依托模拟实验发展学生思维的教学实践

吴丹丹

(清华大学附属中学 北京 100084)

在生物学教学中由于某些因素的限制，无法直接对研究对象进行实验。在此情况下，可寻找实验研究对象的替代物，用模拟实验使学生获得对一些生命现象和规律的认识。

1 模拟实验可提升学生比较、归纳逻辑思维能力

当原型实验中的仪器设备在中学较难获得时，可使用模拟实验替代。由于模拟实验时需要自行设计各变量，从而改变了学生的学习方式，在学习中比较和归纳。

例如,在学习高中教材“基因工程的操作程序”一节时，由于实验室设备器材的限制，学生无法完成基因工程实验，且该实验的原理较微观、难理解，更谈不上启发和思辨了。此时，教师可设置模拟实验，带领学生体会基因工程的重要操作环节及其蕴含的生物学原理。教师用几个写有特定碱基序列的长纸条模拟基因工程中的常用运输工具“质粒”和“目的基因”(为启发学生思考，可使用有相同酶切位点和不同酶切位点的序列)，使用剪刀模拟“限制酶”来表示其“识别特定序列，切割特定位点”的特点(设置有黏性末端和平末端两种剪切结果的限制酶切位点序列)，再用胶带模拟“DNA连接酶”将能碱基互补配对的“DNA链”连接起来。此时，学生开始主动地提出问题：“两个不同限制酶酶切后的末端能否连接？若不能连接怎么改进？(能，有相同的黏性末端则可以；也许不能，如平末端和黏性末端)若质粒与质粒相连、目的基因与目的基因相连则无法实现实验目的，如何才能保证连接结果的准确性？若受碱基序列的限制，很难从限制酶的角度来选取不同酶切末端来保证连接结果的唯一性，如何排除错误连接结果的干扰？(可将目的基因和质粒的两端分别使用两种限制酶，且酶切后的末端不同，这样可以防止自连和反向连接。若以上方法无法实现，可借助电泳技术区分)。

回顾整个模拟实验，不是教师在讲授，而是学生用产生的一系列的问题带着教师一步步完成教学任务，变被动为主动学习。通过使用纸条、剪刀和胶带，模拟基因工程中“切”“连”等过程，在解决一个个问题中，学生比较、归纳出基因工程中限制酶的作用和作用特点、DNA连接酶的作用特点、电泳技术背后的原理，提升了学生比较、归纳等逻辑思维能力。

2 模拟实验可发展学生质疑、释疑逻辑思维能力

当原型实验所需材料较难获得，或有一定的危险性，采用模拟实验可直观、快速和安全地完成实验。在模拟实验的设计和实施阶段，有利于帮助学生更好地认识原型实验中蕴含的本质。

例如,在学习高中教材“模拟配子形成和受精作用”一节时，由于精子和卵细胞较难获得，也很难观察到配子形成过程，可用黑白两色的棋子分别代替基因型为A和a的配子来模拟减数分裂和受精作用。实验中，学生会思考一些问题：为什么要用两个容器、分别都装黑白两色的棋子？(两个容器分别代表雌雄生殖器官。)两容器中的棋子总数是否相等？(一般不相等，雄配子数远多于雌配子。)每个容器内黑白两色的棋子数量是否相等？(相等，雌A配子∶雌a配子=1∶1，雄A配子∶雄a配子=1∶1。)每次取几颗棋子？(黑白各取1颗组合到一起，模拟精卵受精作用。)抓取几次来统计结果？(越多越好，可使用全班共享数据来增大样本量。)

在模拟原型实验条件的时候，学生产生的疑问能帮助学生更深刻地认识了原型实验：“同源染色体分离等位基因随之分离、减数分裂使染色体数减半、雌雄配子随机受精、受精作用和减数分裂对维持亲子代染色体数稳定性有重要意义”等，在提出问题和解决问题的过程中，发展了学生的质疑、释疑等逻辑思维能力。

3 模拟实验可锻炼学生类比、推理逻辑思维能力

当原型实验中实验变量难以改变，但又需要观察实验变量对实验结果的影响时，可使用模拟实验。在保留核心要素、去除次要因素的过程中，有助于锻炼学生类比、推理等逻辑思维能力。

例如,在学习高中教材“模拟探究细胞大小与物质运输的关系”一节时，细胞本身的大小是无法改变的，所以无法分析细胞大小与其物质运输效率的关系。但在模拟实验中，可使用大小不一含氢氧化钠的琼脂块代表体积不同的细胞，酚酞溶液模拟细胞周围的溶液环境，酚酞溶液进入琼脂块后变红体积代表与外界物质交换的效率。通过观察单位时间内琼脂块变色部分的体积与总体积的比值，探究细胞大小与物质运输效率的关系。经计算发现琼脂块体积越小，单位体积的变色体积越大，即物质的交换效率越高。

在本实验中，学生可使用“类比法”分析实验：大小不同的琼脂块相当于体积大小不同的细胞，酚酞溶液相当于被细胞吸收的物质，变色的部分相当于吸收到外界物质的细胞结构，单位体积琼脂块的变色体积相当于细胞的物质运输效率。最后的结果说明，细胞越小其运输物质的效率越高。根据实验结果类比推理出，细胞体积小的积极意义可能是：细胞越小越有利于细胞与外界的物质交换，从而更高效的进行物质运输。可见在实验实施和结果分析阶段，有助于锻炼学生类比、推理等逻辑思维能力。

4 模拟实验可完善学生质疑、批判逻辑思维能力

比较原型实验，模拟实验可在较短的时间内，模拟几十年乃至几亿年的发展变化。实验操作时间短、实验现象简单直观，更符合学生的认知水平。在指导学生构建模型的过程中，帮助学生更好的理解原型和模型在结构和功能上的相似性，帮助学生完善了质疑、批判等逻辑思维能力[1]。

例如,在学习“模拟探究生物保护色的形成过程”一节实验中，学生会产生很多困惑，教师可抓住机会，通过与学生一起构建、修正模型的过程中分析其中蕴含的进化原理，得出进化的本质。又如，用大纸模拟“环境”，用剪成小方块的小纸片模拟“环境中的被食者”，学生自己模拟“捕食者”。操作过程中学生会疑惑“被捕食者是用一种还是多种颜色的小纸片？”，背后蕴含的原理是“生物的变异是普遍存在的，变异是不定向的”。在实施模拟实验时，“各种颜色的小纸片数量各多少？可否根据个人对颜色的喜好选择小纸片？”，这其实反映了“变异是随机产生的；生物的变异是少利多害的”的原理。学生操作一轮后斟酌是否需要继续“捕捉”，这反映了“自然选择是一个长期的、缓慢的过程”。

实验课上，教师在带领学生分析他们产生的问题后，不仅弄清了该如何操作，也挖掘出实验背后隐藏的与进化相关的本质认识，在不断的构建模型、修正模型、重构模型的过程中，提炼出进化学说的本质，帮助学生完善质疑、批判等逻辑思维能力。