例析模擬實(shí)驗(yàn)在生物學(xué)教學(xué)中的價(jià)值與問(wèn)題

王天祥

摘要：分析了模擬實(shí)驗(yàn)在提升學(xué)生的類(lèi)比思維能力，培養(yǎng)模型與建模的思維方法以及創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生科學(xué)探究能力等方面具有的重要價(jià)值。同時(shí)也需要注意，模擬實(shí)驗(yàn)的推論并不必然可靠。

關(guān)鍵詞：模擬實(shí)驗(yàn) 類(lèi)比思維 生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)新課標(biāo)）中明確指出，生物學(xué)課程以“核心素養(yǎng)為宗旨”“教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”等為基本理念。新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)了生物學(xué)課程應(yīng)讓學(xué)生通過(guò)探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)或工程學(xué)任務(wù)，加深學(xué)生對(duì)生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。這就要求教師在教學(xué)中大力開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而模擬實(shí)驗(yàn)也是一類(lèi)重要的實(shí)驗(yàn)。

在生物學(xué)的研究中，有一類(lèi)以相似原理為基礎(chǔ)、用模型代替真實(shí)的研究對(duì)象（原型），將實(shí)驗(yàn)手段作用于模型而不是原型的實(shí)驗(yàn)，稱(chēng)為模擬實(shí)驗(yàn)。一般情況下，研究對(duì)象太大（如生物圈）、太?。ㄈ缥⒂^粒子、生物大分子等），或者實(shí)驗(yàn)本身有人身安全隱患的（如藥物的動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)、載人航天實(shí)驗(yàn)中的模擬人實(shí)驗(yàn)等），或者實(shí)驗(yàn)原型已消失的（如米勒模擬原始地球大氣狀況的實(shí)驗(yàn)），或者公約禁止的（如核試驗(yàn)等），都需要以模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)做更深入的研究。模擬的類(lèi)型可能是基于實(shí)物的模擬，也可能是純粹數(shù)學(xué)層面的推導(dǎo)。中學(xué)階段的模擬實(shí)驗(yàn)主要以實(shí)物模擬為主。

雖然模擬實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象是模型而不是真實(shí)生物材料，但仍具有重要的科學(xué)價(jià)值和教育價(jià)值。

1對(duì)幾個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)在提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)上的價(jià)值分析

1.1性狀分離比的模擬

高中必修2教材在一對(duì)相對(duì)性狀雜交實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容中，設(shè)計(jì)了“性狀分離比的模擬”。教材將該模擬實(shí)驗(yàn)放在孟德?tīng)柕摹凹僭O(shè)”之后、“定律”之前，就是為了幫助學(xué)生快速理解孟德?tīng)枌?duì)一對(duì)相對(duì)性狀雜交實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)關(guān)鍵假設(shè)：配子形成時(shí)成對(duì)的遺傳因子分離、雌雄配子隨機(jī)組合。這兩個(gè)過(guò)程恰恰是學(xué)生不能輕松突破的。當(dāng)然，該實(shí)驗(yàn)還模擬了基因?qū)π誀畹目刂?、表現(xiàn)型及其比例的統(tǒng)計(jì)等其他內(nèi)容。

教師認(rèn)真開(kāi)展該實(shí)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)學(xué)推演，可以讓學(xué)生基于生物學(xué)事實(shí)（孟德?tīng)枌?shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果），恰當(dāng)利用模型與建模、演繹與推理等方法，闡明并理解遺傳的本質(zhì)，提升學(xué)生的科學(xué)思維水平。

在開(kāi)展活動(dòng)時(shí)，教師要抓住“模擬的到底是什么”這一問(wèn)題，而不是表面的模仿。例如，一些教師認(rèn)為“性狀分離比的模擬”實(shí)驗(yàn)中有很多可改進(jìn)的地方：自然情況下，雌雄配子不應(yīng)該是等量的;每組小球（配子）個(gè)數(shù)較少;取出后完成“受精”再放回原桶不符合規(guī)律，等等。從模擬和相似性角度考慮，似乎提出這些問(wèn)題是有一定道理的，但教師更應(yīng)仔細(xì)考量教材在此處設(shè)置該實(shí)驗(yàn)的意義。該模擬實(shí)驗(yàn)并非對(duì)生物體生理結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單模仿，而是要學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)體會(huì)孟德?tīng)査龅募僭O(shè)，從而更好地理解性狀遺傳的實(shí)質(zhì)。還有教師改進(jìn)并拓展了該實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩對(duì)相對(duì)性狀雜交實(shí)驗(yàn)的模擬。其實(shí)，對(duì)于兩對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)而言，并不適合用該模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，因?yàn)椋罕緦?shí)驗(yàn)情境雖然模擬了不同配子的自由組合，但無(wú)法模擬一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的情況;實(shí)驗(yàn)過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，容易將遺傳因子的自由組合和配子的隨機(jī)結(jié)合搞混;第一節(jié)已完成一次模擬實(shí)驗(yàn)，本節(jié)課再做會(huì)使課堂效率低下，學(xué)生也會(huì)失去新鮮感。因此，類(lèi)似這樣的創(chuàng)編，或應(yīng)慎之又慎。

1.2模擬生物體維持pH的穩(wěn)定

新課標(biāo)將“比較清水、緩沖液、體液對(duì)pH變化的調(diào)節(jié)作用”明確列為教學(xué)提示，目的是期待學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)，說(shuō)出內(nèi)環(huán)境pH的穩(wěn)定是緩沖對(duì)的作用，進(jìn)而幫助學(xué)生理解和掌握“內(nèi)環(huán)境的理化性質(zhì)是動(dòng)態(tài)變化的”這一生物學(xué)基本原理。事實(shí)上，該實(shí)驗(yàn)不是嚴(yán)格意義上的模擬實(shí)驗(yàn)，而是采用幾種成分pH變化的對(duì)比，真實(shí)還原了內(nèi)環(huán)境維持pH穩(wěn)態(tài)的機(jī)制，以幫助學(xué)生更好地理解生命系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)的基本方法是類(lèi)比，這是與模擬實(shí)驗(yàn)一致的基本科學(xué)思維方法。

一些教師認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)不值得做，因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理和結(jié)論也就是一句話。省略該實(shí)驗(yàn)，對(duì)知識(shí)掌握并無(wú)大礙。但是，該實(shí)驗(yàn)在提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)方面的重要作用：該實(shí)驗(yàn)可以促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)生命系統(tǒng)的整體性和動(dòng)態(tài)平衡等特點(diǎn);這個(gè)活動(dòng)能夠通過(guò)類(lèi)比思想的運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到發(fā)生在體內(nèi)的過(guò)程，是可以在體外被模擬觀察的;而對(duì)“社會(huì)責(zé)任”而言，這樣強(qiáng)烈而具有沖擊力的實(shí)驗(yàn)，可以很好地幫助學(xué)生辨析和反駁社會(huì)上流行的所謂“酸堿平衡理論”“堿性水是健康水”等觀點(diǎn)。這些都不是一兩句話能代替的。

1.3酸雨對(duì)生物的影響

該實(shí)驗(yàn)是人教版義務(wù)教育教科書(shū)七年級(jí)下冊(cè)的一個(gè)模擬探究活動(dòng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)利用食醋（或醋酸）模擬酸雨，并設(shè)置了不同的食醋（或醋酸）濃度，通過(guò)觀察植物的生長(zhǎng)狀況，使學(xué)生能夠了解酸雨對(duì)植物的影響，認(rèn)識(shí)酸雨的危害。

教師要充分認(rèn)識(shí)該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值。①培根指出，單純的經(jīng)驗(yàn)、觀察是“自行出現(xiàn)的”，是被動(dòng)的“偶遇”，是“漫無(wú)定向”的盲目摸索;而實(shí)驗(yàn)則是“著意去尋求的”，是主動(dòng)的和有目的的探索。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生體會(huì)不容易觀察到的酸雨，是可以在實(shí)驗(yàn)室條件下通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的，從而體會(huì)觀察和實(shí)驗(yàn)之間的不同。②人教版義務(wù)教育教科書(shū)七年級(jí)上下冊(cè)共安排了17個(gè)實(shí)驗(yàn)與探究類(lèi)活動(dòng)。此處安排這一實(shí)驗(yàn)，能夠綜合運(yùn)用七年級(jí)所學(xué)的探究方法，發(fā)展學(xué)生的分析與綜合、歸納與演繹等科學(xué)思維，實(shí)現(xiàn)該活動(dòng)的教育價(jià)值。③能夠幫助學(xué)生真切體會(huì)環(huán)境變化對(duì)生物生存的影響，從而更加有效地促進(jìn)學(xué)生對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境意識(shí)等社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)。

上述模擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展均可按照“利用原型，引入模型一利用模型，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)一利用模型，解釋原型”的教學(xué)流程，學(xué)生則會(huì)隨著教學(xué)活動(dòng)經(jīng)歷了“具體一抽象”的過(guò)程，借助模擬實(shí)驗(yàn)的直觀展示，加強(qiáng)對(duì)概念的理解。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)也符合“做中學(xué)”的教學(xué)理論。模擬實(shí)驗(yàn)采用類(lèi)比作為基本出發(fā)點(diǎn)，需要學(xué)生綜合運(yùn)用比較、聯(lián)想、概括等多種能力來(lái)準(zhǔn)確說(shuō)明最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，因而在實(shí)施實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生的這些能力都可以得到培養(yǎng)。

2可適當(dāng)開(kāi)發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

教材安排的模擬實(shí)驗(yàn)畢竟數(shù)量有限。在充分了解模擬實(shí)驗(yàn)的價(jià)值和本質(zhì)后，教師可根據(jù)教學(xué)實(shí)際的情況，如實(shí)驗(yàn)材料的易獲取程度、實(shí)驗(yàn)條件的滿足程度等，開(kāi)發(fā)一些模擬實(shí)驗(yàn)，以加強(qiáng)對(duì)科學(xué)思維、科學(xué)探究等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

例如，由于時(shí)間和空間的限制，很多學(xué)校對(duì)“特定類(lèi)型植物種群密度的調(diào)查”這一實(shí)驗(yàn)，往往“紙上談兵”。實(shí)際教學(xué)中，可采用不同顏色的豆子、托盤(pán)、細(xì)線等來(lái)進(jìn)行模擬“樣方法”，再與實(shí)際的真實(shí)數(shù)據(jù)作出比較;也可利用同樣的道具模擬“標(biāo)志重捕法”。常見(jiàn)的A4紙也能幫助完成模擬DNA重組、模擬同源染色體分離或自由組合等。這些活動(dòng)能夠在保證相似性原理的基礎(chǔ)上，有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，是教材的有益補(bǔ)充。

當(dāng)然，如果能夠開(kāi)展真實(shí)實(shí)驗(yàn)最好不用模擬實(shí)驗(yàn)。

3開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)需要注意的問(wèn)題

模擬實(shí)驗(yàn)可以有效地幫助我們落實(shí)新課標(biāo)的教學(xué)要求，但在開(kāi)展此類(lèi)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意一些問(wèn)題。

3.1注意辨識(shí)偽模擬實(shí)驗(yàn)

信息技術(shù)輔助教學(xué)是目前教育領(lǐng)域的趨勢(shì)。因此，一些教師或公司開(kāi)發(fā)了部分利用程序?qū)崿F(xiàn)所謂模擬實(shí)驗(yàn)。事實(shí)上，這類(lèi)操作只是一種按照編寫(xiě)程序時(shí)就已經(jīng)確定了的邏輯、規(guī)定了的路徑完成的“游戲”，這類(lèi)操作并沒(méi)有將真正的類(lèi)比的思想置于其中，與真正的模擬實(shí)驗(yàn)在原理上就是不同的，因此不能稱(chēng)之為模擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)生完成此類(lèi)活動(dòng)，更加傾向于為完成而完成，對(duì)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升作用是十分有限的。

3.2模擬實(shí)驗(yàn)的推論并不必然可靠

開(kāi)設(shè)模擬實(shí)驗(yàn)需要注意，模擬實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上是類(lèi)比思維，這種思維具有猜測(cè)性質(zhì);加上事物之間除了統(tǒng)一性、相似性外，還存在差異性，因此模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)論不是必然可靠的。為了確保模擬的可靠程度，教師需要在模型和原型相關(guān)屬性的本質(zhì)、數(shù)量、全面性、因果性等方面下功夫做模擬。此外，還需要注意的是，運(yùn)用類(lèi)比思維得到的結(jié)果可以作為創(chuàng)新的構(gòu)思或設(shè)想，但是不能作為嚴(yán)格證明的結(jié)果。