依托模擬實驗發展學生思維的教學實踐

吳丹丹

(清華大學附屬中學 北京 100084)

在生物學教學中由于某些因素的限制，無法直接對研究對象進行實驗。在此情況下，可尋找實驗研究對象的替代物，用模擬實驗使學生獲得對一些生命現象和規律的認識。

1 模擬實驗可提升學生比較、歸納邏輯思維能力

當原型實驗中的儀器設備在中學較難獲得時，可使用模擬實驗替代。由于模擬實驗時需要自行設計各變量，從而改變了學生的學習方式，在學習中比較和歸納。

例如,在學習高中教材“基因工程的操作程序”一節時，由于實驗室設備器材的限制，學生無法完成基因工程實驗，且該實驗的原理較微觀、難理解，更談不上啟發和思辨了。此時，教師可設置模擬實驗，帶領學生體會基因工程的重要操作環節及其蘊含的生物學原理。教師用幾個寫有特定堿基序列的長紙條模擬基因工程中的常用運輸工具“質粒”和“目的基因”(為啟發學生思考，可使用有相同酶切位點和不同酶切位點的序列)，使用剪刀模擬“限制酶”來表示其“識別特定序列，切割特定位點”的特點(設置有黏性末端和平末端兩種剪切結果的限制酶切位點序列)，再用膠帶模擬“DNA連接酶”將能堿基互補配對的“DNA鏈”連接起來。此時，學生開始主動地提出問題：“兩個不同限制酶酶切后的末端能否連接？若不能連接怎么改進？(能，有相同的黏性末端則可以；也許不能，如平末端和黏性末端)若質粒與質粒相連、目的基因與目的基因相連則無法實現實驗目的，如何才能保證連接結果的準確性？若受堿基序列的限制，很難從限制酶的角度來選取不同酶切末端來保證連接結果的唯一性，如何排除錯誤連接結果的干擾？(可將目的基因和質粒的兩端分別使用兩種限制酶，且酶切后的末端不同，這樣可以防止自連和反向連接。若以上方法無法實現，可借助電泳技術區分)。

回顧整個模擬實驗，不是教師在講授，而是學生用產生的一系列的問題帶著教師一步步完成教學任務，變被動為主動學習。通過使用紙條、剪刀和膠帶，模擬基因工程中“切”“連”等過程，在解決一個個問題中，學生比較、歸納出基因工程中限制酶的作用和作用特點、DNA連接酶的作用特點、電泳技術背后的原理，提升了學生比較、歸納等邏輯思維能力。

2 模擬實驗可發展學生質疑、釋疑邏輯思維能力

當原型實驗所需材料較難獲得，或有一定的危險性，采用模擬實驗可直觀、快速和安全地完成實驗。在模擬實驗的設計和實施階段，有利于幫助學生更好地認識原型實驗中蘊含的本質。

例如,在學習高中教材“模擬配子形成和受精作用”一節時，由于精子和卵細胞較難獲得，也很難觀察到配子形成過程，可用黑白兩色的棋子分別代替基因型為A和a的配子來模擬減數分裂和受精作用。實驗中，學生會思考一些問題：為什么要用兩個容器、分別都裝黑白兩色的棋子？(兩個容器分別代表雌雄生殖器官。)兩容器中的棋子總數是否相等？(一般不相等，雄配子數遠多于雌配子。)每個容器內黑白兩色的棋子數量是否相等？(相等，雌A配子∶雌a配子=1∶1，雄A配子∶雄a配子=1∶1。)每次取幾顆棋子？(黑白各取1顆組合到一起，模擬精卵受精作用。)抓取幾次來統計結果？(越多越好，可使用全班共享數據來增大樣本量。)

在模擬原型實驗條件的時候，學生產生的疑問能幫助學生更深刻地認識了原型實驗：“同源染色體分離等位基因隨之分離、減數分裂使染色體數減半、雌雄配子隨機受精、受精作用和減數分裂對維持親子代染色體數穩定性有重要意義”等，在提出問題和解決問題的過程中，發展了學生的質疑、釋疑等邏輯思維能力。

3 模擬實驗可鍛煉學生類比、推理邏輯思維能力

當原型實驗中實驗變量難以改變，但又需要觀察實驗變量對實驗結果的影響時，可使用模擬實驗。在保留核心要素、去除次要因素的過程中，有助于鍛煉學生類比、推理等邏輯思維能力。

例如,在學習高中教材“模擬探究細胞大小與物質運輸的關系”一節時，細胞本身的大小是無法改變的，所以無法分析細胞大小與其物質運輸效率的關系。但在模擬實驗中，可使用大小不一含氫氧化鈉的瓊脂塊代表體積不同的細胞，酚酞溶液模擬細胞周圍的溶液環境，酚酞溶液進入瓊脂塊后變紅體積代表與外界物質交換的效率。通過觀察單位時間內瓊脂塊變色部分的體積與總體積的比值，探究細胞大小與物質運輸效率的關系。經計算發現瓊脂塊體積越小，單位體積的變色體積越大，即物質的交換效率越高。

在本實驗中，學生可使用“類比法”分析實驗：大小不同的瓊脂塊相當于體積大小不同的細胞，酚酞溶液相當于被細胞吸收的物質，變色的部分相當于吸收到外界物質的細胞結構，單位體積瓊脂塊的變色體積相當于細胞的物質運輸效率。最后的結果說明，細胞越小其運輸物質的效率越高。根據實驗結果類比推理出，細胞體積小的積極意義可能是：細胞越小越有利于細胞與外界的物質交換，從而更高效的進行物質運輸。可見在實驗實施和結果分析階段，有助于鍛煉學生類比、推理等邏輯思維能力。

4 模擬實驗可完善學生質疑、批判邏輯思維能力

比較原型實驗，模擬實驗可在較短的時間內，模擬幾十年乃至幾億年的發展變化。實驗操作時間短、實驗現象簡單直觀，更符合學生的認知水平。在指導學生構建模型的過程中，幫助學生更好的理解原型和模型在結構和功能上的相似性，幫助學生完善了質疑、批判等邏輯思維能力[1]。

例如,在學習“模擬探究生物保護色的形成過程”一節實驗中，學生會產生很多困惑，教師可抓住機會，通過與學生一起構建、修正模型的過程中分析其中蘊含的進化原理，得出進化的本質。又如，用大紙模擬“環境”，用剪成小方塊的小紙片模擬“環境中的被食者”，學生自己模擬“捕食者”。操作過程中學生會疑惑“被捕食者是用一種還是多種顏色的小紙片？”，背后蘊含的原理是“生物的變異是普遍存在的，變異是不定向的”。在實施模擬實驗時，“各種顏色的小紙片數量各多少？可否根據個人對顏色的喜好選擇小紙片？”，這其實反映了“變異是隨機產生的；生物的變異是少利多害的”的原理。學生操作一輪后斟酌是否需要繼續“捕捉”，這反映了“自然選擇是一個長期的、緩慢的過程”。

實驗課上，教師在帶領學生分析他們產生的問題后，不僅弄清了該如何操作，也挖掘出實驗背后隱藏的與進化相關的本質認識，在不斷的構建模型、修正模型、重構模型的過程中，提煉出進化學說的本質，幫助學生完善質疑、批判等邏輯思維能力。