王天祥

摘要：分析了模拟实验在提升学生的类比思维能力，培养模型与建模的思维方法以及创造性思维，提高学生科学探究能力等方面具有的重要价值。同时也需要注意，模拟实验的推论并不必然可靠。

关键词：模拟实验 类比思维 生物学学科核心素养

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）中明确指出，生物学课程以“核心素养为宗旨”“教学过程重实践”等为基本理念。新课标强调了生物学课程应让学生通过探究性学习活动或工程学任务，加深学生对生物学概念的理解，提升应用知识的能力，培养创新精神。这就要求教师在教学中大力开展实验教学，而模拟实验也是一类重要的实验。

在生物学的研究中，有一类以相似原理为基础、用模型代替真实的研究对象（原型），将实验手段作用于模型而不是原型的实验，称为模拟实验。一般情况下，研究对象太大（如生物圈）、太小（如微观粒子、生物大分子等），或者实验本身有人身安全隐患的（如药物的动物模型实验、载人航天实验中的模拟人实验等），或者实验原型已消失的（如米勒模拟原始地球大气状况的实验），或者公约禁止的（如核试验等），都需要以模擬实验来做更深入的研究。模拟的类型可能是基于实物的模拟，也可能是纯粹数学层面的推导。中学阶段的模拟实验主要以实物模拟为主。

虽然模拟实验研究的对象是模型而不是真实生物材料，但仍具有重要的科学价值和教育价值。

1对几个模拟实验在提升学生的生物学学科核心素养上的价值分析

1.1性状分离比的模拟

高中必修2教材在一对相对性状杂交实验的教学内容中，设计了“性状分离比的模拟”。教材将该模拟实验放在孟德尔的“假设”之后、“定律”之前，就是为了帮助学生快速理解孟德尔对一对相对性状杂交实验的两个关键假设：配子形成时成对的遗传因子分离、雌雄配子随机组合。这两个过程恰恰是学生不能轻松突破的。当然，该实验还模拟了基因对性状的控制、表现型及其比例的统计等其他内容。

教师认真开展该实验，结合数学推演，可以让学生基于生物学事实（孟德尔实验过程和结果），恰当利用模型与建模、演绎与推理等方法，阐明并理解遗传的本质，提升学生的科学思维水平。

在开展活动时，教师要抓住“模拟的到底是什么”这一问题，而不是表面的模仿。例如，一些教师认为“性状分离比的模拟”实验中有很多可改进的地方：自然情况下，雌雄配子不应该是等量的;每组小球（配子）个数较少;取出后完成“受精”再放回原桶不符合规律，等等。从模拟和相似性角度考虑，似乎提出这些问题是有一定道理的，但教师更应仔细考量教材在此处设置该实验的意义。该模拟实验并非对生物体生理结构的简单模仿，而是要学生通过实验体会孟德尔所做的假设，从而更好地理解性状遗传的实质。还有教师改进并拓展了该实验，实现了对两对相对性状杂交实验的模拟。其实，对于两对相对性状的杂交实验而言，并不适合用该模拟实验来进行验证，因为：本实验情境虽然模拟了不同配子的自由组合，但无法模拟一个细胞内的情况;实验过程过于复杂，容易将遗传因子的自由组合和配子的随机结合搞混;第一节已完成一次模拟实验，本节课再做会使课堂效率低下，学生也会失去新鲜感。因此，类似这样的创编，或应慎之又慎。

1.2模拟生物体维持pH的稳定

新课标将“比较清水、缓冲液、体液对pH变化的调节作用”明确列为教学提示，目的是期待学生能够通过实验，说出内环境pH的稳定是缓冲对的作用，进而帮助学生理解和掌握“内环境的理化性质是动态变化的”这一生物学基本原理。事实上，该实验不是严格意义上的模拟实验，而是采用几种成分pH变化的对比，真实还原了内环境维持pH稳态的机制，以帮助学生更好地理解生命系统。该实验的基本方法是类比，这是与模拟实验一致的基本科学思维方法。

一些教师认为该实验不值得做，因为这个实验的原理和结论也就是一句话。省略该实验，对知识掌握并无大碍。但是，该实验在提升学生学科核心素养方面的重要作用：该实验可以促进学生进一步认识生命系统的整体性和动态平衡等特点;这个活动能够通过类比思想的运用，培养学生的创造性思维，让学生认识到发生在体内的过程，是可以在体外被模拟观察的;而对“社会责任”而言，这样强烈而具有冲击力的实验，可以很好地帮助学生辨析和反驳社会上流行的所谓“酸碱平衡理论”“碱性水是健康水”等观点。这些都不是一两句话能代替的。

1.3酸雨对生物的影响

该实验是人教版义务教育教科书七年级下册的一个模拟探究活动。这个实验利用食醋（或醋酸）模拟酸雨，并设置了不同的食醋（或醋酸）浓度，通过观察植物的生长状况，使学生能够了解酸雨对植物的影响，认识酸雨的危害。

教师要充分认识该实验的教学价值。①培根指出，单纯的经验、观察是“自行出现的”，是被动的“偶遇”，是“漫无定向”的盲目摸索;而实验则是“着意去寻求的”，是主动的和有目的的探索。该实验能够让学生体会不容易观察到的酸雨，是可以在实验室条件下通过模拟实验实现的，从而体会观察和实验之间的不同。②人教版义务教育教科书七年级上下册共安排了17个实验与探究类活动。此处安排这一实验，能够综合运用七年级所学的探究方法，发展学生的分析与综合、归纳与演绎等科学思维，实现该活动的教育价值。③能够帮助学生真切体会环境变化对生物生存的影响，从而更加有效地促进学生对保护生态环境意识等社会责任的培养。

上述模拟实验的开展均可按照“利用原型，引入模型一利用模型，进行实验一利用模型，解释原型”的教学流程，学生则会随着教学活动经历了“具体一抽象”的过程，借助模拟实验的直观展示，加强对概念的理解。这类实验也符合“做中学”的教学理论。模拟实验采用类比作为基本出发点，需要学生综合运用比较、联想、概括等多种能力来准确说明最终的实验结论，因而在实施实验的过程中，学生的这些能力都可以得到培养。

2可适当开发模拟实验，发展学生生物学学科核心素养

教材安排的模拟实验毕竟数量有限。在充分了解模拟实验的价值和本质后，教师可根据教学实际的情况，如实验材料的易获取程度、实验条件的满足程度等，开发一些模拟实验，以加强对科学思维、科学探究等核心素养的培养。

例如，由于时间和空间的限制，很多学校对“特定类型植物种群密度的调查”这一实验，往往“纸上谈兵”。实际教学中，可采用不同颜色的豆子、托盘、细线等来进行模拟“样方法”，再与实际的真实数据作出比较;也可利用同样的道具模拟“标志重捕法”。常见的A4纸也能帮助完成模拟DNA重组、模拟同源染色体分离或自由组合等。这些活动能够在保证相似性原理的基础上，有效达成教学目标，是教材的有益补充。

当然，如果能够开展真实实验最好不用模拟实验。

3开展模拟实验需要注意的问题

模拟实验可以有效地帮助我们落实新课标的教学要求，但在开展此类模拟实验时要注意一些问题。

3.1注意辨识伪模拟实验

信息技术辅助教学是目前教育领域的趋势。因此，一些教师或公司开发了部分利用程序实现所谓模拟实验。事实上，这类操作只是一种按照编写程序时就已经确定了的逻辑、规定了的路径完成的“游戏”，这类操作并没有将真正的类比的思想置于其中，与真正的模拟实验在原理上就是不同的，因此不能称之为模拟实验。学生完成此类活动，更加倾向于为完成而完成，对生物学学科核心素养的提升作用是十分有限的。

3.2模拟实验的推论并不必然可靠

开设模拟实验需要注意，模拟实验本质上是类比思维，这种思维具有猜测性质;加上事物之间除了统一性、相似性外，还存在差异性，因此模拟实验的结论不是必然可靠的。为了确保模拟的可靠程度，教师需要在模型和原型相关属性的本质、数量、全面性、因果性等方面下功夫做模拟。此外，还需要注意的是，运用类比思维得到的结果可以作为创新的构思或设想，但是不能作为严格证明的结果。