模擬實驗在初中生物學教學中的應用

許 明 （江蘇省丹陽市實驗學校 江蘇丹陽 212300）

“教學過程重實踐”［1］是生物學課程基本理念之一。在初中生物學教材中，許多概念或知識點并沒有實驗要求，對這部分內容如何實現(xiàn)“實踐化”？模擬實驗便是一種創(chuàng)新實踐的方法。它根據(jù)相似性原理，在生活中尋找“類似物”或將研究對象制作成模型，通過對“類似物”或“模型”的研究遷移到對概念原型的理解。近3年，筆者帶領項目組對模擬實驗進行了實踐研究，本文就相關做法與體會進行闡述。

1 模擬實驗的方法與實施

在初中生物學教學中如何應用模擬實驗？項目組按實驗模擬的方向，梳理出4 種方法：結構模擬法、功能模擬法、現(xiàn)象模擬法和過程模擬法。

1.1 結構模擬法 當研究對象過于宏觀或微觀，難以直接呈現(xiàn)時，可利用簡易的材料針對研究對象的主要結構特點，制作成放大或縮小的模型（仿真模擬），或尋找生活中的“類似物”，呈現(xiàn)概念原型的某個結構特點（類比模擬）。

案例1：結構模擬法的應用。

片斷1：模擬制作“鼻”（仿真模擬）。

在本實驗中，你要制作一個“鼻”的模型。

1）取卷紙的紙筒，在其內表面貼上一層泡棉膠帶。

2）取松葉若干，兩頭插入泡棉膠帶中。

3）取保鮮袋，用橡皮筋“固定”在紙筒上（圖1）。

圖1

4）取一些碎紙，吹向紙筒，觀察現(xiàn)象。

請用你的模型解釋鼻能清潔空氣的原因。

片斷2：模擬“小腸絨毛”（類比模擬）。

在本實驗中，你要體驗小腸的結構。

1）手指并攏，掌心緊貼桌面，用鉛筆沿手畫出一條輪廓線。

2）5個手指分開，掌心緊貼桌面，用鉛筆沿手畫出輪廓線（圖2）。

圖2

3）準備2 根棉線，沿著上述2 條輪廓線放置，剪去多余部分；用米尺量出這2 根線的長度。

請用你的模擬實驗解釋小腸具有絨毛結構有利消化與吸收的原因。

案例1 中為了說明“鼻”與“小腸”的結構進行了仿真模擬與類比模擬，學生在親手制作或測量中形成了空間的概念，并頓悟到“鼻”中鼻毛、粘液，小腸中小腸絨毛結構的意義。這比任何形式的說教都要有效得多。

1.2 功能模擬法 有的研究對象過于微觀，其功能無法通過實驗直觀呈現(xiàn)。這時可根據(jù)相似性原理，利用相似材料模型進行“類比演繹”，以獲得直觀的體驗。

案例2：功能模擬法的應用。

在本實驗中，你要模擬細胞膜的功能。

1）選擇新鮮魚鰾模擬細胞膜，在其中裝入淀粉溶液，并扎緊袋口。

2）燒杯中裝入碘溶液，將裝有淀粉溶液的魚鏢放入燒杯中（圖3）。

圖3

3）24 h 后觀察魚鰾內、外顏色的變化。

魚鰾內、外顏色的變化說明什么物質能自由進出魚鰾？什么物質不能進出魚鰾？請用你的模擬實驗說明細胞膜的功能。

案例2 中的細胞膜是微觀結構，學生不能進行直觀實驗。他們對細胞膜能“控制物質進出”的功能很難理解。這時用魚鰾（或卵殼膜）進行功能模擬，能化微觀為宏觀、化抽象為形象，讓難點迎刃而解。

1.3 現(xiàn)象模擬法 在初中生物學教學中，有的實驗難以取材、難以操作、現(xiàn)象不明顯，這時可用簡易的實驗裝置、簡便的實驗方法、明顯的實驗現(xiàn)象去模擬。

案例3：現(xiàn)象模擬法的應用。

在本實驗中你要模擬晶狀體的曲度變化。

1）用鐵絲圈、細絲、氣球制作模擬實驗裝置（圖4）。

2）松開鐵絲圈，觀察細絲與氣球的變化（圖4a）。

3）拉緊鐵絲圈，觀察細絲與氣球變化（圖4b）。

圖4

請用你的模擬實驗說明睫狀體是如何調節(jié)晶狀體曲度的。

案例3 中睫狀體調節(jié)晶狀體的現(xiàn)象無法直觀觀察，其過程較復雜，學生難以通過想象獲得。用鐵絲圈、細絲、氣球這些簡易材料制作模擬裝置，讓學生在親自操作中體驗。在實踐中，他們發(fā)現(xiàn)拉緊鐵絲圈時：睫狀體收縮→懸韌帶松馳→晶狀體曲度變大；松開鐵絲圈時：睫狀體放松→懸韌帶拉伸→晶狀體曲度變小。在模擬實踐中，學生知識得以構建，科學思維能力得到提升。

1.4 過程模擬法 有的生命活動過程過于漫長或過于微觀，無法在課堂內通過實驗直觀呈現(xiàn)，例如生物進化過程、艾滋病傳播過程、人類的性別決定等。這時可用過程簡單、容易控制、能反應其本質的模擬實驗替代。實踐中，可用類比實驗進行直觀模擬，也可利用動畫等軟件開發(fā)虛擬學習情境讓學生體驗。

案例4：過程模擬法的應用（以生物適應環(huán)境教學為例）。

在本實驗中你要模擬鳥類去捕食蝴蝶，體驗生物是如何適應環(huán)境的。

1）6 人一組，剪出白蝴蝶和黑蝴蝶各100 只。

2）將200 只蝴蝶撒在黑色紙板上。

3）選擇一人扮演捕蟲“鳥”，視線離開紙板，轉回視線后立即挑出其第一眼看到的蝴蝶。

4）重復步驟3，持續(xù)1 min。

5）統(tǒng)計捕捉的白蝴蝶與黑蝴蝶數(shù)目。

用你的模擬實驗解釋生物是怎樣適應環(huán)境的。

片斷2：虛擬體驗“樺尺蛾體色進化的原因”。

讓信息更對稱。鄉(xiāng)村成校和文化禮堂各自擁有不少資源，鄉(xiāng)村成校相對來講擁有較好的信息渠道、較為成熟的培訓手段和相當數(shù)量的兼職教師隊伍，而文化禮堂管理部門擁有場地、培訓需求信息等資源，通過體制機制的支持，讓信息更對稱，使目前略顯匱乏的教育資源相對集中而高效，增強培訓活動的效果，提升社會教育力。

在本實驗中你要模擬捕食鳥去捕食樺尺蛾，體驗生物是如何適應環(huán)境的。

1）課前準備好動畫軟件：綠色背景中放置綠色、黃色、藍色、白色樺尺蛾各20 只。

2）選擇一位近視學生扮演“捕食鳥”，快速點取樺尺蛾（鼠標點取時消失，表示被吃掉，每吃掉1 只樺尺蛾后屏幕黑一段時間）。

3）當你吃到還剩下20 只樺尺蛾時，表示經(jīng)過一代，剩下的每只樺尺蛾都會生下3 只與其顏色一樣的子一代。

4）繼續(xù)捕食第2 代，直至第5 代，觀察剩下的樺尺蛾的體色。

用你的模擬實驗解釋樺尺蛾體色進化的原因。

從案例中發(fā)現(xiàn)無論是類比模擬還是虛擬體驗，過程模擬法都要求學生通過實驗或游戲的方式全程參與整個模擬實驗過程，他們是實驗探究的執(zhí)行者，是知識的主動構建者。

2 模擬實驗的特點與原則

模擬實驗與常規(guī)的直觀實驗相比有哪些特點與原則？在此，筆者以2018年江蘇省初中生物學優(yōu)質課評比中“氣孔開閉原理”教學片斷為例加以說明。

案例5：氣孔開閉原理模擬實驗。

在2018年江蘇省初中生物學優(yōu)質課評比時，關于“氣孔開閉原理”的教學，許多選手采用了模擬實驗的方式，其中讓筆者印象深刻的是以下3例（圖5）。

圖5

用氣球、輸液管、大針管、一次性飯盒、細線、透明膠組裝成如圖5a模擬裝置，其中氣球模擬了保衛(wèi)細胞，透明膠貼于其內表面加厚了內壁。向氣球內注水時可發(fā)現(xiàn)“氣孔”張開，抽取水時可發(fā)現(xiàn)“氣孔”關閉。

圖5b是用棉布內包高吸水性樹脂做成的裝置，其中內側的棉布要厚些。將裝置放入水中可發(fā)現(xiàn)“氣孔”張開。

圖5c模擬裝置用蘿卜薄片與訂書針做成，它設置了對照實驗，A 組蘿卜薄片內側帶皮，B 組內、外側厚度一樣。2 組裝置中加入清水，可發(fā)現(xiàn)A 組“氣孔”張開，B 組沒有張開（圖6）。

圖6

分析這3 例模擬實驗有以下特點：

1）科學性原則。這3 例模擬裝置與真實的氣孔并不完全相同，但在本質屬性上相似的：都是由2 個“保衛(wèi)細胞”圍成，內壁厚，能吸水。它們都注重了實驗的典型性、平實性與科學性。特別是圖5c裝置，它采用了生物材料，更貼近氣孔的原型；設計了對照實驗，讓模擬實驗更科學、更嚴謹。

2）簡易化原則。簡易化原則有2 層內涵：一是模擬裝置的原材料簡單易得，例如案例中的3 例裝置，采用了氣球、高吸水性樹脂（尿不濕內的吸水棉）、蘿卜。這些均是生活中常見的材料，經(jīng)濟、可操作性強。二是模擬實驗操作過程簡單、現(xiàn)象直觀。圖5a模擬裝置通過直接注水，圖5b、圖5c 裝置直接放入清水中，整個實驗過程操作簡單、現(xiàn)象明顯，有利于學生發(fā)現(xiàn)本質，得出結論。

3）啟發(fā)性原則。生物學概念的形成并不是一個被動的接受過程，而是一個主動構建的過程，是學生在自己的頭腦中構建與發(fā)展生物學認知的過程［2］。3 例模擬實驗都注重學生的主動構建，調動學生的主動性，啟發(fā)學生親自思考、設計、動手、類比、歸納，讓學生主動探索，獲取知識。由教師全權包辦的模擬實驗勢必會加重學生負擔。