模拟实验的通用教学模式建构与例析

2018-09-03胡继飞

生物学教学 2018年8期

胡继飞

(广东第二师范学院生物学院广州 510303)

1 关于生物学模拟实验的讨论

模拟实验是遵循真实实验的原理而使用一些不相干的材料来代替真实的生物学对象进行实验。这里的真实的实验对象被称为原型，不相干的材料被称为模型。以高中生物学的“性状分离比的模拟”为例，用甲、乙小桶内的彩球分别代表D和d基因，就是用不相干的彩球(模型)来模拟和研究生物的雌雄配子(原型)随机结合的规律。根据这样的理解，就可以以此来判断“生态瓶制作”是否属于模拟实验的问题，因为这里的关键部分使用的仍然是真实材料，所以生态瓶制作不属于真正意义上的模拟实验。

中学生物学课程中的模拟实验有两种类别，一种是模仿原型来制作模型(侧重于实物制作的模拟实验)，如初中的“细胞模型制作”和高中的“DNA结构模型制作”；一种是利用模型进行实验(侧重于过程原理的模拟实验)，如初中的“模拟动物保护色的形成”和高中的“性状分离比模拟实验”。

模拟实验既是一种实验方法，更是一种教学方法。由于科学设备、实验技术或者实验时长所限，科学家做的许多真实实验无法被还原到课堂中。例如孟德尔完成的豌豆杂交实验，本身是一种真实实验，但由于实验周期较长，学校教学条件下只能设置为模拟实验。

2 模拟实验的三段式教学模式建构

模型建构需要进行特征识别、结构重组和功能再造，是一种重要的研究方法和学习方法。按照模型建构理论和人的感知规律，笔者认为模拟实验教学过程都必须具备三个基本环节，即“利用原型引入模型→利用模型进行实验→利用模型解释原型”。该模式也可以简单表述为“原型→模型→原型”。下面就该教学模式的操作方法和需要注意的问题继续加以说明：

2.1 利用原型引入模型本环节的关键是让学生充分感知和初步认识原型。生物学原型可以是生物体的形态结构，也可以是生物的生理生化过程，还可以是生物学原理和规律。这个环节的基本操作是呈现原型，制造认知上的冲突，然后由认知冲突引入模拟实验、由原型引入模型。

2.2 利用模型进行模拟实验本环节的关键是寻找合适的模型和实施模拟操作过程。要引导学生进行发散思维，尽可能多地探寻到不同的模拟方法。方案设计和制作模型，可以采用小组学习的方式，既有分工又有合作；既要注意替代物的可比性，还要注意替代物的简便性，原则上模型应比原型更简单更明了，切忌模型比原型更复杂、更难以观察或不易理解。

2.3 利用模型解释原型本环节的重点在于借助模型对原型进行解释，其心理过程是类比和内化。本环节的基本过程是：先由模型过渡到原型，然后利用模型的实验结果对原型进行解释。这个过程中，教师切忌代言和包办，应让学生自己进行对比分析和获得意义上的理解。

在这个教学模式中，原型是目的，模型是手段也是关键。模型是借助实物或虚拟表现，通过主观意识建立的客观阐述形态结构或过程的一种表达的物件。这个物件并不等同于我们通常所说的物体，模型既可以是三维的立体结构，也可以是二维的平面结构；模型既可以是实体物件(拥有体积和重量的物理形态实体)，也可以是虚拟物件(用电子数据通过数字表现形式构成的形体及其他实效性表现)。

模型包括物理模型、数学模型和概念模型，生物学模拟实验主要利用物理模型，偶尔也会用到数学模型。例如“细胞体积的增大是有限度的”是一个较为抽象的概念，为便于学生理解，可以设置“探究细胞大小与物质运输的关系”模拟实验。有不同的方法，一是利用几何图形，让学生计算不同体积正方体相对表面积的变化；二是使用含酚酞的琼脂块(模拟细胞)和氢氧化钠溶液(模拟运输物质)等材料进行模拟实验；三是利用可以拆分的正方体实物，通过拆分与组装来直观地感受体积与表面积的关系。第一种利用的是数学模型，后两种利用的是物理模型。显然，物理模型更容易被观察和被理解，所以中学生物学的模拟实验应尽量使用物理模型。

该模式具有特定的适用对象和教学目标，可以有效地规范和优化模拟实验的教学行为，有助于师生理解和把握模拟实验的特点和目的，让学习者通过实验学会模型建构和利用模型解决现实问题。美国《国家科学教育标准》要求学生能够“运用逻辑和证据来建构和修正科学解释和科学模型”，我国的生物学课程标准也有类似的要求。

3 模拟实验三段式教学案例分析

如前所述，生物学模拟实验包括侧重于实物制作和侧重于过程原理两大类，下面就这两类模拟实验的教学分别进行案例分析。

3.1 侧重于实物制作的模拟实验 “细胞模型制作”是初中生物学课程中颇有代表性的模型建构实验，以此为例加以说明。

(1) 第一环节：利用原型引出课题制作植物细胞和动物细胞临时装片，在显微镜下进行观察，然后展示细胞的立体结构图片(电镜照片)。教师说明细胞是构成生物体的基本结构和功能单位，并向学生解释：虽然所有细胞都来自生物体，有许多共同的特征，但是植物细胞和动物细胞还是有一些区别的。让学生绘图并分别标示出植物细胞和动物细胞结构的名称，进而比较两类细胞结构的异同。引导学生思考：显微镜下能看清楚细胞的这些结构吗？如何更清晰地认识细胞的结构和功能呢？因为细胞非常微小，显微镜下要清晰地观察到细胞的结构特点的确有些困难，我们只好让大家亲手制作植物细胞和动物细胞的模型来进行辅助学习。

(2) 第二环节：模仿原型制作模型教师事先把学生分好组，每组4～6人。组长领取两个塑料袋、一个塑料透明盒子、各种水果、凝胶等材料。然后教师指导各组配制温热的液体凝胶，备用。

接下来引导学生小组集体讨论如何利用这些材料制作细胞模型，并动手制作。这里提供一个仅供参考的制作方案： ①把一个塑料袋打开衬在透明盒子里，另一个打开放在桌子上。塑料袋代表细胞膜，塑料盒子代表细胞壁，衬有塑料袋的盒子代表植物细胞，而打开放在桌子上的塑料袋代表动物细胞。②在两个塑料袋中加入等量的液体凝胶，然后把水果分别放入其中，绿色的葡萄代表叶绿体，柑橘代表线粒体，李子代表细胞核，辣椒粉代表核糖体，小气袋代表液泡，纱布代表内质网。

(3) 第三环节：利用模型理解原型师生一起利用模型及其制作过程进行问题讨论，这些问题可以包括： ①两类细胞的形状是怎样的？②对照制作的细胞模型说说植物细胞和动物细胞有何不同？③植物细胞的细胞壁为什么这么坚韧？它对植物细胞有什么作用？细胞壁的成分是什么？④为什么动物细胞没有细胞壁？动物细胞的细胞膜有什么作用？⑤在动物细胞模型中为何不能放葡萄和小气袋？讨论后，每组做一份表格，比较植物细胞和动物细胞的不同点。

3.2 侧重于过程原理的模拟实验 “动物保护色的形成”是初中生物学一个重要教学内容，有关的模拟实验重在引导学生通过探究活动来理解生物进化的原因，培养学生的实践能力和创新能力，并在探究活动过程中获得成功的体验。

(1) 第一环节：利用原型导入模型首先，要丰富学生对保护色(原型)的感知。出示图片和视频，图片包括落叶蟾蜍、树皮蚱蜢、苔藓叶尾壁虎或者变色龙等，视频主要为英国曼彻斯特地区桦尺蠖体色变化的影视资料。其次，要利用认知冲突强化建立模型的需要。教师引导：这些动物的保护色是如何形成的呢？是什么原因造成桦尺蠖体色发生变化的呢？学生讨论后会给出不同的答案。教师提示：科学家认为，桦尺蠖体色变化与英国工业发展所造成的污染及鸟类的选择性捕食有关。这就是著名的工业黑化现象，也是达尔文进化学说关于自然选择的一个典型例证。那么事实是否真的如此呢？下面我们就通过“模拟保护色形成过程”的探究活动，一探究竟。

(2) 第二环节：利用模型进行实验这个模拟实验有多种设计方法，一是采用教材的设计，替代物为布料和不同颜色纸片，可以准备一块彩色布料和100张各种颜色的小纸片，分别代表生活环境和猎物。二是寻找其他替代物进行创新设计。例如，可以用牙签(为了安全，将牙签的尖端剪除)或者棉签进行模拟，将牙签或棉签染成绿色、黑色、黄色、白色等不同颜色，以此代表某种昆虫的不同变异类型，选择一块绿草坪(如足球场)作为生活环境，参与寻找牙签或棉签的同学则充当捕食者。此外，广东省顺德一中的教师对此也进行了富有创意的设计【1】。他们用干燥泥土和各种颜色的小泥球，分别代表生活环境和被捕食的昆虫。其模拟的过程和结果如下：学生4～6人一组，组长为监督人，组员为捕食者。小泥球的颜色代表某种昆虫不同体色的变异类型。组长将小泥球均匀地撒在干燥泥土上，捕食者背对桌子，每转向桌子一次，抓取一个小泥球(只用眼睛判定泥球的位置，不能特意寻找某种颜色的小泥球)。重复抓取，直到土堆上只剩下25个小泥球。统计“幸存者”中各种颜色的小泥球数目。假设每个“幸存者”产生3个后代(体色与自己的相同)，将“幸存者”和它们的后代充分混合，再均匀地撒在泥土上。小组分工进行实验，记录实验结果。重复多次，直到幸存数量都为零。统计结果如表1所示。