1、生物实验逻辑思维训练生物实验逻辑思维训练 华东师范大学生命科学学院华东师范大学生命科学学院陆建身陆建身生物析因实验生物析因实验 w 以著名的道厄冬眠实验为例，解读生物析因实验设计的五种典型逻辑方法。w 从科学方法论角度，培养学生的逻辑思维，熟练掌握和灵活运用各种逻辑方法，对提高探究和创新能力具有重要意义。逻辑思维 概念界定w 逻辑思维是思维的主要形式，而逻辑方法是逻辑思维的基础。w 寻求因果关系的五种逻辑方法，最早是由英国哲学家培根（15611626年）所创立，并为英国哲学家穆勒（18061873年）所发展的。w 作为科学方法论的重要组成，逻辑方法在当代自然科学尤其是生命科学研究中，仍然是重要
2、甚至是必要的实验设计思路。w 当前生物教育新课改中，精选补充实验设计的教学内容，开展逻辑方法训练对提高学生的探究能力、创新能力和生物科学素养都具有重要意义。美国生物学家道厄的冬眠实验 w 冬眠又称“冬蛰”，是动物对冬季不利外界环境的一种适应。动物在冬眠期间不吃不喝，体温降低，心脏跳动减慢，呼吸次数减少，新陈代谢迟缓而陷入昏睡状态。动物的冬眠现象很早就引起了生物学家的兴趣，迫切希望解开这个谜动物为什么有冬眠现象，引起动物冬眠的原因到底是什么？五个精彩的实验模型 w 道厄在上世纪六十年代末所作的著名实验堪称析因实验的经典之作。w 实验不仅雄辩地揭示了动物冬眠的原因，而且五个精彩的实验模型也为我们提
3、供了五种生物实验设计的逻辑方法。w 今天，回过头来解读这些实验，品味感悟这些实验设计思路，能为提高实验设计水平和探究创新能力提供直接帮助。道厄的实验之一 w 1968年3月，从正处在冬眠的黄鼠身上抽取了三毫升血，注射到两只刚苏醒的黄鼠的腿静脉中，并且放在7冷房内。w 几天后，这两只黄鼠又进入了冬眠。w 同年六月气温25，又从这两只再次进入冬眠的黄鼠身上抽取血，并立即注射到另三只处于活动期黄鼠的腿静脉中，结果这三只黄鼠也进入了冬眠状态。w 同年七月28，再从这三只黄鼠身上抽取血，并立即注射到另外五只处于活动期黄鼠的腿静脉中，它们也同样进入了冬眠状态。w 此外，道厄等人还从冬眠旱獭身上抽出血，注射
4、到尚未冬眠的黄鼠静脉中，结果黄鼠也同样进入了冬眠状态。道厄的实验之二w 在以上实验基础上，又从活动期黄鼠身上抽取血液，注入到未处于冬眠状态的黄鼠静脉中，但这些黄鼠并未进入冬眠状态。道厄的实验之三 w 1969年到1970年冬天，将21只实验黄鼠分为三组，每只实验鼠均装上一只热敏电阻小温度计。三组黄鼠又分别注射了旱獭的冬眠血清、黄鼠的冬眠血清、活动期黄鼠的血清。w 经过几天观察，发现凡注射冬眠动物血清的实验黄鼠体温都下降了（这是冬眠的现象之一），有的则进入了真正的冬眠状态。w 随后，又将三组黄鼠全部放入冷房中，发现14只接受冬眠血清的黄鼠全部进入冬眠状态，而另七只注射活动期血清的黄鼠却始终处于活
5、动状态，并未进入冬眠期。续w 这个实验表明：冬眠诱发物质不论在冬季或在夏季，不论在冷环境中或在暖环境里。都能起着诱发动物冬眠的作用。道厄的实验之四 w 1969年冬季又抽取冬眠时间长短不同的动物的血，注入活动期动物的静脉中。w 结果是：连续冬眠两、三周动物身上的血液，比刚进入冬眠状态动物身上的血液，能更加有效地诱发未冬眠的动物进入冬眠。换句话说，冬眠时间越长的动物，其血液中所含诱发冬眠的有效物质越多。w 可见，这种有效物质的多少，是促使动物进入冬眠状态快慢的原因。道厄的实验之五 w 为了查明诱发冬眠的物质究竟是存在于血细胞中，还是存在于血清里，又用离心机把血液分离为血细胞和血清；再将血清通过分
6、子过滤器“筛滤”，分为残留物质与滤过物质。w 随后，将血细胞、残留物质（未通过分子过滤器的物质）、滤过物质，分别注射到黄鼠体内。w 实验结果表明：血细胞、残留物质均不能促使动物冬眠，只有那种小到足以通过分子过滤器的物质，才能起到诱发动物冬眠的作用。想一想w 以上五个实验，各用的是哪一种确定因果关系的逻辑方法呢？求同法w 道厄在第一个实验中，虽然时间不同（三月、六月、七月），被抽血的冬眠动物不同（黄鼠、旱獭），被注射的黄鼠所处状态不同（苏醒期、活动期），但由于先后注射了冬眠动物的血液，未冬眠的黄鼠都进入了冬眠状态。w 这一实验结果表明：处于冬眠状态动物身上的血液中，具有一种诱发动物冬眠的物质。w
7、 这一实验所运用的逻辑方法，乃是求同法。w 即假设被研究现象（冬眠现象）在两个或两个以上的场合（不同时间、并处于不同状态）中出现，而在这些场合中只有一个共同的先行条件（冬眠动物的血液），那就可以认为，这个共同的先行条件是形成被研究现象的原因。求同法通式w 求同法也称契合法，可以用这样一个公式来表示它：w 场合先行情况被研究现象为(1)A、B、C a(2)A、D、E a(3)A、F、G a所以，A是a的原因(或结果)求同法举例练习w 举另一个生物学实例：在十九世纪，人们还不知道为什么某些人的甲状腺会肿大，后来人们对甲状腺肿大盛行的地区进行调查和比较时发现，这些地区的人口、气候、风俗等状况各不相同
8、，然而有一个共同情况，即土壤和水流中缺碘，居民的食物和饮水也缺碘，由此作出结论：缺碘是引起甲状腺肿大的原因。w 请你举出其它生物学例子。求异法w 把道厄的第一个实验和第二个实验结合起来，可以看出：w 同样处于活动期的黄鼠，由于注射不同血液，结果就不同，有的进入了冬眠状态，有的仍处在活动期状态。w 这种实验方法（实验二）就是求异法的运用。求异法通式w 求异法也称差异法，是指这样一种方法：如果某一现象在一种场合下出现，而另一场合下不出现，但在这两种场合里，其他条件都相同，只有一个条件不同(在某现象出现的场合里有这个条件，而在某现象不出现的那一场合里则没有这个条件)，那么，这唯一不同的条件，就是某现
9、象产生的原因。w 求异法可用下述公式来表示：w 场合先行情况被研究现象为(1)A、B、C a(2)-、B、C-w 所以，A是a的原因(或结果)求异法举例练习w 求异法的另一个生物学实例是：秋末冬初街道两旁的响叶杨开始落叶。可是路灯下面的却迟迟不落，即使是同一棵树也有这样的情况。这是为什么呢？人们最终就会想到这与路灯照射有关。w 其它例子请你来举。并用法w 道厄的第三个实验，是两次求同法和一次求异法的合用,称之为求同求异并用法。w 第一次求同法是用以确定被研究现象在各种场合出现的共同先行条件；w 第二次求同法是用以找出被研究现象在各种场合不出现的原因（即缺少某一共同先行条件）；w 最后将上述两个
10、结论进行对比，从而确认某现象的是否出现依赖于某个先行条件的是否具备，这就从正反两个方面找出某个被研究现象的原因。并用法举例练习w 并用法也可补充一个生物学实例：w 很久以来，人们发现有些鸟能远航万里而不迷失方向。原因是什么呢?w 人们对此曾作过不少的猜测，但都没有得到证实。近年来，科学工作者发现每当天晴天能见到太阳时，这些鸟都能确定其飞行的正确方向；反之，每当天阴见不到太阳时，它们就迷失方向。由此，科学工作者作出推论说，有些鸟能远航万里而不迷失方向的原因是利用太阳来定向。w 请举其它例子。共变法w 道厄的第四个实验所采用的逻辑方法，是共变法。w 通过考察被研究对象情况的变化，从而确认这个变化着
11、的先行条件（所含诱发冬眠的有效物质的多少）是被研究现象变化（促使动物进入冬眠状态的快慢）的原因。共变法通式w 共变法是指：在其他条件不变的情况下，如果一个现象发生变化，另一个现象就随之发生变化，那么，前一现象就是后一现象的原因或部分原因。w 比如，气温上升了，放置在器皿中的水银体积就膨胀了；气温下降了，水银体积就缩小了。根据气温与水银体积的共变关系，我们就可推断说，气温的升降是水银体积膨胀或收缩的原因。w 共变法可用下述公式来表示：w 场合先行情况被研究现象为(1)A1、B、C、D a1(2)A2、B、C、D a2(3)A3、B、C、D a3 w 所以，A是a的原因(或结果)共变法举例练习w
12、共变法还可举一个生物学实例：w 在上世纪50年代，我国森林复盖率为19%，60年代为11%，70年代为6%，80年代不到4%。随着森林复盖率的逐年减少，植被大量破坏，削弱了土地对雨水的拦蓄作用，一下暴雨，水卷泥沙滚滚而下，使洪涝灾害逐年严重。可见，森林资源的破坏，是酿成洪灾的重要原因。w 其他例子作练习。剩余法w 道厄的第五个实验所采用的逻辑方法是剩余法。w 为了探求动物冬眠的原因，先把各种先行条件逐一加以分析，把那些与被研究现象无关的因素（血细胞、残留物质）加以排除，而剩下的某一先行条件（过滤物质），则是被研究现象的原因。剩余法通式w 剩余法指的是：如果某一复合现象是由另一复合原因所引起的，
13、那么，把其中确认有因果联系的部分减去，则剩下的部分也必然有因果联系。w 剩余法可用下述公式来表示：w 已知复合现象F(A、B、C)是被研究现象K(a、b、c)的原因，同时已知，B是b的原因，C是c的原因，所以，A是a的原因(或部分原因)。剩余法举例练习w 用银边天竺葵的绿叶在光下制造淀粉的实验,结果是:叶片的绿色见光部分变成了蓝色;叶片的绿色遮光部分乃是白色;叶片的白色见光部分也是白色。w 从上述实验结果、可得出：光是光合作用的条件。w 运用剩余法分析不含叶绿体的部分见光也不能产生淀粉,所以叶绿体也是光合作用的必要条件。w 其它举例请你自己完成吧。开发和训练高中生逻辑思维w 掌握和运用这些逻辑方法，对于提高学生的探究能力、设计能力、分析能力和创新能力都是十分有益的。w 在生物新课改教学中应当倡导和加强对学生这方面的教育。祝你取得新的进步！w 谢谢！
