例谈基于科学思维和科学探究的模型模拟教学策略

郑香梅

摘要针对学生对抽象的遗传学规律的生命观念理解不够深入，对遗传过程中各种比例的总结与比较存在混淆，导致在解决实际问题时不能迁移和灵活运用的问题，采用模型模拟教学策略，对课本现有内容进行了深挖与拓展，利用简单易得的材料，借助校本选修课程的开展，将课上没能充分展开的实验付诸实践，充分发挥了学生的模型与建模的科学思维，在科学探究的过程中亲身体验，有效地帮助学生突破对遗传两大定律实质理解的难点，并培养了学生的团队合作意识。

关键词 模拟实验 科学思维 科学探究 校本选修课程

中图分类号G633.91 文献标志码B

高中生物学课程设计的基本理念以核心素养为宗旨，内容聚焦大概念，教学过程重实践，学业评价促发展，目的在于培养全面发展的人。其中核心素养在高中生物学学科中的具体体现主要是生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等。而其中的科学思维和科学探究是帮助学生形成生命观念和培养社会责任的驱动力，是提升学生能力的有效途径。

模拟实验是根据相似性原理通过模拟的方法制成研究对象的模型，用模型来代替被研究对象，模拟研究对象的实际情况，来进行实验研究，由于生物学中很多研究对象直接用来进行实验非常困难或者不可能，因而模拟实验成为生物学中一个重要的研究方法。

普通高中人教版生物《必修2·遗传与进化》第一章“遗传因子的发现”的内容比较抽象，学生对规律本质的理解难度大。因此，在学习这部分知识时，教师可以借助模型模拟实验，运用模型和建模的科学思维，将抽象概念转化为可操作概念，将被动接受转化为主动探究，让学生在科学探究的实践中理解，进而突破学习难点。教材仅仅对分离定律进行了模拟，笔者将此模拟实验进行拓展，增加了自由组合定律中几个比例形成过程的模拟，并借助学校的校本选修课开展活动，真正将几个模拟实验付诸实践。学生通过实验前的准备、实验模拟过程的操作以及对实验结果的数据统计和分析，实现了对这部分知识的重点和难点的突破，对模糊点的澄清等，也增强了学习的趣味性。

1在材料准备中，发挥创新思维，培养环保意识

教师引导根据模拟实验的操作目的，参考教科书“性状分离比模拟实验”，布置课前的材料准备任务，要求学生自行选择身边常见的替代材料，提倡充分进行废物再利用。

课上通过交流发现，学生选取的材料非常丰富，充分展现了学生的创新思维。小桶的替代材料：有的学生用两个废旧纸箱，在一侧挖一个一只手可以自由通过的洞，就类似于抽奖箱代替小桶;有的学生用两个黑色塑料袋;有的则用两个空书包。不同颜色小球的替代材料：有黑白兩种颜色的围棋子、六味地黄丸的空药壳、瓶盖、小钢珠，黄色和白色乒乓球等。对于学生如此超凡的智慧，教师给予了高度赞赏，并鼓励学生平时也要多思考课本上哪些知识可以用身边的材料模拟，在平时的学习生活中多动手操作提升能力。除此之外，有的学生还准备了记号笔、A4白纸，用于对材料进行标注。

2在模拟实验课实施过程中，亲身体验，科学探究

2.1分析实验原理，明确模型建模材料的替代含义

2.1.1分离定律和自由组合定律的实质

教师引导学生应用遗传图解和语言相结合的方式，复习阐述遗传学两大定律：在杂合体的细胞中，位于一对同源染色体上的等位基因，具有一定的独立性;在减数分裂形成配子的过程中，等位基因会随同源染色体的分开而分离，分别进入两个配子中，独立地随配子遗传给后代。位于非同源染色体上的非等位基因的分离或组合是互不干扰的;在减数分裂过程中，同源染色体上的等位基因彼此分离的同时，非同源染色体上的非等位基因自由组合。

2.1.2各种材料及模拟操作代表的含义（以纸箱和乒乓球为例）

教师提出问题，明确任务：将要模拟哪几个过程？模拟过程需要哪些材料，分别代表什么含义？为了保证实验的科学性，实验的模拟材料数量有没有要求？除了要模拟分离定律中得出的两种雌配子（或两种雄配子）的比例，子代表现型和基因型的比例外，还可以得出哪些比例？这要求怎么准备材料和设置标注？学生边思考着这些问题，边探究、尝试，解决出现的问题，修改完善实验方案，最终达成共识。

学生将6个纸箱平均分为3组：

第一组两个纸箱编号甲、乙，代表雌雄生殖器官，每个纸箱中装入20个小球，其中10个小球标D，10个小球标d。操作时，分别从两只纸箱中随机各抓取1个小球并记录，以此来模拟分离定律，再将从两个纸箱中分别抓取的小球合在一起并记录，以此来模拟雌雄配子随机结合。

第二组两个纸箱编号丙、丁，代表两对同源染色体，丙纸箱中装入20个小球，其中10个小球标A，10个小球标a，丁纸箱中装入20个小球，其中10个小球标B，10个小球标b。操作时，分别从两只纸箱中随机各抓取1个小球组合在一起并记录，以此来模拟自由组合定律。

第三组两个纸箱编号戊、己，代表雌雄生殖器官，每个纸箱中装入20个小球，其中5个小球标AB，5个小球标Ab，5个小球标aB，5个小球标ab。操作时，分别从两只纸箱中随机各抓取1个小球组合在一起并记录，以此来模拟雌雄配子随机结合。

在材料分组标记过程中，各个小组的学生均出现了一些问题。比如，受教科书内容的限制，几乎每个小组的两个纸箱中的乒乓球的总数量都是一样的。于是，教师及时鼓励学生进行批判性思维：①纸箱甲、乙中的小球总数必须相等吗？纸箱丙、丁呢？纸箱戊、己呢？为什么？②每个纸箱中不同种类的小球数量必须相等吗？如果不相等，还能得出上述的实验结果吗？这样进而引导学生不断加深探究内容。由此，学生在材料准备和标注中，深入理解了一些细节问题对模拟实验科学性的影响。

2.2操作程序

2.2.1相关表格设计

本实验要求在实验操作过程当中记录大量的原始数据。这就要求在正式动手操作之前，设计好相应的一系列表格：模拟性状分离比的表格、模拟自由组合定律中F。产生配子比例的表格、模拟自由组合定律中F2表现型及基因型比例的表格。刚开始设计表格时，小组内的每个成员的意见并不统一，格式和项目有漏有重、有繁有简。小组成员经过简单的讨论很快达成统一，虽然表格样式略有差异，但基本上都包含了种类（表现型、基因型、配子等）、次数记录过程（画“正”字）、次数合计、比例等。在这个过程中，每个成员对实验的任务理解得更透彻，小组各成员的配合越来越默契，在轻松活跃的气氛中逐步达成课程的三维目标。

2.2.2进行模拟实验

各小组合作进行抓取和记录的操作。怎样才能符合统计学分析的要求呢？怎样保证实验结果科学严谨呢？在正式动手操作之前，学生通过讨论得出以下注意事项：实验开始时，应将纸箱内的小球混合均匀;抓球时应该双手同时进行，而且要闭眼，以避免人为误差。每次抓取后，应记录下两个小球的字母组合;每次抓取的小球要放回桶内，目的是保证桶内显隐性配子数量相等;每做完一次模拟实验，必须要摇匀小球，然后再做下一次模拟实验。每个小组实验需要重复至少100次。在操作过程中，每一个成员心中都记着这些关键词：随机、放回、摇匀、记录，铭记着每一步操作的严谨性直接关系到整个实验的成败。因为本次实验重复次数多，要想在有限的时间里完成实验，需要小组成员合理分工、密切合作。通过本次实验，学生深入体会到了科学严谨和团队分工合作的重要性。

2.3实验结果及分析

实验结果见表1～表3。

实验结果分析：表1数据基本符合一对等位基因在遗传中F：性状分离比DD：Dd：dd=l：2：1，证明了基因分离定律;表2数据基本符合两对等位基因在遗传中F。产生的4种配子AB：Ab：aB：ab=l：1：1：1，证明了基因的自由组合定律。表3数据表示雌雄配子随机结合的结果，可以分析F2中出现的9种基因型（请写出与比值对应的基因型）及比例接近1：2：2：4：1：2：1：2：1，也能得出F：中出现的表现型及比例。学生在对实验数据的分析中认同了孟德尔实验成功的原因之一：运用了统计学分析，进行了大量的数据统计。本次模拟实验每个小组的学生在每个实验中都至少进行了100次，因此最后的数据基本符合规律。

但是，符合要求的最少的次数到底是多少呢？如果让学生在记录数据时，将20次得出一结果，50次得出一结果，与100次的结果单放在一个表中，再分析差异及原因，便可探究出至少需要多少次了。但该次实验过程中并没有将20、50、100次的结果标注出来，未能将次数这一變量的具体影响探究出来，这也是本次实验的一个遗憾。

3反思

本次模拟实验活动充分发挥了学生的能动性，教师仅仅进行了适当的活动组织、原理提醒、疑问解答。从准备到操作、再到数据的整理和分析均由学生合作完成，他们边操作边思考，边讨论边尝试，解决了很多细节问题，并使各项操作更加趋于严谨化，并对微观的遗传规律及本质理解得更加深刻。

总之，通过本次模拟活动实现了微观的世界宏观化，抽象的概念形象化，深奥的理论简单化，枯燥的知识趣味化，很好地在课程实施过程中提升了学生的核心素养。