模擬實(shí)驗(yàn)的通用教學(xué)模式建構(gòu)與例析

胡繼飛

(廣東第二師范學(xué)院生物學(xué)院 廣州 510303)

1 關(guān)于生物學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)的討論

模擬實(shí)驗(yàn)是遵循真實(shí)實(shí)驗(yàn)的原理而使用一些不相干的材料來代替真實(shí)的生物學(xué)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這里的真實(shí)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象被稱為原型，不相干的材料被稱為模型。以高中生物學(xué)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(jī)結(jié)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(shí)驗(yàn)的問題，因?yàn)檫@里的關(guān)鍵部分使用的仍然是真實(shí)材料，所以生態(tài)瓶制作不屬于真正意義上的模擬實(shí)驗(yàn)。

中學(xué)生物學(xué)課程中的模擬實(shí)驗(yàn)有兩種類別，一種是模仿原型來制作模型(側(cè)重于實(shí)物制作的模擬實(shí)驗(yàn))，如初中的“細(xì)胞模型制作”和高中的“DNA結(jié)構(gòu)模型制作”；一種是利用模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(側(cè)重于過程原理的模擬實(shí)驗(yàn))，如初中的“模擬動(dòng)物保護(hù)色的形成”和高中的“性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)”。

模擬實(shí)驗(yàn)既是一種實(shí)驗(yàn)方法，更是一種教學(xué)方法。由于科學(xué)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)技術(shù)或者實(shí)驗(yàn)時(shí)長所限，科學(xué)家做的許多真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法被還原到課堂中。例如孟德爾完成的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，本身是一種真實(shí)實(shí)驗(yàn)，但由于實(shí)驗(yàn)周期較長，學(xué)校教學(xué)條件下只能設(shè)置為模擬實(shí)驗(yàn)。

2 模擬實(shí)驗(yàn)的三段式教學(xué)模式建構(gòu)

模型建構(gòu)需要進(jìn)行特征識(shí)別、結(jié)構(gòu)重組和功能再造，是一種重要的研究方法和學(xué)習(xí)方法。按照模型建構(gòu)理論和人的感知規(guī)律，筆者認(rèn)為模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程都必須具備三個(gè)基本環(huán)節(jié)，即“利用原型引入模型→利用模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)→利用模型解釋原型”。該模式也可以簡(jiǎn)單表述為“原型→模型→原型”。下面就該教學(xué)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(guān)鍵是讓學(xué)生充分感知和初步認(rèn)識(shí)原型。生物學(xué)原型可以是生物體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，也可以是生物的生理生化過程，還可以是生物學(xué)原理和規(guī)律。這個(gè)環(huán)節(jié)的基本操作是呈現(xiàn)原型，制造認(rèn)知上的沖突，然后由認(rèn)知沖突引入模擬實(shí)驗(yàn)、由原型引入模型。

2.2 利用模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn) 本環(huán)節(jié)的關(guān)鍵是尋找合適的模型和實(shí)施模擬操作過程。要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)散思維，盡可能多地探尋到不同的模擬方法。方案設(shè)計(jì)和制作模型，可以采用小組學(xué)習(xí)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(jiǎn)便性，原則上模型應(yīng)比原型更簡(jiǎn)單更明了，切忌模型比原型更復(fù)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(diǎn)在于借助模型對(duì)原型進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)原型進(jìn)行解釋。這個(gè)過程中，教師切忌代言和包辦，應(yīng)讓學(xué)生自己進(jìn)行對(duì)比分析和獲得意義上的理解。

在這個(gè)教學(xué)模式中，原型是目的，模型是手段也是關(guān)鍵。模型是借助實(shí)物或虛擬表現(xiàn)，通過主觀意識(shí)建立的客觀闡述形態(tài)結(jié)構(gòu)或過程的一種表達(dá)的物件。這個(gè)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(jié)構(gòu)，也可以是二維的平面結(jié)構(gòu)；模型既可以是實(shí)體物件(擁有體積和重量的物理形態(tài)實(shí)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(gòu)成的形體及其他實(shí)效性表現(xiàn))。

模型包括物理模型、數(shù)學(xué)模型和概念模型，生物學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)主要利用物理模型，偶爾也會(huì)用到數(shù)學(xué)模型。例如“細(xì)胞體積的增大是有限度的”是一個(gè)較為抽象的概念，為便于學(xué)生理解，可以設(shè)置“探究細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”模擬實(shí)驗(yàn)。有不同的方法，一是利用幾何圖形，讓學(xué)生計(jì)算不同體積正方體相對(duì)表面積的變化；二是使用含酚酞的瓊脂塊(模擬細(xì)胞)和氫氧化鈉溶液(模擬運(yùn)輸物質(zhì))等材料進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)；三是利用可以拆分的正方體實(shí)物，通過拆分與組裝來直觀地感受體積與表面積的關(guān)系。第一種利用的是數(shù)學(xué)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(xué)生物學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)盡量使用物理模型。

該模式具有特定的適用對(duì)象和教學(xué)目標(biāo)，可以有效地規(guī)范和優(yōu)化模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)行為，有助于師生理解和把握模擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和目的，讓學(xué)習(xí)者通過實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)模型建構(gòu)和利用模型解決現(xiàn)實(shí)問題。美國《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生能夠“運(yùn)用邏輯和證據(jù)來建構(gòu)和修正科學(xué)解釋和科學(xué)模型”，我國的生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)也有類似的要求。

3 模擬實(shí)驗(yàn)三段式教學(xué)案例分析

如前所述，生物學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)包括側(cè)重于實(shí)物制作和側(cè)重于過程原理兩大類，下面就這兩類模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)分別進(jìn)行案例分析。

3.1 側(cè)重于實(shí)物制作的模擬實(shí)驗(yàn) “細(xì)胞模型制作”是初中生物學(xué)課程中頗有代表性的模型建構(gòu)實(shí)驗(yàn)，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(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞臨時(shí)裝片，在顯微鏡下進(jìn)行觀察，然后展示細(xì)胞的立體結(jié)構(gòu)圖片(電鏡照片)。教師說明細(xì)胞是構(gòu)成生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，并向?qū)W生解釋： 雖然所有細(xì)胞都來自生物體，有許多共同的特征，但是植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞還是有一些區(qū)別的。讓學(xué)生繪圖并分別標(biāo)示出植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的名稱，進(jìn)而比較兩類細(xì)胞結(jié)構(gòu)的異同。引導(dǎo)學(xué)生思考： 顯微鏡下能看清楚細(xì)胞的這些結(jié)構(gòu)嗎？如何更清晰地認(rèn)識(shí)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能呢？因?yàn)榧?xì)胞非常微小，顯微鏡下要清晰地觀察到細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的確有些困難，我們只好讓大家親手制作植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞的模型來進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)。

(2) 第二環(huán)節(jié)： 模仿原型制作模型 教師事先把學(xué)生分好組，每組4～6人。組長領(lǐng)取兩個(gè)塑料袋、一個(gè)塑料透明盒子、各種水果、凝膠等材料。然后教師指導(dǎo)各組配制溫?zé)岬囊后w凝膠，備用。

接下來引導(dǎo)學(xué)生小組集體討論如何利用這些材料制作細(xì)胞模型，并動(dòng)手制作。這里提供一個(gè)僅供參考的制作方案： ①把一個(gè)塑料袋打開襯在透明盒子里，另一個(gè)打開放在桌子上。塑料袋代表細(xì)胞膜，塑料盒子代表細(xì)胞壁，襯有塑料袋的盒子代表植物細(xì)胞，而打開放在桌子上的塑料袋代表動(dòng)物細(xì)胞。②在兩個(gè)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(xì)胞核，辣椒粉代表核糖體，小氣袋代表液泡，紗布代表內(nèi)質(zhì)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(jìn)行問題討論，這些問題可以包括： ①兩類細(xì)胞的形狀是怎樣的？②對(duì)照制作的細(xì)胞模型說說植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞有何不同？③植物細(xì)胞的細(xì)胞壁為什么這么堅(jiān)韌？它對(duì)植物細(xì)胞有什么作用？細(xì)胞壁的成分是什么？④為什么動(dòng)物細(xì)胞沒有細(xì)胞壁？動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞膜有什么作用？⑤在動(dòng)物細(xì)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(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞的不同點(diǎn)。

3.2 側(cè)重于過程原理的模擬實(shí)驗(yàn) “動(dòng)物保護(hù)色的形成”是初中生物學(xué)一個(gè)重要教學(xué)內(nèi)容，有關(guān)的模擬實(shí)驗(yàn)重在引導(dǎo)學(xué)生通過探究活動(dòng)來理解生物進(jìn)化的原因，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，并在探究活動(dòng)過程中獲得成功的體驗(yàn)。

(1) 第一環(huán)節(jié)： 利用原型導(dǎo)入模型 首先，要豐富學(xué)生對(duì)保護(hù)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(rèn)知沖突強(qiáng)化建立模型的需要。教師引導(dǎo)： 這些動(dòng)物的保護(hù)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(xué)生討論后會(huì)給出不同的答案。教師提示： 科學(xué)家認(rèn)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(guān)。這就是著名的工業(yè)黑化現(xiàn)象，也是達(dá)爾文進(jìn)化學(xué)說關(guān)于自然選擇的一個(gè)典型例證。那么事實(shí)是否真的如此呢？下面我們就通過“模擬保護(hù)色形成過程”的探究活動(dòng)，一探究竟。

(2) 第二環(huán)節(jié)： 利用模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)有多種設(shè)計(jì)方法，一是采用教材的設(shè)計(jì)，替代物為布料和不同顏色紙片，可以準(zhǔn)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(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。例如，可以用牙簽(為了安全，將牙簽的尖端剪除)或者棉簽進(jìn)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(chǎng))作為生活環(huán)境，參與尋找牙簽或棉簽的同學(xué)則充當(dāng)捕食者。此外，廣東省順德一中的教師對(duì)此也進(jìn)行了富有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)【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(jié)果如下： 學(xué)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(duì)桌子，每轉(zhuǎn)向桌子一次，抓取一個(gè)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(fù)抓取，直到土堆上只剩下25個(gè)小泥球。統(tǒng)計(jì)“幸存者”中各種顏色的小泥球數(shù)目。假設(shè)每個(gè)“幸存者”產(chǎn)生3個(gè)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。重復(fù)多次，直到幸存數(shù)量都為零。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 “動(dòng)物保護(hù)色的形成”模擬實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(3) 第三環(huán)節(jié)： 利用模型對(duì)原型進(jìn)行解析 本模擬實(shí)驗(yàn)的主旨是幫助學(xué)生理解保護(hù)色形成的原因，所以接下來的環(huán)節(jié)應(yīng)是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果進(jìn)行分析與討論，并以此來解釋動(dòng)物保護(hù)色形成的原因和機(jī)理。

通過本模擬實(shí)驗(yàn)可以引導(dǎo)學(xué)生得出以下結(jié)論： 動(dòng)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(jìn)而容易成為優(yōu)勢(shì)種群。

以上兩個(gè)案例，都清晰地演繹了“利用原型引入模型→利用模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)→利用模型解釋原型”的三段式教學(xué)，每一個(gè)教學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)心理和認(rèn)知規(guī)律，也很好地體現(xiàn)了模擬實(shí)驗(yàn)的價(jià)值取向和本質(zhì)特征。

綜上所述，筆者認(rèn)為本三段式應(yīng)成為模擬實(shí)驗(yàn)的通用教學(xué)模式，因?yàn)槭加谠投K于原型是模擬實(shí)驗(yàn)存在的意義。具體運(yùn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)”，可以創(chuàng)造性地演繹出多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)和采用不同的教學(xué)形式。