初中生物學(xué)模擬實驗的設(shè)計與分析

模擬實驗是一種由于受到時間、空間、特殊理化性質(zhì)等因素的限制，無法直接對實際研究對象進(jìn)行實驗而采用通過構(gòu)建模型來模擬實際研究對象的方法。模擬實驗作為一種有效的教學(xué)手段，具有重要的實踐意義。通過開展模擬實驗教學(xué)，學(xué)生可以在實際操作中培養(yǎng)對生物學(xué)的興趣，提高團隊合作精神，建立科學(xué)的思維方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。教師可以通過設(shè)計模擬實驗，打破條件限制，讓學(xué)生在安全的環(huán)境中觀察和理解研究過程，將抽象的生物學(xué)理論知識與實際操作相結(jié)合，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的直觀性和趣味性。在傳統(tǒng)模擬實驗課堂中，大多數(shù)教師都是根據(jù)教材給出的模擬實驗方案，帶著學(xué)生按照步驟進(jìn)行實驗。學(xué)生沒有真正認(rèn)清活動的意義，導(dǎo)致活動結(jié)束后學(xué)生只重視結(jié)果，而忽視了實驗過程本身。因此，筆者以“人的性別決定”一課為例，分析了各版本教材，緊扣教材核心重難點，合理設(shè)計模擬實驗，重視實驗過程，旨在提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

一、分析教材找核心

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中的“遺傳與進(jìn)化”主題，需要達(dá)成的重要概念是“7.2.3 基因位于染色體上，人的性別是由性染色體的組成決定的”。對于沒有學(xué)習(xí)過減數(shù)分裂的學(xué)生而言是比較難理解的。為突破教學(xué)重難點，教材中設(shè)計了“生男生女的奧秘”的模擬實驗。

筆者對蘇教版、人教版、蘇科版、濟南版、冀少版五個版本的探究活動進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，五個版本的探究活動在核心目標(biāo)上是一致的，即幫助學(xué)生理解生男生女的隨機性，但在具體形式和工具的使用上有所不同。蘇科版和濟南版都使用了不同顏色的小球作為模擬工具，只是小球的數(shù)量略有區(qū)別。這兩個版本所模擬的是某一特定家庭或一對夫妻生男孩或女孩的概率。冀少版和蘇教版使用的是不同顏色和形狀的卡片作為模擬工具，人教版則使用的是不同顏色和數(shù)量的圍棋。這三個版本中的模擬實驗樣本較多，所模擬的是社會或群體中后代男女性別比例的問題。所有教材都強調(diào)隨機性，需要重復(fù)進(jìn)行實驗，都要將父親和母親的性染色體進(jìn)行區(qū)分，并使用相等數(shù)量的物品來模擬性染色體，通過實際操作，得出生男生女是隨機的結(jié)論。

以上傳統(tǒng)的活動設(shè)計都強調(diào)了大量抽樣的重要性，提高了實驗的準(zhǔn)確性。這些活動的開展無疑對于學(xué)生理解生男生女的概率是相等的這一點很有幫助，但是如果只重視概率但忽視了學(xué)生的學(xué)情，難以提升學(xué)生科學(xué)思維能力。

二、創(chuàng)新模擬實驗

1.創(chuàng)新實驗形式，培養(yǎng)學(xué)生素養(yǎng)

為了更直觀地觀察到實驗結(jié)果，筆者利用酸、堿溶液與檢測試劑來進(jìn)行本節(jié)課的模擬實驗。碳酸氫鈉溶液和醋酸溶液模擬精子的性染色體，石蕊試劑則用來模擬卵子的性染色體。該實驗的設(shè)計與教材的活動方案相比，都采取隨機抽取樣本并進(jìn)行配對的形式，都需要學(xué)生制表統(tǒng)計結(jié)果。創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

一是實驗材料的選擇不同。該模擬實驗將實驗材料換成了酸、堿溶液和檢測試劑，而不是傳統(tǒng)的小球或卡片等物品。學(xué)生可以根據(jù)酸、堿溶液與檢測試劑的反應(yīng)來觀察顏色變化，更加直觀地了解性別比例的隨機性，并且在等待顏色變化過程中激發(fā)興趣。在此過程中，學(xué)生的跨學(xué)科思維能力和隨機應(yīng)變、敢于創(chuàng)新的能力能夠得到培養(yǎng)。

二是團隊協(xié)作能力得以提升。本次模擬實驗分組進(jìn)行，小組中一名學(xué)生蒙上眼睛選擇試劑；一名學(xué)生負(fù)責(zé)隨機擺放試劑，并把選出的試劑滴加到檢測溶液中；一名學(xué)生監(jiān)督整個過程，確保實驗的隨機性；小組組長則負(fù)責(zé)記錄實驗結(jié)果并匯報。每個實驗重復(fù)多次，學(xué)生輪流擔(dān)任不同角色，以保證每名學(xué)生都能感受不同職責(zé)所承擔(dān)的責(zé)任。通過本次實驗，學(xué)生共同協(xié)作，共同解決問題的能力得以提高。

三是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。教師可以以問題串為引導(dǎo)，從不同角度提出問題，讓學(xué)生思考，運用科學(xué)原理和方法解決問題。本實驗還讓學(xué)生收集班級各小組的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以便學(xué)生了解科學(xué)調(diào)查應(yīng)如何進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計和分析，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2.問題引領(lǐng)思考，啟發(fā)深度思維

教師應(yīng)讓學(xué)生明確每個實驗器材在模擬實驗中代表的意義，了解操作步驟的原理，并明確預(yù)期結(jié)果。在開始模擬實驗之前，教師可以提出相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和操作。并讓他們明確實驗過程中的每一個步驟都有其特定的目的和意義，例如，本節(jié)課的模擬活動，就可設(shè)計以下問題：

（1）酸、堿溶液和檢測試劑分別代表什么？

（2）溶液與檢測試劑混合有什么含義？

（3）模擬男性性染色體的溶液 X 和 Y 為什么一樣多？

（4）為什么選取溶液的時候要蒙上眼睛，并且打亂順序？

（5）為什么要重復(fù)實驗？

（6）自然狀態(tài)下，一對夫妻生男、生女的比例接近多少？

（7）在本次模擬實驗中，你認(rèn)為還有哪些需要改進(jìn)之處？

通過對問題的逐步分析和討論，學(xué)生在實驗前就能清楚地了解實驗的目的和本節(jié)課所學(xué)知識。在問題串的引導(dǎo)下，學(xué)生更加清楚游戲的規(guī)則，也避免了一些學(xué)生因不清楚規(guī)則而膽怯的行為，讓所有學(xué)生都能夠參與到實驗當(dāng)中。本次模擬實驗不僅讓學(xué)生進(jìn)行了一次體驗活動，更讓學(xué)生學(xué)會了在團隊合作中共同解決問題。

三、效果反思

1.提升實驗教學(xué)有效性

傳統(tǒng)實驗常使用真實的生物樣本或化學(xué)物質(zhì)，可能會帶來潛在的風(fēng)險，一些生物學(xué)實驗還需要較長時間的觀察和分析，或者需要特殊的設(shè)備和環(huán)境條件。模擬實驗打破傳統(tǒng)實驗的時間和空間限制，使用模型或者信息技術(shù)進(jìn)行模擬，無需真實樣本，可以在短時間內(nèi)進(jìn)行多次相同的實驗操作，具有更高的安全性、經(jīng)濟性、可重復(fù)性、靈活性等特點，能夠為學(xué)生提供更多的自主探究機會。教師通過分析教材，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，創(chuàng)新出更適合學(xué)生學(xué)情的模擬實驗，能充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，提升課堂的有效性。

2.培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力

新課標(biāo)要求培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)未來發(fā)展的能力，在真實情境中解決實際問題，提升科學(xué)素養(yǎng)，而創(chuàng)新模擬實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和問題解決能力。首先，模擬實驗本身就是模擬真實情境，在模擬過程中，學(xué)生會遇到各種問題和挑戰(zhàn)。其次，教師通過創(chuàng)新模擬實驗，更多關(guān)注的是實驗的過程和學(xué)生能力的培養(yǎng)，學(xué)生可以從中學(xué)習(xí)如何從數(shù)據(jù)中提取信息，如何推理和歸納結(jié)論，從而培養(yǎng)他們的科學(xué)思維和解決問題的能力。

教材中包含很多實驗活動，教師應(yīng)認(rèn)真分析每個實驗的步驟和意義，并充分挖掘教材資源，勇于打破常規(guī)，進(jìn)行改革創(chuàng)新，借助生物模擬實驗發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，真正實現(xiàn)讓學(xué)生深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)。

（作者單位：江蘇省南京市浦口區(qū)實驗學(xué)校）