模擬實驗的通用教學模式建構與例析

胡繼飛

(廣東第二師范學院生物學院 廣州 510303)

1 關于生物學模擬實驗的討論

模擬實驗是遵循真實實驗的原理而使用一些不相干的材料來代替真實的生物學對象進行實驗。這里的真實的實驗對象被稱為原型，不相干的材料被稱為模型。以高中生物學的“性狀分離比的模擬”為例，用甲、乙小桶內(nèi)的彩球分別代表D和d基因，就是用不相干的彩球(模型)來模擬和研究生物的雌雄配子(原型)隨機結合的規(guī)律。根據(jù)這樣的理解，就可以以此來判斷“生態(tài)瓶制作”是否屬于模擬實驗的問題，因為這里的關鍵部分使用的仍然是真實材料，所以生態(tài)瓶制作不屬于真正意義上的模擬實驗。

中學生物學課程中的模擬實驗有兩種類別，一種是模仿原型來制作模型(側重于實物制作的模擬實驗)，如初中的“細胞模型制作”和高中的“DNA結構模型制作”；一種是利用模型進行實驗(側重于過程原理的模擬實驗)，如初中的“模擬動物保護色的形成”和高中的“性狀分離比模擬實驗”。

模擬實驗既是一種實驗方法，更是一種教學方法。由于科學設備、實驗技術或者實驗時長所限，科學家做的許多真實實驗無法被還原到課堂中。例如孟德爾完成的豌豆雜交實驗，本身是一種真實實驗，但由于實驗周期較長，學校教學條件下只能設置為模擬實驗。

2 模擬實驗的三段式教學模式建構

模型建構需要進行特征識別、結構重組和功能再造，是一種重要的研究方法和學習方法。按照模型建構理論和人的感知規(guī)律，筆者認為模擬實驗教學過程都必須具備三個基本環(huán)節(jié)，即“利用原型引入模型→利用模型進行實驗→利用模型解釋原型”。該模式也可以簡單表述為“原型→模型→原型”。下面就該教學模式的操作方法和需要注意的問題繼續(xù)加以說明：

2.1 利用原型引入模型 本環(huán)節(jié)的關鍵是讓學生充分感知和初步認識原型。生物學原型可以是生物體的形態(tài)結構，也可以是生物的生理生化過程，還可以是生物學原理和規(guī)律。這個環(huán)節(jié)的基本操作是呈現(xiàn)原型，制造認知上的沖突，然后由認知沖突引入模擬實驗、由原型引入模型。

2.2 利用模型進行模擬實驗 本環(huán)節(jié)的關鍵是尋找合適的模型和實施模擬操作過程。要引導學生進行發(fā)散思維，盡可能多地探尋到不同的模擬方法。方案設計和制作模型，可以采用小組學習的方式，既有分工又有合作；既要注意替代物的可比性，還要注意替代物的簡便性，原則上模型應比原型更簡單更明了，切忌模型比原型更復雜、更難以觀察或不易理解。

2.3 利用模型解釋原型 本環(huán)節(jié)的重點在于借助模型對原型進行解釋，其心理過程是類比和內(nèi)化。本環(huán)節(jié)的基本過程是： 先由模型過渡到原型，然后利用模型的實驗結果對原型進行解釋。這個過程中，教師切忌代言和包辦，應讓學生自己進行對比分析和獲得意義上的理解。

在這個教學模式中，原型是目的，模型是手段也是關鍵。模型是借助實物或虛擬表現(xiàn)，通過主觀意識建立的客觀闡述形態(tài)結構或過程的一種表達的物件。這個物件并不等同于我們通常所說的物體，模型既可以是三維的立體結構，也可以是二維的平面結構；模型既可以是實體物件(擁有體積和重量的物理形態(tài)實體)，也可以是虛擬物件(用電子數(shù)據(jù)通過數(shù)字表現(xiàn)形式構成的形體及其他實效性表現(xiàn))。

模型包括物理模型、數(shù)學模型和概念模型，生物學模擬實驗主要利用物理模型，偶爾也會用到數(shù)學模型。例如“細胞體積的增大是有限度的”是一個較為抽象的概念，為便于學生理解，可以設置“探究細胞大小與物質運輸?shù)年P系”模擬實驗。有不同的方法，一是利用幾何圖形，讓學生計算不同體積正方體相對表面積的變化；二是使用含酚酞的瓊脂塊(模擬細胞)和氫氧化鈉溶液(模擬運輸物質)等材料進行模擬實驗；三是利用可以拆分的正方體實物，通過拆分與組裝來直觀地感受體積與表面積的關系。第一種利用的是數(shù)學模型，后兩種利用的是物理模型。顯然，物理模型更容易被觀察和被理解，所以中學生物學的模擬實驗應盡量使用物理模型。

該模式具有特定的適用對象和教學目標，可以有效地規(guī)范和優(yōu)化模擬實驗的教學行為，有助于師生理解和把握模擬實驗的特點和目的，讓學習者通過實驗學會模型建構和利用模型解決現(xiàn)實問題。美國《國家科學教育標準》要求學生能夠“運用邏輯和證據(jù)來建構和修正科學解釋和科學模型”，我國的生物學課程標準也有類似的要求。

3 模擬實驗三段式教學案例分析

如前所述，生物學模擬實驗包括側重于實物制作和側重于過程原理兩大類，下面就這兩類模擬實驗的教學分別進行案例分析。

3.1 側重于實物制作的模擬實驗 “細胞模型制作”是初中生物學課程中頗有代表性的模型建構實驗，以此為例加以說明。

(1) 第一環(huán)節(jié)： 利用原型引出課題 制作植物細胞和動物細胞臨時裝片，在顯微鏡下進行觀察，然后展示細胞的立體結構圖片(電鏡照片)。教師說明細胞是構成生物體的基本結構和功能單位，并向學生解釋： 雖然所有細胞都來自生物體，有許多共同的特征，但是植物細胞和動物細胞還是有一些區(qū)別的。讓學生繪圖并分別標示出植物細胞和動物細胞結構的名稱，進而比較兩類細胞結構的異同。引導學生思考： 顯微鏡下能看清楚細胞的這些結構嗎？如何更清晰地認識細胞的結構和功能呢？因為細胞非常微小，顯微鏡下要清晰地觀察到細胞的結構特點的確有些困難，我們只好讓大家親手制作植物細胞和動物細胞的模型來進行輔助學習。

(2) 第二環(huán)節(jié)： 模仿原型制作模型 教師事先把學生分好組，每組4～6人。組長領取兩個塑料袋、一個塑料透明盒子、各種水果、凝膠等材料。然后教師指導各組配制溫熱的液體凝膠，備用。

接下來引導學生小組集體討論如何利用這些材料制作細胞模型，并動手制作。這里提供一個僅供參考的制作方案： ①把一個塑料袋打開襯在透明盒子里，另一個打開放在桌子上。塑料袋代表細胞膜，塑料盒子代表細胞壁，襯有塑料袋的盒子代表植物細胞，而打開放在桌子上的塑料袋代表動物細胞。②在兩個塑料袋中加入等量的液體凝膠，然后把水果分別放入其中，綠色的葡萄代表葉綠體，柑橘代表線粒體，李子代表細胞核，辣椒粉代表核糖體，小氣袋代表液泡，紗布代表內(nèi)質網(wǎng)。

(3) 第三環(huán)節(jié)： 利用模型理解原型 師生一起利用模型及其制作過程進行問題討論，這些問題可以包括： ①兩類細胞的形狀是怎樣的？②對照制作的細胞模型說說植物細胞和動物細胞有何不同？③植物細胞的細胞壁為什么這么堅韌？它對植物細胞有什么作用？細胞壁的成分是什么？④為什么動物細胞沒有細胞壁？動物細胞的細胞膜有什么作用？⑤在動物細胞模型中為何不能放葡萄和小氣袋？討論后，每組做一份表格，比較植物細胞和動物細胞的不同點。

3.2 側重于過程原理的模擬實驗 “動物保護色的形成”是初中生物學一個重要教學內(nèi)容，有關的模擬實驗重在引導學生通過探究活動來理解生物進化的原因，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，并在探究活動過程中獲得成功的體驗。

(1) 第一環(huán)節(jié)： 利用原型導入模型 首先，要豐富學生對保護色(原型)的感知。出示圖片和視頻，圖片包括落葉蟾蜍、樹皮蚱蜢、苔蘚葉尾壁虎或者變色龍等，視頻主要為英國曼徹斯特地區(qū)樺尺蠖體色變化的影視資料。其次，要利用認知沖突強化建立模型的需要。教師引導： 這些動物的保護色是如何形成的呢？是什么原因造成樺尺蠖體色發(fā)生變化的呢？學生討論后會給出不同的答案。教師提示： 科學家認為，樺尺蠖體色變化與英國工業(yè)發(fā)展所造成的污染及鳥類的選擇性捕食有關。這就是著名的工業(yè)黑化現(xiàn)象，也是達爾文進化學說關于自然選擇的一個典型例證。那么事實是否真的如此呢？下面我們就通過“模擬保護色形成過程”的探究活動，一探究竟。

(2) 第二環(huán)節(jié)： 利用模型進行實驗 這個模擬實驗有多種設計方法，一是采用教材的設計，替代物為布料和不同顏色紙片，可以準備一塊彩色布料和100張各種顏色的小紙片，分別代表生活環(huán)境和獵物。二是尋找其他替代物進行創(chuàng)新設計。例如，可以用牙簽(為了安全，將牙簽的尖端剪除)或者棉簽進行模擬，將牙簽或棉簽染成綠色、黑色、黃色、白色等不同顏色，以此代表某種昆蟲的不同變異類型，選擇一塊綠草坪(如足球場)作為生活環(huán)境，參與尋找牙簽或棉簽的同學則充當捕食者。此外，廣東省順德一中的教師對此也進行了富有創(chuàng)意的設計【1】。他們用干燥泥土和各種顏色的小泥球，分別代表生活環(huán)境和被捕食的昆蟲。其模擬的過程和結果如下： 學生4～6人一組，組長為監(jiān)督人，組員為捕食者。小泥球的顏色代表某種昆蟲不同體色的變異類型。組長將小泥球均勻地撒在干燥泥土上，捕食者背對桌子，每轉向桌子一次，抓取一個小泥球(只用眼睛判定泥球的位置，不能特意尋找某種顏色的小泥球)。重復抓取，直到土堆上只剩下25個小泥球。統(tǒng)計“幸存者”中各種顏色的小泥球數(shù)目。假設每個“幸存者”產(chǎn)生3個后代(體色與自己的相同)，將“幸存者”和它們的后代充分混合，再均勻地撒在泥土上。小組分工進行實驗，記錄實驗結果。重復多次，直到幸存數(shù)量都為零。統(tǒng)計結果如表1所示。

表1 “動物保護色的形成”模擬實驗統(tǒng)計結果

(3) 第三環(huán)節(jié)： 利用模型對原型進行解析 本模擬實驗的主旨是幫助學生理解保護色形成的原因，所以接下來的環(huán)節(jié)應是引導學生對實驗的過程和結果進行分析與討論，并以此來解釋動物保護色形成的原因和機理。

通過本模擬實驗可以引導學生得出以下結論： 動物的體色與其生活環(huán)境的色彩越相似，越是不容易被發(fā)現(xiàn)和被捕捉，越是有利于躲避敵害和生存，越是有利于物種的繁衍和發(fā)展，進而容易成為優(yōu)勢種群。

以上兩個案例，都清晰地演繹了“利用原型引入模型→利用模型進行實驗→利用模型解釋原型”的三段式教學，每一個教學環(huán)節(jié)的目的指向明確，環(huán)節(jié)之間的銜接與過渡也富有邏輯，既符合學生的學習心理和認知規(guī)律，也很好地體現(xiàn)了模擬實驗的價值取向和本質特征。

綜上所述，筆者認為本三段式應成為模擬實驗的通用教學模式，因為始于原型而終于原型是模擬實驗存在的意義。具體運用中，該模式可以派生出多種變式，尤其是第二環(huán)節(jié)“利用模型進行實驗”，可以創(chuàng)造性地演繹出多個教學環(huán)節(jié)和采用不同的教學形式。