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賴伯琦/從〈為何今年大學指考生物單選第14題沒有正確答案?〉談高中生物教育的困境

圖/聯合報系資料照
圖/聯合報系資料照

7月3日《鳴人堂》刊出由王弘毅、顏聖紘學者合撰的〈為何今年大學指考生物單選第14題沒有正確答案?〉一文,探討今年(2017)指考生物學科單選第14題的相關評論,爾後也造成不少討論生物科考題的迴響。然而,筆者認為試圖指出考題具有爭議性不應該被理解為考試題目出題不嚴謹,而其深層的意涵應該是「究竟當前生物科學教育面臨甚麼樣的困境」,以及「為什麼依照高中生物課本內容教學、出題會引起如此大的爭議」。

過去幾年筆者從與高中端合作生物課程改革計畫的經驗中,理解到高中生物科學教育的確面臨許多困境,有關學理內容的不足,在〈為何今年大學指考生物單選第14題沒有正確答案?〉一文中,已經有不少的相關說明,那是針對科學理論「內容」的釐清,的確也是高中生物教師曾經與筆者討論時談到的主要困境——在過去的五十年內,因為生物科技與資訊科技的日新月異,造就生物科學的發展非常快速,而這樣龐大複雜的內容與理論架構,的確是高中教育中「教」生物學難以面對的困難之處。

然而,指考考題出現爭議,並不僅指透顯出高中生物科教學的困境,也是高中生物科教學因有限的教學內容,針對「評量」學習成果出題時所面臨的困境:

當受試者的學理知識是有限且片段的情形下,出題者在有限的考題資源下1,是否可能設計適當的題目,來評量受試者對於生物科學「理論」與「理解」之關聯性?

這次指考生物單選第14題的設計會造成沒有正確答案的爭議,不僅只是「學理」與生物現象的關聯性不明確,也因為考題的題幹說明過於簡略,而未能充分體現「試題具有理解科學理論」的能力鑑別度。然而,出題並不是容易的事,因此,本文無意批評出題者,而是試圖以生物單選第14題的四個選項,探討生物科學的「生物現象」與「科學理論理解」之關聯性所在。

指考考題出現爭議,也是高中生物科教學因有限的教學內容,針對「評量」學習成果出題時...
指考考題出現爭議,也是高中生物科教學因有限的教學內容,針對「評量」學習成果出題時所面臨的困境。 圖/本報系資料照

生物科學的學理既描述「過程」也解釋「結果」

選項(A):突變常對身體有害,故不利於生物演化

在生物科學中,對於生物演化的論述,自達爾文發表影響後世超過150年的鉅著《物種起源(On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life)》,提出「演化理論」後,變異(variation)是生物演化的重要基礎,而變異的遺傳基礎來自基因突變(mutation),是演化的原料(raw material),因此沒有突變,就沒有演化。這是從演化的「結果」說明突變的重要性,但不是闡述演化的「過程」。

從生物演化的過程而言,不論生物發生如何的改變,演化「發生」的過程有兩個重要的條件——「生存」與「繁殖」——其中,生存是首要條件。因此,題目說道「突變常對身體有害,故不利於生物演化」,從「語意」上來說,「突變不利於生物的存活」並非錯誤,但卻也沒有說「對」——因為,從「結果」而論,並不正確!

「突變」並不「導致」演化的發生,而演化之所以會「發生」,來自「突變」產生變異,但是,突變經常是有害的(如題目所言),因此,變異的個體經常因有害而無法生存,那就不會造成生物演化。但是,如果突變造成個體變異的結果,在伴隨「環境變動」成為相對於沒有突變的個體而有利的條件,那麼,突變的個體便具有較高的存活率,則造成突變的結果有利於存活,因而產生演化的結果。

高中生物科教材中曾經提到「鐮刀型紅血球的貧血症」就可以作為理解演化發生的例子:在瘧疾肆虐的地區,由於鐮刀型紅血球貧血症的異型合子個體比起紅血球正常的個體有更高的機會存活,因此,如果「瘧疾」的環境條件沒有被改變——瘧疾仍是無藥可醫的疾病——那麼,在瘧疾肆虐的的地區,最終會是由「鐮刀型紅血球的貧血症」的個體所組成的群體,因為紅血球正常的個體「應該」都會罹患瘧疾死亡。

達爾文。 圖/維基共享
達爾文。 圖/維基共享

理論模型在生物學中的意義

選項(B):一個正在演化的族群,其某一等位基因頻率不符合哈溫定律

這個選項的說明稍嫌不足之處,在於文字敘述的不適當,因為「所有時刻,生物的演化都是處於進行中的狀態」。因此,不論是否符合哈溫定律,族群都可以被視為「演化中」。因此,在適當修正文字說明後,回到哈溫定律的科學理論如何理解,才是這個題目所要評量的理解能力。

在族群遺傳學的理論模型中,「哈溫定律」作為探討生物族群的演化現象,一直是演化生物學研究的重要議題。然而,哈溫定律所預設的條件:(1)沒有突變、(2)沒有天擇、(3)族群數量夠大、(4)族群內隨機交配、(5)沒有遷入或遷出,都不是「自然狀態」下的條件,而是基於模型闡述之「必要」基礎所設立,就像物理學中的理想氣體模型一樣。

而這樣的「純粹」模型概念,主要作為對比自然族群以察覺其變化,當族群遺傳學家想瞭解自然族群基因頻率改變的因子,那麼就可以經由實驗設計或與特定因子的調查結果,經由統計的學理與「哈溫定律」的基本模型進行比對分析,來探討所假設之自然族群影響的因子是否真的相關2。這也是生物統計最核心的理論基礎與科學價值。

在〈為何今年大學指考生物單選第14題沒有正確答案?〉一文中,指出:

哈溫定律告訴我們,如果符合五大前提,則族群內等位基因頻率不變,不同基因型的比例可以從等位基因的頻率計算出來。但是哈溫平衡並沒有反之亦然,也就是說如果不符合前提,基因型比例也不一定會偏離哈溫平衡。這就像是4+4一定等於8,但是8不一定等於4+4,有可能是3+5,或是2+6。

此的確是哈溫定律的模型意涵,但是,如果8已經變成3+5,代表兩個族群之間的已經發生「歧異(divergence)」,此時代表「演化正在進行」,這是哈溫定律另一個重要意涵:當兩個族群仍然保有彼此基因交流的情形下,演化並未發生,但若兩個次族群因隔離而不再有「真實」的基因交流,那麼3與5兩個族群就是「現在」的「演化結果」!

推敲選項之題意,應該是要陳述「某族群之一等位基因頻率不符合哈溫定律時,表示該族群已經與其他族群產生歧異,而如此的歧異持續並因為族群間的隔離效應,將可視為演化的結果」。

生物概念的釐清

選項(C):人類大量使用抗生素,使得抗藥性的細菌增加,為人擇作用的結果

生物學家(科學家)闡述「生物演化」現象時,「天擇」、「性擇」與「人擇」是三種重要的選汰機制,其「學理」基礎很明確:天然環境(天擇)、性別交配(性擇)與人為意志(人擇)。但是,若是與生物演化現象相關聯,那就不是那樣的「涇渭分明」了。例如:性擇,也可以是一種天擇。顧爾德(Stephen J. Gould)曾經探討愛爾蘭鹿的「巨角」與其滅絕的關聯性說明時提到,那樣的「巨角」扮演性擇機制的重要角色,但是,這種巨角的鹿在愛爾蘭繁盛的時期非常短,那段時間的愛爾蘭是多草少森林的空曠平原,然而,隨著氣候轉變,愛爾蘭鹿無法適應冰河來臨的凍原氣候,也無法適應冰河消退後出現的茂密森林環境3,因此,愛爾蘭鹿的巨角是因為性擇機制而產生的誇大變異結果,也是在環境的天擇機制下受性擇影響的演化結果。

那麼,人類大量使用抗生素,使得抗藥性的細菌增加,使否為「人擇」呢?當人類使用抗生素進行醫療處置時,藥物在人體中產生生理環境改變,欲使目標細菌可以盡除,然而在藥物作用與細菌演變的交互影響下,卻導致細菌的抗藥性產生。在細菌抗藥性的演化過程中,沒有人類「特意」研發的藥物,如何產生理環境的天擇現象呢?

因此,若是嚴格的定義人擇為「人為意志」所造成的生物改變現象,而「無涉於」自然環境的效應,那麼,就只有完全與外界環境隔絕的實驗室動物才能夠符合人擇的機制;而如此人擇的生物演化現象,正是當代生物醫學發展、分子生物學理論奠定的堅實基礎。

因此,細菌抗藥性現象,雖然不是人所希望的演化結果;但是,那終究是因為「人為」而產生,如何不可稱為「人擇」呢?

愛爾蘭鹿的巨角是因為性擇機制而產生的誇大變異結果,也是在環境的天擇機制下受性擇影...
愛爾蘭鹿的巨角是因為性擇機制而產生的誇大變異結果,也是在環境的天擇機制下受性擇影響的演化結果。 圖/維基共享

生物理論發展的理解

選項(D):拉馬克用進廢退理論,是達爾文演化論的基礎

這個題目爭議所在,在於「何謂理論之『基礎』」。

就科學理論的發展而言,新理論的「基礎」意指為何?是「新理論必須『發展』舊理論」才可稱為「基礎」?還是「新理論乃為『駁斥』舊理論」也可成為其基礎?

從理論建構的關係脈絡,兩者都可以是基礎的論點,但是,如果「新理論」無任何涉及「舊理論」之架構(不是「議題」或「對象」,而是論述之間的「交錯」關係),應當可說「不是」以舊理論為基礎,也就是與舊理論無關。

在十九世紀時,演化一詞的意涵是廣泛的「生物演變的現象」,而所謂的「生物演變的現象」也包含「生物個體的發育」,因此,舉凡生物在代代相傳所產生的變化——長頸鹿的頸部一代比一代更長,或是生物個體因為適應環境改變而造成適應的特化現象——原始部落穿鞋的人腳底的厚繭比有穿鞋的都市人更厚,在當時都是演化討論的議題。這樣科學觀點不難理解為何藉由長頸鹿的脖子演化做為案例討論不同學理時,總要提到達爾文與拉馬克。達爾文強調的是,一代一代之間遺傳差異的歷程稱為「演化」,而拉馬克則是強調「個體因適應環境所產生的改變」造成後代的「演化」。因此,在生物科學發展史的脈絡中,達爾文的演化論是否是要駁斥拉馬克的演化理論呢?從達爾文建構演化論的內容來看,沒有明確的線索顯示此意圖。

即便如此,這樣的生物科學史的問題並不是不能作為考題來評量受測者的理解能力,題目應以更明確陳述做為選項。例如:拉馬克用進廢退理論,是達爾文演化論所要駁斥的演化論述。

拉馬克。 圖/維基共享
拉馬克。 圖/維基共享

結論

如今,高中生物科學教育的困境在於:教授的內容龐雜缺乏系統,而且在知識組成的分配上極不均衡。因此,不少生物科系的教授都有「重醫學分生、輕演化生態」的感嘆。

如果回歸生物科學知識的教學層面,筆者並不認為「如何教授生物學」的困境是「重醫學分生、輕演化生態」所致,因為,即便是醫學分生的學理與理解,也存在著與自然生態演化現象一樣複雜的觀念理論。公共電視主題之夜《膽固醇騙很大》4曾經藉由紀錄片《Cholestérol – Le grand bluff》探討心臟病由膽固醇引起的爭論,若從生理的生化理論,心臟病的導因並非單一因子,或者應該說是綜合因子與生理生化途徑複雜的交互影響所造成,那麼在高中生物課程該如何「陳述」這樣的科學知識系統呢?

喜歡演化生物學的學者,都喜歡引用杜布贊斯基 (Theodosius Dobzhansky)的名言:「缺少演化的洞見,生物學將失去其意義(Nothing in biology makes sense except in the light of evolution)」,筆者也不例外。因為,從生物演變的現象探討生物科學的理論與學理基礎的闡述,並非僅止於演化生物學的領域,而是可以從長遠而廣闊的角度理解生物科學,使得生物科學的內容更顯得意義盎然。

生物演化現象與學理間之「合理性」關聯,原本就因為「演化」的現象複雜而不易簡單用一兩句話給予「論斷」,因此,如果可以援用邁爾(Ernst Mayr)曾提出之「鄰近因果」——也稱為功能性因果——生物現象與當下環境因子之關聯性,與「終極因果」——也稱為演化性因果——生物現象與演化歷程的關聯性5,即便是心臟病與膽固醇之間的爭論,或是「鐮刀型紅血球的貧血症」,都可以回歸「鄰近因果」與「終極因果」的方式理解與討論,這對於高中生物科學教學應可產生重大的變革與莫大的效益。

此外,若要選用演化生物學「學理」與「現象」作為選擇題測試學生對於其間關聯性之理解,題幹就要相對比較長,對於生物演化現象、或特定理論之說明必須非常仔細,且盡可能完整,才能有足夠的論述作為題目語意的理解並進行評量。

但是,指考的題目基於目前考試的需求,很難如此設計。同時,也不得不令人懷疑「避免如此出題」是否與「學生閱讀能力不足」有關?

▲ 公視主題之夜—膽固醇騙很大

  • 文:賴伯琦。大葉大學生物資源系助理教授。大學就讀東海生物系,關注社會公義事務相關議題,碩士階段就讀師大生物研究所,關心自然科普教育,英國留學期間,拓展生物科學的學理與思想。目前,自我期許能在科學、歷史與哲學的研究發展努力,為大學通識教育改革、高等教育與中學教育銜接、乃至公共議題的論述,盡現代公民之心力。

  • 所謂的考試資源,意指「考試內容的比例分配」與「受測者閱讀試題的時間」。
  • 〈為何今年大學指考生物單選第14題沒有正確答案?〉有同樣的說明:「現在是後基因體時代,因此人類遺傳學家通常擁有巨量的遺傳數據。但是他們在分析之前,往往會把不符合哈溫平衡的基因座先剔除再行分析。理由是「不符合哈溫平衡比較大的機會可能是實驗誤差造成的」。然而這些被篩選過的數據會被拿來分析人類的適應(天擇)、族群大小(族群大小決定遺傳漂變的程度)、遷移,以及不同基因的突變速率等等哈溫定律的前提。」
  • 請參見《達爾文大震撼》,第9章〈可憐的愛爾蘭鹿〉,程樹德譯,天下文化出版。
  • 7月7日公共電視主題之夜節目,相關網頁請參照此
  • 請參見《看!這就是生物學》,第4章〈生物如何解釋生命世界?〉,涂可欣譯,天下文化出版。

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