吳丹丹

(清華大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100084)

在生物學(xué)教學(xué)中由于某些因素的限制，無法直接對研究對象進行實驗。在此情況下，可尋找實驗研究對象的替代物，用模擬實驗使學(xué)生獲得對一些生命現(xiàn)象和規(guī)律的認(rèn)識。

1 模擬實驗可提升學(xué)生比較、歸納邏輯思維能力

當(dāng)原型實驗中的儀器設(shè)備在中學(xué)較難獲得時，可使用模擬實驗替代。由于模擬實驗時需要自行設(shè)計各變量，從而改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，在學(xué)習(xí)中比較和歸納。

例如,在學(xué)習(xí)高中教材“基因工程的操作程序”一節(jié)時，由于實驗室設(shè)備器材的限制，學(xué)生無法完成基因工程實驗，且該實驗的原理較微觀、難理解，更談不上啟發(fā)和思辨了。此時，教師可設(shè)置模擬實驗，帶領(lǐng)學(xué)生體會基因工程的重要操作環(huán)節(jié)及其蘊含的生物學(xué)原理。教師用幾個寫有特定堿基序列的長紙條模擬基因工程中的常用運輸工具“質(zhì)粒”和“目的基因”(為啟發(fā)學(xué)生思考，可使用有相同酶切位點和不同酶切位點的序列)，使用剪刀模擬“限制酶”來表示其“識別特定序列，切割特定位點”的特點(設(shè)置有黏性末端和平末端兩種剪切結(jié)果的限制酶切位點序列)，再用膠帶模擬“DNA連接酶”將能堿基互補配對的“DNA鏈”連接起來。此時，學(xué)生開始主動地提出問題：“兩個不同限制酶酶切后的末端能否連接？若不能連接怎么改進？(能，有相同的黏性末端則可以；也許不能，如平末端和黏性末端)若質(zhì)粒與質(zhì)粒相連、目的基因與目的基因相連則無法實現(xiàn)實驗?zāi)康?，如何才能保證連接結(jié)果的準(zhǔn)確性？若受堿基序列的限制，很難從限制酶的角度來選取不同酶切末端來保證連接結(jié)果的唯一性，如何排除錯誤連接結(jié)果的干擾？(可將目的基因和質(zhì)粒的兩端分別使用兩種限制酶，且酶切后的末端不同，這樣可以防止自連和反向連接。若以上方法無法實現(xiàn)，可借助電泳技術(shù)區(qū)分)。

回顧整個模擬實驗，不是教師在講授，而是學(xué)生用產(chǎn)生的一系列的問題帶著教師一步步完成教學(xué)任務(wù)，變被動為主動學(xué)習(xí)。通過使用紙條、剪刀和膠帶，模擬基因工程中“切”“連”等過程，在解決一個個問題中，學(xué)生比較、歸納出基因工程中限制酶的作用和作用特點、DNA連接酶的作用特點、電泳技術(shù)背后的原理，提升了學(xué)生比較、歸納等邏輯思維能力。

2 模擬實驗可發(fā)展學(xué)生質(zhì)疑、釋疑邏輯思維能力

當(dāng)原型實驗所需材料較難獲得，或有一定的危險性，采用模擬實驗可直觀、快速和安全地完成實驗。在模擬實驗的設(shè)計和實施階段，有利于幫助學(xué)生更好地認(rèn)識原型實驗中蘊含的本質(zhì)。

例如,在學(xué)習(xí)高中教材“模擬配子形成和受精作用”一節(jié)時，由于精子和卵細胞較難獲得，也很難觀察到配子形成過程，可用黑白兩色的棋子分別代替基因型為A和a的配子來模擬減數(shù)分裂和受精作用。實驗中，學(xué)生會思考一些問題：為什么要用兩個容器、分別都裝黑白兩色的棋子？(兩個容器分別代表雌雄生殖器官。)兩容器中的棋子總數(shù)是否相等？(一般不相等，雄配子數(shù)遠多于雌配子。)每個容器內(nèi)黑白兩色的棋子數(shù)量是否相等？(相等，雌A配子∶雌a配子=1∶1，雄A配子∶雄a配子=1∶1。)每次取幾顆棋子？(黑白各取1顆組合到一起，模擬精卵受精作用。)抓取幾次來統(tǒng)計結(jié)果？(越多越好，可使用全班共享數(shù)據(jù)來增大樣本量。)

在模擬原型實驗條件的時候，學(xué)生產(chǎn)生的疑問能幫助學(xué)生更深刻地認(rèn)識了原型實驗：“同源染色體分離等位基因隨之分離、減數(shù)分裂使染色體數(shù)減半、雌雄配子隨機受精、受精作用和減數(shù)分裂對維持親子代染色體數(shù)穩(wěn)定性有重要意義”等，在提出問題和解決問題的過程中，發(fā)展了學(xué)生的質(zhì)疑、釋疑等邏輯思維能力。

3 模擬實驗可鍛煉學(xué)生類比、推理邏輯思維能力

當(dāng)原型實驗中實驗變量難以改變，但又需要觀察實驗變量對實驗結(jié)果的影響時，可使用模擬實驗。在保留核心要素、去除次要因素的過程中，有助于鍛煉學(xué)生類比、推理等邏輯思維能力。

例如,在學(xué)習(xí)高中教材“模擬探究細胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系”一節(jié)時，細胞本身的大小是無法改變的，所以無法分析細胞大小與其物質(zhì)運輸效率的關(guān)系。但在模擬實驗中，可使用大小不一含氫氧化鈉的瓊脂塊代表體積不同的細胞，酚酞溶液模擬細胞周圍的溶液環(huán)境，酚酞溶液進入瓊脂塊后變紅體積代表與外界物質(zhì)交換的效率。通過觀察單位時間內(nèi)瓊脂塊變色部分的體積與總體積的比值，探究細胞大小與物質(zhì)運輸效率的關(guān)系。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)瓊脂塊體積越小，單位體積的變色體積越大，即物質(zhì)的交換效率越高。

在本實驗中，學(xué)生可使用“類比法”分析實驗：大小不同的瓊脂塊相當(dāng)于體積大小不同的細胞，酚酞溶液相當(dāng)于被細胞吸收的物質(zhì)，變色的部分相當(dāng)于吸收到外界物質(zhì)的細胞結(jié)構(gòu)，單位體積瓊脂塊的變色體積相當(dāng)于細胞的物質(zhì)運輸效率。最后的結(jié)果說明，細胞越小其運輸物質(zhì)的效率越高。根據(jù)實驗結(jié)果類比推理出，細胞體積小的積極意義可能是：細胞越小越有利于細胞與外界的物質(zhì)交換，從而更高效的進行物質(zhì)運輸?？梢娫趯嶒瀸嵤┖徒Y(jié)果分析階段，有助于鍛煉學(xué)生類比、推理等邏輯思維能力。

4 模擬實驗可完善學(xué)生質(zhì)疑、批判邏輯思維能力

比較原型實驗，模擬實驗可在較短的時間內(nèi)，模擬幾十年乃至幾億年的發(fā)展變化。實驗操作時間短、實驗現(xiàn)象簡單直觀，更符合學(xué)生的認(rèn)知水平。在指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型的過程中，幫助學(xué)生更好的理解原型和模型在結(jié)構(gòu)和功能上的相似性，幫助學(xué)生完善了質(zhì)疑、批判等邏輯思維能力[1]。

例如,在學(xué)習(xí)“模擬探究生物保護色的形成過程”一節(jié)實驗中，學(xué)生會產(chǎn)生很多困惑，教師可抓住機會，通過與學(xué)生一起構(gòu)建、修正模型的過程中分析其中蘊含的進化原理，得出進化的本質(zhì)。又如，用大紙模擬“環(huán)境”，用剪成小方塊的小紙片模擬“環(huán)境中的被食者”，學(xué)生自己模擬“捕食者”。操作過程中學(xué)生會疑惑“被捕食者是用一種還是多種顏色的小紙片？”，背后蘊含的原理是“生物的變異是普遍存在的，變異是不定向的”。在實施模擬實驗時，“各種顏色的小紙片數(shù)量各多少？可否根據(jù)個人對顏色的喜好選擇小紙片？”，這其實反映了“變異是隨機產(chǎn)生的；生物的變異是少利多害的”的原理。學(xué)生操作一輪后斟酌是否需要繼續(xù)“捕捉”，這反映了“自然選擇是一個長期的、緩慢的過程”。

實驗課上，教師在帶領(lǐng)學(xué)生分析他們產(chǎn)生的問題后，不僅弄清了該如何操作，也挖掘出實驗背后隱藏的與進化相關(guān)的本質(zhì)認(rèn)識，在不斷的構(gòu)建模型、修正模型、重構(gòu)模型的過程中，提煉出進化學(xué)說的本質(zhì)，幫助學(xué)生完善質(zhì)疑、批判等邏輯思維能力。