，最后经过实验验证假说。在这个假说演绎的背后饱含着科学家们科学创新的智慧、严谨实证的科学思维与执着探索的科学精神。将科学思维和科学精神贯穿于科学史课堂教学活动之中，能充分培养学生的科学思维方式，让学生体验科学探究的乐趣，领悟科学精神和科学思想。

Y老师改变传统的教学模式，以“豌豆杂交实验”科学史入手进行教学，通过介绍孟德尔的传奇故事激发学生的学习兴趣，引导学生进入学习环境，进而达到有效的教学目的。那么，Y老师是如何深度挖掘科学史背后的科学思维与科学精神？这节课又具有什么样的教育价值呢？

案例正文

一、 了解背景 导入课题

作为现代遗传学的创始人，孟德尔给后世留下了宝贵的科学财富： 一片豌豆苗背后的杂交实验和著名的孟德尔定律。在生物遗传学界， 孟德尔可以说是如神一般的存在，但他的学习和科研之路也并不一帆风顺，他出生在贫困的农民家庭，小时候干过不少农活，因贫辍学的他没有接受完整的大学教育，后来进入修道院，又因缘际会得以前往维也纳大学进修，回到修道院后，用了近十年的时间才得以完成豌豆杂交实验，在几乎所有关于孟德尔的文章里，重点凸显的都是一个孤独而超越时代的天才。无疑，孟德尔是优秀、非凡的，也值得讨论。但我想，同样需要关注的是他的科研成长环境，具体来说，就是他工作了一辈子、位于布尔诺市的圣托马斯修道院。

圣托马斯座修道院建于十四世纪，当时的目的是保护西多会的修女。四百多年后，奥古斯丁修士接管了这座建筑。但在随后不久的1793 年，约瑟夫二世皇帝把修道院里的修士驱逐了出去，并将这座建筑用作他的住所和政府办公室。后来因为奥匈帝国的衰落，修士们在十九世纪初又重新回到了这里。

1802年，根据奥匈帝国颁布的一项法令，圣托马斯修道院开始致力于高等学校的科学教学。与其他注重神圣和灵性的天主教团体不同，圣托马斯修道院从此成为了一个自由主义的宗教团体，这里的修士不仅要去当教师传授科学知识，还要在一线开展科学实验[1]。一边拿着神职人员的俸禄，一边从事科学的教学和实验——对于那些贫穷子弟来说，是一个不错的选择。1843年，21岁的孟德尔因贫辍学后经人介绍进入了圣托马斯修道院， 一位家境贫穷而又梦想接受高等教育的年轻人，在这里度过了他剩下的41 年人生。

刚入修道院的孟德尔，参加了诸多培训和考试，不仅要学习神学课程，以便获得相应的神职；还要学习多种科学科目，以便成为一个合格的教师和学者。这一段学习经历，不仅增强了他对自然科学的兴趣， 也让他具备了开展科学实验的能力。

1847年，孟德尔被任命为神父；1849 他成为了当地一所中学的代课教师；1850年，他试着参加布尔诺当地的教师资格考试， 但没有成功；1851年，修道院推荐他去维也纳大学进修，为期两年。

在维也纳，他师从物理学家克里斯蒂安·多普勒（ Christian Doppler，1803-1853），这让他了解了如何以“提出假设-验证假设” 的方式来开展科学实验，并把它应用到后来的豌豆研究里。他也因此能有机会向知名的数学家安德烈亚斯·冯·埃廷斯豪森（ Andreas von Ettingshausen，1796-1878）学习，这使他具备了把数学分析的方法应用到植物杂交实验中去的能力。他还师从植物学家弗朗茨·昂格尔（ Franz Unger， 1800-1870），这让他学习了植物解剖学和植物生理学，了解了植物性状的代际传递，还有显微镜在植物研究中的使用，这些同样为他后来进行豌豆杂交实验打下了坚实的基础[2]。

从维也纳学成归来后不久，孟德尔就在圣托马斯修道院的小花园里开始了那个著名的豌豆杂交实验。他先花了两年时间来挑选合适研究的豌豆品种和相关性状（包括植物高度、豆荚的形状及颜色、种子的形状及颜色、花的位置和颜色），然后再用了近八年的时间完成了这个伟大的实验。正是在这个长达十年的实验里，他发现了基因的分离定律和自由组合定律，构建了遗传学的基石。

通过对上述研究背景史料的介绍，可以提高学生的学习兴趣，使科学家的伟大精神，伟大智慧深深的感染学生。

二、 大胆猜想 引导思考

Y老师在讲述孟德尔的生平之后，引导学生对孟德尔豌豆杂交实验产生兴趣，Y老师与学生一起探讨“孟德尔做出豌豆实验，是因为幸运吗？”这一话题，引导学生思考前孟德尔时代的遗传学是什么情况。此时，Y老师再向学生展示前孟德尔时代的遗传学。

历史上最早提出有关遗传理论的人是古希腊的希波克拉底。他推测父母身体的所有器官都会发出看不见的“种子”，这些种子就像微型建筑组件，它们在性交过程中传播，并在母亲的子宫内重新组装形成婴儿，这就是泛生论的原型。

等到17 世纪显微镜发明后，科学研究进了微观世界，发现了细胞的存在，希波克拉底所提出的假设得以和细胞联系了起来。1868 年， 达尔文在《动植物在家养条件下的变异》一书里提出了一个有关“泛生论” 的临时假设。按照这个假设，生物体各部分的细胞都带有特定的可自我繁殖的粒子，也叫“微芽”，这些“微芽”可由各系统集中于生殖细胞并传递给子代，使它们呈现亲代的特征[3]。

在十九世纪的科学界，泛生论很受欢迎。它看上去似乎能解释所有的遗传现象，既包括子女为什么像父母（ 因为继承了父母的“微芽”），又包括子女为什么和父母有不同（ 因为继承的是双方父母的“微芽”）。当遇到不能解释的现象时，比如按照泛生论，父母后天获得的性状会成为“微芽”的一部分从而遗传给后代，

但实际上绝大多数情况并非如此，这时泛生论的支持者又会对该理论做出修补，认为那些不能遗传的后天性状是因为“微芽” 在性状获得之前就已经形成了……

但一个理论是否正确， 不仅要看它是否能解释已有的现象， 更要看它是否能够预测将来的情况，因为这才是真正意义上的验证。但泛生论做不到这一点，因为它被困在复杂的遗传现象的表面，并没有触及其中的本质。

性状的丰富多样对生物本身来说是好事，能够帮助它们在世界上生存繁衍，但却给人类去解释遗传现象设置了巨大的障碍。如果我们把一个基因比做一根细铁丝，大量的铁丝相互缠绕成团，让铁丝团呈现出了一种不规则、混沌的状态。真正帮助人类从混沌里走出来的， 是在修道院里工作的孟德尔。

通过Y老师介绍孟德尔前的遗传学，引导学生思考，孟德尔到底做了什么？孟德尔分离定律的实验是怎么设计的？

三、提出问题 演绎推理

孟德尔通过严谨的推理和大胆的想象，对分离定律提出假说，根据假说进行演绎推理，又通过实验检验演绎推理结论。所谓演绎推理，就是由普通性的前提推出特殊性结论的推理。如果实验结果与预期相符，可证明假说是正确的。所以Y老师运用假说推理引导学生思考孟德尔如何通过豌豆杂交实验验证分离定律和自由组合定律。

（一）提出问题

首先，孟德尔研究了7 对不同的性状，包括豌豆种子的形状、种子胚乳的颜色、种皮的颜色、豆荚的性状、豆荚的颜色、花的位置、茎的高矮。为了研究一对性状， 比如种子的形状（ 圆形还是皱形），他选取两个只在这个性状有差异的两个豌豆品种杂交，得到杂交第一代；然后让杂交第一代自花授粉（ 自交）繁殖杂交第二代； 再让杂交第二代自交繁殖第三代，并依次类推繁殖第四代、五代……。[4]

杂交第一代自交获得了第二代。在第二代里，大部分种子是圆形， 少部分是皱形，两者的数量比大约是3:1。这一现象之前也有人观察到过，孟德尔的贡献是首次对这两种不同的表型进行了定量， 得出了3:1 的比例， 而这一比例对进一步的发现至关重要。杂交第二代再自交， 繁殖出杂交第三代。第三代的情况有些复杂，在第二代表现为圆形的种子所培育出来的植株里，其中大约三分之一只产生圆形的种子，三分之二则产生圆形和皱形的种子；而那些第二代表现为皱形的种子所培育出来的植株，则全部在第三代产生皱形的种子。（如图）

图1 单对性状杂交实验结果示意图

根据这一结果，孟德尔把第二代中的3：1 的比例从杂交种的内在属性上（即基因型）分解成为了1:2:1，并根据这一比例推导出了以下公式：（A+a）(A+a）=A(A) + 2Aa + a(a)

这个公式表示的就是遗传学第一定律： 分离定律。简要地说， 孟德尔的最大贡献是把3:1，分解成了1:2:1。

孟德尔通过观察实验结果，提出假说，假设这个实验结果是正确的，进一步利用杂交的第三代去繁殖第四代、第五代……同时研究其它六对性状的杂交情况。结果表明，所有研究的7对性状，无一例外地符合这一规律。

“伟大的孟德尔就是通过这样严谨的推理和大胆的想象，提出了分离定律的假说，即生物性状是由遗传因子决定的，并且遗传因子是彼此分离，随机组合的。

Y老师提出一系列问题串，引导学生置身于当年孟德尔的历史角度，设身处地的思考：“如果是我，我会怎么做？”体会发现问题、提出假说的过程，思考、领悟科学家的科学思维和科学方法。

（二）演绎推理

孟德尔的假说能够合理地解释豌豆一对相对性状杂交实验中出现的性状分离现象。但仅提出假说是不够的，还需对假说进行演绎推理和论证，也就是孟德尔还要应用假说预测另外一些实验结果，如果该假说在其他的杂交实验中也能得到验证，假说才能成为真理。

Y老师提出问题：

1：要通过其他的杂交实验来验证假说，那首先要明确在一对相对性状中，会有几种遗传因子类型？

2：在控制一对相对性状的DD，Dd，dd三种遗传因子中，有几种杂交组合方式？

同学们根据Y老师提出的问题，展开激烈的讨论，Y老师引导学生站在孟德尔的时代背景下，像科学家一样对当时遇到的问题进行思考。最后，Y老师，将孟德尔实验的程序与假说演绎法的过程联系起来，总结出假说演绎的基本过程：发现问题——提出假设——演绎推理——实验验证。

结语

孟德尔之所以能做到这一点，首先孟德尔的豌豆实验是以发现问题——提出假设——演绎推理——实验验证。这是孟德尔成功的重要因素之一。其次，在孟德尔的时代，这种以科学假设为基础的研究思路已经存在，比如大众所知的巴斯德，他在微生物和免疫学领域的很多开创性的发现都是以这种方式进行的。但在遗传学研究领域，孟德尔却是采用这种方法的第一人。当时遗传学领域的其他学者，之所以没有采用这种研究思路，不是他们不知道这个思路本身，而是他们不能提出一个可以被验证的假设。

另外，孟德尔能在这一问题上独步天下，是因为他首次把数学分析的方法应用到了遗传学的研究中。这让他得出了3:1 的这个比例， 然后进一步将它分解成为了1:2:1，从而可以让他提出关于遗传学规律的假设，并最后用实验去验证。

孟德尔能够坚持研究豌豆十年并取得划时代的突破，还有一个可能让人难以理解的原因，就是他从中收获了很多的快乐。在很多人看来，孟德尔的发现直到他去世都没有得到世界的承认，他的研究给他带来更多的应该是悲苦。但真正做研究的人都知道，科学研究的快乐并不是发表论文和获得荣誉的时候，而是你提出的科学假设被证明， 以及你意识到自己发现了新的东西的瞬间。孟德尔的实验是以“观察结果-提出假设-验证假设” 的方式进行的，他所提出的假设在一次次实验里都得到了验证，而且最后的结果也让他意识到自己发现了遗传学的规律。

这种研究过程中的快乐， 还有个人的兴趣和坚韧不拔， 让孟德尔在研究豌豆的方向上独自前行， 带领人类走出了遗传学的混沌。

Y老师对孟德尔豌豆杂交的实验研究背景介绍，不仅能引起学生的探究兴趣，使学生思维定向，而且让学生认识到“豌豆杂交实验”是经历了很多基础研究才得以成功的，没有孟德尔的坚持不懈，运用多向思维看待问题，解决问题，这个实验是不可能成功的。在这个学习的过程中，学生能够很好地体验科学研究的发展性，领悟科学发现是许多科学家协作研究、共同努力的结果，并且认同科学学说的建立过程是一个不断开拓、继承、修正和发展的过程。不仅如此，实验的深入学习与研讨完全可以转化为学生在课堂上很容易进行的小课题研究，把学习的权利真正还给学生，努力创设一个充满探究氛围的课堂环境，让学生自主、合作、快乐地进行探究，较好地培养学生的质疑能力和创新思维能力，在培养学生科学素养方面所起的作用不可低估。Y老师的实践教学值得我们思考：怎样合理的利用科学史素材引导学生进行探究性学习？创设怎样的问题情境才能更好地引发学生思考？怎样引导学生在实验前进行演绎推理？

参考文献

[1] Schwarzbach E , P Smýkal, O Dostál, et al. Gregor J. Mendel – Genetics Founding Father[J]. Czech Journal of Genetics and Plant Breeding, 2014, 50(2):43–51.

[2] Mendel G . Versuche über Pflanzen-Hybriden[J]. Der Zauchter Ztschrift fur Theoretische und Angewandte Genetik, 1941, 13(10):221-268.

[3]杜小林. 孟德尔的豌豆杂交实验[J]. 收藏界：名师探索, 2018(5):1.

[4] Rheinberger H J . Mendel, Gregor Johann: Versuche über Pflanzen-Hybriden[M]. 2020.

案例思考题

1.如何深入挖掘生物科学史？

2.如何创设科学思维的问题情境？

3.如何引导学生通过亲历假说演绎的科学发现过程，体验思维的碰撞？

4.回想高中生物教材，还有哪些科学实验可以用假说演绎法讲解？

案例使用说明

1. 适用范围：教育专业学位学科教学（生物）专业硕士生，生物专业（师范方向）本科生；

2. 教学目的：通过本案例学习，学习者可以了解“孟德尔豌豆杂交”的相关生物科学史背景；掌握生物科学史组织教学的一般方法；体会通过生物科学史培养学生科学精神、科学价值和科学世界观的过程；

3. 关键要点：含相关理论、关键知识点、关键能力点、案例分析思路。

4. 教学建议：

时间安排：2学时，90分钟

环节安排：分组讨论、小组汇报、教师点评、全班讨论和总结。

人数要求：30人以下的班级教学。

5. 推荐阅读：

[1]陈桦, 李德红. 利用生物科学史培养高中学生探究能力的案例教学[J]. 华南师范大学学报：自然科学版, 2010(S1):4.

[2]王岚. 利用生物科学史组织探究教学的教学模式研究[D]. 南京师范大学.

[3]邓长华. 应用科学史实施高中生物"遗传与进化"模块教学研究[D]. 安徽师范大学, 2015.