淺談生物模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

白　雪　崔　鴻

新課程背景下的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐步重視模擬實(shí)驗(yàn)的地位。《高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》中的課程設(shè)計(jì)思路也增加了模擬實(shí)驗(yàn)、模型構(gòu)建等教學(xué)內(nèi)容。

1模擬實(shí)驗(yàn)的概念

教師在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，首先要對模擬實(shí)驗(yàn)的概念了解掌握，明確模擬實(shí)驗(yàn)的適用范圍，認(rèn)識到模擬實(shí)驗(yàn)與以往常規(guī)實(shí)驗(yàn)的不同點(diǎn)，發(fā)揮模擬實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特作用。

研究工作中，由于對研究對象不能或不允許進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，所以為了取得對對象的認(rèn)識，根據(jù)已知的事實(shí)、經(jīng)驗(yàn)和一定的科學(xué)理論，設(shè)計(jì)和構(gòu)想出研究對象的替代物，通過對替代物的實(shí)驗(yàn)，以獲取研究對象的信息和資料，這種實(shí)驗(yàn)就叫做模擬實(shí)驗(yàn)。

模擬實(shí)驗(yàn)根據(jù)相似性原理，用模型來代替研究對象的。將存在的研究對象叫做“原型”，模擬所用的“替代物”叫做“模型”。在實(shí)驗(yàn)研究中，實(shí)驗(yàn)手段只直接作用于模型，而不直接作用于原型。例如，在“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，考慮到細(xì)胞的微觀性與多樣性，測量細(xì)胞的表面積和體積，以模擬實(shí)驗(yàn)的形式選取大小不同的瓊脂塊，從原型過渡到模型使得實(shí)驗(yàn)簡便易行，便于學(xué)生的學(xué)習(xí)。

2有效開展生物模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的途徑

如何開展生物模擬實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中獲得知識的掌握、能力的提高，是教學(xué)工作者研究的重點(diǎn)。

2.1明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍?shí)施有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的保障

在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，教師首先要明確的是模擬實(shí)驗(yàn)的目的是什么。通過該實(shí)驗(yàn)要解決什么問題，將對學(xué)生的知識、能力、情感等的哪些方面進(jìn)行培養(yǎng)。很多模擬實(shí)驗(yàn)是建立在小活動的基礎(chǔ)之上的，如果教師不明確實(shí)驗(yàn)的目的，學(xué)生將無法完成知識內(nèi)化的過程。例如，在建立減速分裂中染色體變化的模型實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)材料選取的是橡皮泥，教師如不能認(rèn)清該實(shí)驗(yàn)的目的，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生感覺用橡皮泥做實(shí)驗(yàn)像是小學(xué)生的活動課，沒有認(rèn)識到使用橡皮泥的作用，教學(xué)就失去了它原有的教育功能，學(xué)生也無法在老師有指導(dǎo)性的教學(xué)中獲取知識，無法完成從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的上升過程。

2.2合理選擇實(shí)驗(yàn)材料是建構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹匾椒ㄉ锬M實(shí)驗(yàn)中的模型大致分為三大類，一類是理論模型，一類是實(shí)物模型，另一類則是虛擬模擬。理論模型包括圖像模型、邏輯模型和數(shù)學(xué)模型；實(shí)物模型主要分為自然模型與人造模型；虛擬實(shí)驗(yàn)利用多媒體計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，把一些抽象的、現(xiàn)實(shí)中不易或不可能觀察到的一些生物學(xué)現(xiàn)象模擬出來以虛擬模型進(jìn)行教學(xué)。

2.2.1實(shí)物模擬教學(xué)

在模擬實(shí)驗(yàn)中有兩種實(shí)驗(yàn)類型，一種是根據(jù)原型學(xué)生自己動手模擬出與原型相似的模型，實(shí)現(xiàn)對知識的鞏固；一種是在實(shí)驗(yàn)材料的限制基礎(chǔ)上。由老師創(chuàng)造性的選取實(shí)驗(yàn)材料，在課堂中開展小活動、小游戲等通俗易懂的方式將知識傳遞給學(xué)生。

進(jìn)行建立模型的實(shí)驗(yàn)，是學(xué)生根據(jù)原型的知識概念，經(jīng)過思考討論構(gòu)建出模型，在這個(gè)過程中與教師的引導(dǎo)是密不可分的。教師要善于引導(dǎo)學(xué)生思考，原型可用什么來模擬或代表“模型”的各部分分別代表原型的什么?“模型”的大小、形狀、顏色、結(jié)構(gòu)。例如，“嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型”實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生小組討論，得出實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)過修正后，制作細(xì)胞模型。該實(shí)驗(yàn)以探究式的教學(xué)方法，讓學(xué)生自己探究模擬過程，學(xué)生是主體，但是，教師有必要引導(dǎo)學(xué)生、促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行思考，更要指導(dǎo)學(xué)生在選擇材料的過程中富有創(chuàng)造性、科學(xué)性、準(zhǔn)確性及相似性。在材料簡便易得的基礎(chǔ)上，讓大部分學(xué)生都能參與到建模過程中。

而對于那些學(xué)生難以理解的知識內(nèi)容，教師需要根據(jù)實(shí)際條件有選擇的進(jìn)行實(shí)物模擬完成學(xué)生知識的達(dá)成，在對原型的熟悉的基礎(chǔ)上，有創(chuàng)造性的選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。例如，前沿的科學(xué)技術(shù)已經(jīng)逐漸出現(xiàn)在高中課本中，PCR技術(shù)是生物學(xué)科的較為重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一，但是對于絕大部分的高中學(xué)校來說沒有購買的條件，如何讓學(xué)生掌握PCR技術(shù)是一件很困難的事情，有的教師就通過紙模型來模擬PCR擴(kuò)增技術(shù)，讓三個(gè)學(xué)生分別完成三個(gè)溫度下的“反應(yīng)”過程。

與此同時(shí)。作為新課程改革中的教師應(yīng)該具有思維上的創(chuàng)新性，加工書本原有的實(shí)驗(yàn)材料使得其更加符合教學(xué)環(huán)境與條件，生動合理的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2.2多媒體環(huán)境下的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

隨著生物學(xué)科的迅速發(fā)展，生物學(xué)科的內(nèi)容開始逐步向微觀方向發(fā)展，而微觀世界中的復(fù)雜變化我們看不見摸不著。越來越多的知識內(nèi)容無法通過可操作性的實(shí)驗(yàn)完成；實(shí)際環(huán)境與時(shí)間的限制使得很多實(shí)驗(yàn)無法短期內(nèi)完成，借助多媒體進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)則不一定要用真實(shí)實(shí)驗(yàn)材料，可以使學(xué)生較為直觀形象的認(rèn)識生物自然，從而更好地認(rèn)識生命現(xiàn)象、生理過程的本質(zhì)。

教師可以通過收集網(wǎng)上資源如生長素的實(shí)驗(yàn)的flash、有絲分裂的過程和自己開發(fā)制作小動畫等生動有趣的方式開展多媒體模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。將之與其他的教學(xué)手段有機(jī)結(jié)合在一起優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。使用多媒體進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)不同于直觀實(shí)驗(yàn)，其缺陷是無法讓學(xué)生進(jìn)行動手操作，學(xué)生只能在多媒體環(huán)境下進(jìn)行觀察，在動手能力與科學(xué)態(tài)度教育方面可能有所缺失，所以教師要明確多媒體教學(xué)的缺陷，合理調(diào)配使用，通過優(yōu)化課件動畫培養(yǎng)學(xué)生思維能力。例如，用計(jì)算機(jī)模擬生物進(jìn)化的歷程，把原始地球的景觀圖制作成為多媒體課件，使學(xué)生更清楚地認(rèn)識到原始地球的主要成分，再由教師演示出現(xiàn)米勒實(shí)驗(yàn)的過程，讓學(xué)生對生命產(chǎn)生的全過程有較為系統(tǒng)深刻的認(rèn)識，既通過媒體演示做出了科學(xué)的驗(yàn)證，同時(shí)也加深學(xué)生理解，豐富學(xué)生想象力，發(fā)展了學(xué)生的創(chuàng)造能力。

2.3對實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出積極正面的評價(jià)是確保實(shí)驗(yàn)效果的手段

分析與結(jié)論是學(xué)生獲取信息并向被研究對象過渡，引導(dǎo)學(xué)生將模型中所學(xué)的知識返回到模型。如果沒有這一過程，學(xué)生在完成模擬實(shí)驗(yàn)后，將其當(dāng)成了一個(gè)小游戲樂在其中，卻沒有形成一定的知識體系，教學(xué)沒有達(dá)成預(yù)期的目標(biāo)，這個(gè)教學(xué)就是失敗的，學(xué)生也沒有任何獲得。

學(xué)生的模擬實(shí)驗(yàn)是根據(jù)學(xué)生探究合作學(xué)習(xí)討論出來的結(jié)果，因此結(jié)果可能是多種多樣的，但是這恰恰體現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維能力，教師在實(shí)驗(yàn)完成后，應(yīng)對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出積極正面的評價(jià)，并總結(jié)升華模擬實(shí)驗(yàn)的過程環(huán)節(jié)促進(jìn)學(xué)生的能力培養(yǎng)，促使學(xué)生更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)后續(xù)知識，提高學(xué)生對生命科學(xué)的興趣。

由于模擬實(shí)驗(yàn)是根據(jù)相似性原理用模型來代替被研究對象的原型。在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中所接觸到的工具都是模型，而不是直接作用于原型。因此，在實(shí)驗(yàn)完成后，教師要將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果即模型外推過渡至實(shí)驗(yàn)原型，將模型還原為原型，修正學(xué)生所學(xué)知識，達(dá)到鞏固知識的目的。例如，“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生對溶液擴(kuò)散體積與瓊脂塊體積做出計(jì)算，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行討論。實(shí)驗(yàn)不是在這一步就結(jié)束，緊接著是由這一結(jié)論外推至原型細(xì)胞表面積與體積的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生過渡到原型達(dá)到知識形成與鞏固的目的。

3在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的過程中全面培養(yǎng)學(xué)生能力

模擬實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)方法是生物學(xué)教學(xué)中一種體現(xiàn)新課程改革理念的教學(xué)方法，通過模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)施有助于轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)和豐富探究性學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的生物科學(xué)態(tài)度與科學(xué)素養(yǎng)。模擬實(shí)驗(yàn)對學(xué)生能力技能的培養(yǎng)可能不及其他動手實(shí)驗(yàn)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能、動手能力的培養(yǎng)較為注重，而模擬實(shí)驗(yàn)主要在于對學(xué)生的思維認(rèn)知能力、構(gòu)建能力的培養(yǎng)鍛煉，在進(jìn)行活動的過程中構(gòu)建知識的過程。在開展建模實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過類似探究學(xué)習(xí)的方法，教師引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行分析討論，形成自己的思路，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并總結(jié)自己的實(shí)驗(yàn)方案是否達(dá)到科學(xué)性、可行性、簡便性、重復(fù)性等模擬實(shí)驗(yàn)的基本原則，還要對自己的研究方案進(jìn)行不斷的改進(jìn)，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，通過討論學(xué)生親歷科學(xué)探究的研究過程，逐步深入建模的方法；教學(xué)中不斷發(fā)散學(xué)生的思維，讓學(xué)生對建模的材料多樣性思考，獲得多種多樣的實(shí)驗(yàn)方案，拓寬學(xué)生思路，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；在模擬實(shí)驗(yàn)的過程中學(xué)生獲取知識的過程是根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的，而不是由教師通過書本灌輸給學(xué)生的。學(xué)生實(shí)踐過程中獲取知識，而不是機(jī)械地記憶書本上現(xiàn)存的結(jié)論，避免了純理性的說教，啟發(fā)學(xué)生的思維給予學(xué)生思考問題的權(quán)利形成學(xué)生批判性思維。

由此可見，在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，教師要轉(zhuǎn)化教學(xué)觀念，以學(xué)生為中心，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維與批判性思維，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行自主探究，在合作學(xué)習(xí)的氛圍下，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度建構(gòu)模型，鞏固所學(xué)知識。