例析模擬實驗在生物學教學中的價值與問題

王天祥

摘要：分析了模擬實驗在提升學生的類比思維能力，培養模型與建模的思維方法以及創造性思維，提高學生科學探究能力等方面具有的重要價值。同時也需要注意，模擬實驗的推論并不必然可靠。

關鍵詞：模擬實驗 類比思維 生物學學科核心素養

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）中明確指出，生物學課程以“核心素養為宗旨”“教學過程重實踐”等為基本理念。新課標強調了生物學課程應讓學生通過探究性學習活動或工程學任務，加深學生對生物學概念的理解，提升應用知識的能力，培養創新精神。這就要求教師在教學中大力開展實驗教學，而模擬實驗也是一類重要的實驗。

在生物學的研究中，有一類以相似原理為基礎、用模型代替真實的研究對象（原型），將實驗手段作用于模型而不是原型的實驗，稱為模擬實驗。一般情況下，研究對象太大（如生物圈）、太小（如微觀粒子、生物大分子等），或者實驗本身有人身安全隱患的（如藥物的動物模型實驗、載人航天實驗中的模擬人實驗等），或者實驗原型已消失的（如米勒模擬原始地球大氣狀況的實驗），或者公約禁止的（如核試驗等），都需要以模擬實驗來做更深入的研究。模擬的類型可能是基于實物的模擬，也可能是純粹數學層面的推導。中學階段的模擬實驗主要以實物模擬為主。

雖然模擬實驗研究的對象是模型而不是真實生物材料，但仍具有重要的科學價值和教育價值。

1對幾個模擬實驗在提升學生的生物學學科核心素養上的價值分析

1.1性狀分離比的模擬

高中必修2教材在一對相對性狀雜交實驗的教學內容中，設計了“性狀分離比的模擬”。教材將該模擬實驗放在孟德爾的“假設”之后、“定律”之前，就是為了幫助學生快速理解孟德爾對一對相對性狀雜交實驗的兩個關鍵假設：配子形成時成對的遺傳因子分離、雌雄配子隨機組合。這兩個過程恰恰是學生不能輕松突破的。當然，該實驗還模擬了基因對性狀的控制、表現型及其比例的統計等其他內容。

教師認真開展該實驗，結合數學推演，可以讓學生基于生物學事實（孟德爾實驗過程和結果），恰當利用模型與建模、演繹與推理等方法，闡明并理解遺傳的本質，提升學生的科學思維水平。

在開展活動時，教師要抓住“模擬的到底是什么”這一問題，而不是表面的模仿。例如，一些教師認為“性狀分離比的模擬”實驗中有很多可改進的地方：自然情況下，雌雄配子不應該是等量的;每組小球（配子）個數較少;取出后完成“受精”再放回原桶不符合規律，等等。從模擬和相似性角度考慮，似乎提出這些問題是有一定道理的，但教師更應仔細考量教材在此處設置該實驗的意義。該模擬實驗并非對生物體生理結構的簡單模仿，而是要學生通過實驗體會孟德爾所做的假設，從而更好地理解性狀遺傳的實質。還有教師改進并拓展了該實驗，實現了對兩對相對性狀雜交實驗的模擬。其實，對于兩對相對性狀的雜交實驗而言，并不適合用該模擬實驗來進行驗證，因為：本實驗情境雖然模擬了不同配子的自由組合，但無法模擬一個細胞內的情況;實驗過程過于復雜，容易將遺傳因子的自由組合和配子的隨機結合搞混;第一節已完成一次模擬實驗，本節課再做會使課堂效率低下，學生也會失去新鮮感。因此，類似這樣的創編，或應慎之又慎。

1.2模擬生物體維持pH的穩定

新課標將“比較清水、緩沖液、體液對pH變化的調節作用”明確列為教學提示，目的是期待學生能夠通過實驗，說出內環境pH的穩定是緩沖對的作用，進而幫助學生理解和掌握“內環境的理化性質是動態變化的”這一生物學基本原理。事實上，該實驗不是嚴格意義上的模擬實驗，而是采用幾種成分pH變化的對比，真實還原了內環境維持pH穩態的機制，以幫助學生更好地理解生命系統。該實驗的基本方法是類比，這是與模擬實驗一致的基本科學思維方法。

一些教師認為該實驗不值得做，因為這個實驗的原理和結論也就是一句話。省略該實驗，對知識掌握并無大礙。但是，該實驗在提升學生學科核心素養方面的重要作用：該實驗可以促進學生進一步認識生命系統的整體性和動態平衡等特點;這個活動能夠通過類比思想的運用，培養學生的創造性思維，讓學生認識到發生在體內的過程，是可以在體外被模擬觀察的;而對“社會責任”而言，這樣強烈而具有沖擊力的實驗，可以很好地幫助學生辨析和反駁社會上流行的所謂“酸堿平衡理論”“堿性水是健康水”等觀點。這些都不是一兩句話能代替的。

1.3酸雨對生物的影響

該實驗是人教版義務教育教科書七年級下冊的一個模擬探究活動。這個實驗利用食醋（或醋酸）模擬酸雨，并設置了不同的食醋（或醋酸）濃度，通過觀察植物的生長狀況，使學生能夠了解酸雨對植物的影響，認識酸雨的危害。

教師要充分認識該實驗的教學價值。①培根指出，單純的經驗、觀察是“自行出現的”，是被動的“偶遇”，是“漫無定向”的盲目摸索;而實驗則是“著意去尋求的”，是主動的和有目的的探索。該實驗能夠讓學生體會不容易觀察到的酸雨，是可以在實驗室條件下通過模擬實驗實現的，從而體會觀察和實驗之間的不同。②人教版義務教育教科書七年級上下冊共安排了17個實驗與探究類活動。此處安排這一實驗，能夠綜合運用七年級所學的探究方法，發展學生的分析與綜合、歸納與演繹等科學思維，實現該活動的教育價值。③能夠幫助學生真切體會環境變化對生物生存的影響，從而更加有效地促進學生對保護生態環境意識等社會責任的培養。

上述模擬實驗的開展均可按照“利用原型，引入模型一利用模型，進行實驗一利用模型，解釋原型”的教學流程，學生則會隨著教學活動經歷了“具體一抽象”的過程，借助模擬實驗的直觀展示，加強對概念的理解。這類實驗也符合“做中學”的教學理論。模擬實驗采用類比作為基本出發點，需要學生綜合運用比較、聯想、概括等多種能力來準確說明最終的實驗結論，因而在實施實驗的過程中，學生的這些能力都可以得到培養。

2可適當開發模擬實驗，發展學生生物學學科核心素養

教材安排的模擬實驗畢竟數量有限。在充分了解模擬實驗的價值和本質后，教師可根據教學實際的情況，如實驗材料的易獲取程度、實驗條件的滿足程度等，開發一些模擬實驗，以加強對科學思維、科學探究等核心素養的培養。

例如，由于時間和空間的限制，很多學校對“特定類型植物種群密度的調查”這一實驗，往往“紙上談兵”。實際教學中，可采用不同顏色的豆子、托盤、細線等來進行模擬“樣方法”，再與實際的真實數據作出比較;也可利用同樣的道具模擬“標志重捕法”。常見的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。這些活動能夠在保證相似性原理的基礎上，有效達成教學目標，是教材的有益補充。

當然，如果能夠開展真實實驗最好不用模擬實驗。

3開展模擬實驗需要注意的問題

模擬實驗可以有效地幫助我們落實新課標的教學要求，但在開展此類模擬實驗時要注意一些問題。

3.1注意辨識偽模擬實驗

信息技術輔助教學是目前教育領域的趨勢。因此，一些教師或公司開發了部分利用程序實現所謂模擬實驗。事實上，這類操作只是一種按照編寫程序時就已經確定了的邏輯、規定了的路徑完成的“游戲”，這類操作并沒有將真正的類比的思想置于其中，與真正的模擬實驗在原理上就是不同的，因此不能稱之為模擬實驗。學生完成此類活動，更加傾向于為完成而完成，對生物學學科核心素養的提升作用是十分有限的。

3.2模擬實驗的推論并不必然可靠

開設模擬實驗需要注意，模擬實驗本質上是類比思維，這種思維具有猜測性質;加上事物之間除了統一性、相似性外，還存在差異性，因此模擬實驗的結論不是必然可靠的。為了確保模擬的可靠程度，教師需要在模型和原型相關屬性的本質、數量、全面性、因果性等方面下功夫做模擬。此外，還需要注意的是，運用類比思維得到的結果可以作為創新的構思或設想，但是不能作為嚴格證明的結果。