生物学模拟实验在科学思维培养中的应用

广东中山市第一中学（528403）王孟雨

“科学思维”是生物学学科核心素养的重要内容。《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》中对“科学思维”的定义是：尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力［1］。生物学是一门以实验为基础、研究生命现象和生命活动规律的学科。在生物学实验操作中，由于条件限制，有时不能直接对实验对象进行研究，此时就需要借助合适的替代物来进行模拟实验。应用模拟实验可以帮助学生建构知识网络，提高学生的科学探究能力，培养学生的科学思维，发展学生的生物学学科核心素养。本文结合几个高中生物学模拟实验，阐述如何应用生物学模拟实验来培养学生的科学思维，为生物学一线教师提供参考与借鉴。

一、化抽象为具体，让学生通过直观体验理解和建构知识

人教版教材选择性必修3第3章“基因工程”的内容比较抽象，比如构建基因表达载体的过程中常选择双酶切而不是单酶切，如果学生只是通过想象，是很难理解其原因的。如果教师设计并引导学生进行模拟实验，就可以化抽象为具体，让学生通过直观体验理解和建构知识。

实验材料：A4 纸，剪刀（代表限制酶），透明胶条（代表DNA连接酶）。

实验过程：

（1）教师先选择2种限制酶（EcoRⅠ和SmaⅠ），并根据这两种酶的识别序列，设计如下目的基因的部分DNA 序列和质粒序列，并打印在A4 纸上做成纸带。

（2）学生拿出“单酶切的质粒”纸带，将“质粒”省略号处首尾相连，完成“质粒”制作；用剪刀模拟限制酶（EcoRⅠ）在“单酶切的基因”和“单酶切的质粒”特定位点分别对运载体和目的基因进行切割；将切取的目的基因取出，用透明胶条模拟DNA连接酶实现目的基因转移到质粒上。

（3）学生拿出“双酶切的质粒”纸带，将“质粒”省略号处首尾相连，完成“质粒”制作；用剪刀模拟限制酶（EcoRⅠ和SmaⅠ）在“双酶切的基因”和“双酶切的质粒”特定位点分别对运载体和目的基因进行切割；将切取的目的基因取出，用透明胶条模拟DNA连接酶实现目的基因转移到质粒上。

在实验操作过程中，学生要思考以下问题：

（1）用同种限制酶切割目的基因与运载体的目的是什么？

（2）如果最多考虑2 个DNA 片段在DNA 连接酶作用下相连，单酶切和双酶切会有几种结果？哪一种连接方式是我们需要的？（注意基因是有方向的）

（3）选择双酶切的优点是什么？

“基因工程”内容比较抽象，因此本实验的设计主要由教师完成，学生进行具体的实践操作。学生通过模拟实验操作，构建了基因表达载体的物理模型，直观体验了基因工程操作的核心步骤。在知识建构上，学生发现了目的基因和运载体可以出现自身环化或反向连接等多种可能，而选用双酶切的方法，可以减少这些可能情况的出现。

二、在生活中寻找材料，培养学生的创造性思维和批判性思维

（一）“性状分离比”模拟实验

人教版教材必修2 中是用小桶和彩球来模拟一对相对性状的性状分离比实验的，而北师大版和苏教版教材中则使用黑白围棋子和围棋罐来进行实验模拟，这些实验材料都不难获得。在教学过程中，教师还可以寻找更为便利的实验材料，如用2种颜色的粉笔头分别模拟2 种配子，用2 个纸杯分别模拟雌雄生殖器官。具体模拟实验时，让学生同桌一组，每人从纸杯内随机抓取1 个粉笔头，放在一起，表示雌雄配子随机结合形成的受精卵。每次做好记录后，再把粉笔头放回原来的纸杯内并混合均匀，同样的操作重复10次。最后统计全班学生的数据，计算性状分离比和遗传因子组成比。

在实验操作过程中，学生要思考以下问题：

（1）两个纸杯中的粉笔头总数要不要相等？每个纸杯中的粉笔头数量要不要相等？（2）每次抓取粉笔头为什么要放回，不放回会怎样？（3）将本小组的实验结果与全班所有小组的实验结果进行比较，你有什么发现？（4）模拟实验结果与一对相对性状的杂交实验的结果相比，你认为孟德尔的假说是否合理？

本实验基于孟德尔实验事实，采用模型构建的科学思维方法，引导学生边做边学，最终使学生理解孟德尔实验中运用的“假说—演绎法”这一科学方法的精髓。在实验材料的选择和实验的具体操作过程中，学生要思考如何满足科学性和严谨性原则等问题，这不仅能培养学生的创造性思维，发展学生的批判性思维，还能很好地培养学生的科学探究能力。

（二）“自然选择”模拟实验

达尔文的自然选择学说对生物的适应性的形成做出了合理的解释。达尔文认为，通过自然选择，种群中拥有强适应性性状的个体会随着时间的推移数量增加［2］。人教版教材必修2中只是安排了一个“运用自然选择学说解释适应的形成”这一“思考·讨论”的栏目，并没有具体的实验内容。那么能不能模拟“自然选择”来开展实验呢？答案是肯定的。

实验材料：大号珠子，中号珠子，小号珠子，镊子，钳子，盘子，计时器。

实验过程：

（1）让甲、乙、丙同学3 人一组，甲同学用镊子来表示捕食者种群中的一个成年个体，乙同学用钳子来表示捕食者种群中的另一个成年个体，丙同学计时。

（2）把3种珠子（被捕食者）混合放在盘子里。

（3）计时20 秒，甲、乙同学尝试用镊子和钳子夹起所有能夹起来的珠子。

（4）每一颗大珠记3 分，中珠记2 分，小珠记1分，把各自的分数加起来。

（5）按照“维持生存需要18分，产生一个后代额外需要10分”这一标准，统计幸存者和后代的数量。

（6）重复以上操作10 次，汇总小组数据和班级数据［2］。

在实验数据的统计过程中，学生要思考以下问题：

（1）镊子和钳子代表捕食者种群中的成年个体，如果除去所有的成年个体，种群将怎样变化？（2）哪一种成年个体（镊子或钳子）能更好地适应环境，产生更多后代？（3）被捕食者（珠子）如何随着捕食者种群的变化而变化？

本实验基于生物群落中的捕食关系，让学生分小组进行限时捕食操作（夹取珠子），再把更多的小组数据汇总，这就相当于延长了“生存斗争”的时间，让学生看到“适者生存”的结果。因教材中没有该模拟实验，学生要发挥创造性思维和批判性思维，逐步设计和完善实验过程，这是对学生科学思维的高阶培养。

三、巧用实验仪器，简化实验条件，迁移运用实验方法

“酵母菌的纯培养”是人教版教材选择性必修3 第1 章第2 节“微生物的培养技术及应用”中“探究·实践”栏目的内容。学生应在实验室完成该实验的具体操作，掌握倒平板、分离纯化酵母菌等微生物培养技术，为后续学习奠定基础。但由于实验设备的不足以及实验耗时较长等原因，不少学校未能开展该实验，学生只能通过死记硬背来完成对实验操作步骤的掌握。为了解决这一问题，笔者尝试把实验室有限的实验仪器利用起来，简化常规实验操作所需的条件，将倒平板、平板划线等实验操作环节改为模拟实验操作，这样学生就能够在模拟实验的操作过程中领悟微生物培养技术的精确要求，更加直观地理解实验的原理和方法。

实验材料：玻璃培养皿30 套，培养皿大小的圆形纸片60 张，琼脂糖，金属接种环，一次性塑料接种环（10 μL）60 支，锥形瓶，酒精灯，玻璃棒，涂布棒，微波炉，蓝色和红色墨水。

实验过程：

（1）倒平板。教师把琼脂糖溶解后用微波炉加热（省略灭菌操作），制作简单的琼脂糖平板代替酵母菌的平板培养基，由2 名学生到讲台上演示倒平板操作。

（2）接种和分离。方法一：平板划线法。教师分发事先准备好的琼脂糖平板和一次性塑料接种环，学生蘸取“菌液”（红色或蓝色墨水），尝试在平板上划线，再用笔在圆纸片上画出接种环划线的路径。方法二：稀释涂布平板法。由2 名学生到讲台上演示稀释涂布平板操作。

在实验操作过程中，学生要思考以下问题：

（1）倒平板操作的步骤有哪些？哪一步体现了无菌操作？（2）平板冷凝后，为什么要将平板倒置？（3）为什么在操作的第一步、每次划线之前和划线操作结束后都要灼烧接种环？（4）为什么在做第二次以及其后的划线操作时，总是从上一次划线的末端开始？（5）结合学过的实验，有没有将微生物分散到培养基表面的其他方法？（6）设计实验将10 mL菌液稀释10 倍、102倍、103倍、104倍、105倍、106倍，说出实验思路。

本实验对教材实验进行了简化处理，省略了高压蒸汽灭菌等操作，目的是让学生在一节课内掌握实验的重点操作技能。在引入稀释涂布平板法时，让学生结合学过的实验技术说出梯度稀释的操作步骤，实现实验技能的迁移运用。实验剩余的空平板可以放在教室内，以便于学生用来观察微生物菌落的特征。

四、运用生物信息学软件创设模拟实验，培养学生的数据处理能力

对于“基因突变和基因重组”一节，教材引用了“镰状细胞贫血”这一实例。患者血红蛋白分子的肽链上发生了氨基酸的替换，谷氨酸被缬氨酸替换了，其根本原因是基因中碱基对发生替换。学生可以查阅密码子表了解该实例中基因和氨基酸序列的对应关系。但在教学中，如果要探究基因中碱基对的缺失和增添对氨基酸序列的影响，用查阅密码子表的方法需要花费更多的时间，会影响教学任务的完成。对此，笔者提出了“基因碱基对的缺失或增添对氨基酸序列的影响较大”这一假说，让学生借助生物信息学软件Gene Runner（基因序列分析软件）来设计实验过程，利用软件中的数据库信息进行实验并观察结果，进而得出结论。

教师可提供如下血红蛋白部分基因序列：—GTTCACCTAACGCCCGAGGAAAAG—。学生把该序列输入到生物信息学软件Gene Runner 中，分析得出对应的氨基酸序列，然后删除该序列中的某一个碱基对，分析、观察碱基对的缺失对氨基酸序列的影响；学生也可以在以上序列中增添一个碱基对，分析、观察碱基对的增添对氨基酸序列的影响。图1 为某学生运用生物信息学软件Gene Runner 展示该模拟实验的结果。

图1 学生运用Gene Runner软件进行序列分析的结果

学生操作计算机，对碱基对进行删除或增添，观察结果后发现：碱基对的缺失（增添）不影响缺失（增添）位置前的序列，影响缺失（增添）位置后的序列。因此，基因碱基对的缺失或增添对氨基酸序列的影响较大。在该模拟实验中，学生可以直观地观察到基因突变对氨基酸序列的影响。

综上，高中生物学教材中编排的模拟实验都很经典，教师在教学中应尽量安排学生进行实验操作。学生通过实验材料的选择、实验操作的过程以及对实验结果的统计和分析，不仅突破了学习难点，还增强了科学探究能力。此外，教师还可以启发学生依据教材内容自主设计模拟实验。设计模拟实验时，应力求做到与真实实验的原理、本质相同，实验过程要易于理解和操作。通过这样的模拟实验训练，学生不仅学到了科学知识，还培养了模型与建模、批判性思维、创造性思维等科学思维，提升了问题解决能力和科学探究能力，发展了生物学学科核心素养。