許 明 （江蘇省丹陽市實(shí)驗(yàn)學(xué)校 江蘇丹陽 212300）

“教學(xué)過程重實(shí)踐”［1］是生物學(xué)課程基本理念之一。在初中生物學(xué)教材中，許多概念或知識點(diǎn)并沒有實(shí)驗(yàn)要求，對這部分內(nèi)容如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)踐化”？模擬實(shí)驗(yàn)便是一種創(chuàng)新實(shí)踐的方法。它根據(jù)相似性原理，在生活中尋找“類似物”或?qū)⒀芯繉ο笾谱鞒赡Ｐ?，通過對“類似物”或“模型”的研究遷移到對概念原型的理解。近3年，筆者帶領(lǐng)項(xiàng)目組對模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)踐研究，本文就相關(guān)做法與體會進(jìn)行闡述。

1 模擬實(shí)驗(yàn)的方法與實(shí)施

在初中生物學(xué)教學(xué)中如何應(yīng)用模擬實(shí)驗(yàn)？項(xiàng)目組按實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方向，梳理出4 種方法：結(jié)構(gòu)模擬法、功能模擬法、現(xiàn)象模擬法和過程模擬法。

1.1 結(jié)構(gòu)模擬法 當(dāng)研究對象過于宏觀或微觀，難以直接呈現(xiàn)時(shí)，可利用簡易的材料針對研究對象的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制作成放大或縮小的模型（仿真模擬），或?qū)ふ疑钪械摹邦愃莆铩?，呈現(xiàn)概念原型的某個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（類比模擬）。

案例1：結(jié)構(gòu)模擬法的應(yīng)用。

片斷1：模擬制作“鼻”（仿真模擬）。

在本實(shí)驗(yàn)中，你要制作一個(gè)“鼻”的模型。

1）取卷紙的紙筒，在其內(nèi)表面貼上一層泡棉膠帶。

2）取松葉若干，兩頭插入泡棉膠帶中。

3）取保鮮袋，用橡皮筋“固定”在紙筒上（圖1）。

圖1

4）取一些碎紙，吹向紙筒，觀察現(xiàn)象。

請用你的模型解釋鼻能清潔空氣的原因。

片斷2：模擬“小腸絨毛”（類比模擬）。

在本實(shí)驗(yàn)中，你要體驗(yàn)小腸的結(jié)構(gòu)。

1）手指并攏，掌心緊貼桌面，用鉛筆沿手畫出一條輪廓線。

2）5個(gè)手指分開，掌心緊貼桌面，用鉛筆沿手畫出輪廓線（圖2）。

圖2

3）準(zhǔn)備2 根棉線，沿著上述2 條輪廓線放置，剪去多余部分；用米尺量出這2 根線的長度。

請用你的模擬實(shí)驗(yàn)解釋小腸具有絨毛結(jié)構(gòu)有利消化與吸收的原因。

案例1 中為了說明“鼻”與“小腸”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真模擬與類比模擬，學(xué)生在親手制作或測量中形成了空間的概念，并頓悟到“鼻”中鼻毛、粘液，小腸中小腸絨毛結(jié)構(gòu)的意義。這比任何形式的說教都要有效得多。

1.2 功能模擬法 有的研究對象過于微觀，其功能無法通過實(shí)驗(yàn)直觀呈現(xiàn)。這時(shí)可根據(jù)相似性原理，利用相似材料模型進(jìn)行“類比演繹”，以獲得直觀的體驗(yàn)。

案例2：功能模擬法的應(yīng)用。

在本實(shí)驗(yàn)中，你要模擬細(xì)胞膜的功能。

1）選擇新鮮魚鰾模擬細(xì)胞膜，在其中裝入淀粉溶液，并扎緊袋口。

2）燒杯中裝入碘溶液，將裝有淀粉溶液的魚鏢放入燒杯中（圖3）。

圖3

3）24 h 后觀察魚鰾內(nèi)、外顏色的變化。

魚鰾內(nèi)、外顏色的變化說明什么物質(zhì)能自由進(jìn)出魚鰾？什么物質(zhì)不能進(jìn)出魚鰾？請用你的模擬實(shí)驗(yàn)說明細(xì)胞膜的功能。

案例2 中的細(xì)胞膜是微觀結(jié)構(gòu)，學(xué)生不能進(jìn)行直觀實(shí)驗(yàn)。他們對細(xì)胞膜能“控制物質(zhì)進(jìn)出”的功能很難理解。這時(shí)用魚鰾（或卵殼膜）進(jìn)行功能模擬，能化微觀為宏觀、化抽象為形象，讓難點(diǎn)迎刃而解。

1.3 現(xiàn)象模擬法 在初中生物學(xué)教學(xué)中，有的實(shí)驗(yàn)難以取材、難以操作、現(xiàn)象不明顯，這時(shí)可用簡易的實(shí)驗(yàn)裝置、簡便的實(shí)驗(yàn)方法、明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去模擬。

案例3：現(xiàn)象模擬法的應(yīng)用。

在本實(shí)驗(yàn)中你要模擬晶狀體的曲度變化。

1）用鐵絲圈、細(xì)絲、氣球制作模擬實(shí)驗(yàn)裝置（圖4）。

2）松開鐵絲圈，觀察細(xì)絲與氣球的變化（圖4a）。

3）拉緊鐵絲圈，觀察細(xì)絲與氣球變化（圖4b）。

圖4

請用你的模擬實(shí)驗(yàn)說明睫狀體是如何調(diào)節(jié)晶狀體曲度的。

案例3 中睫狀體調(diào)節(jié)晶狀體的現(xiàn)象無法直觀觀察，其過程較復(fù)雜，學(xué)生難以通過想象獲得。用鐵絲圈、細(xì)絲、氣球這些簡易材料制作模擬裝置，讓學(xué)生在親自操作中體驗(yàn)。在實(shí)踐中，他們發(fā)現(xiàn)拉緊鐵絲圈時(shí)：睫狀體收縮→懸韌帶松馳→晶狀體曲度變大；松開鐵絲圈時(shí)：睫狀體放松→懸韌帶拉伸→晶狀體曲度變小。在模擬實(shí)踐中，學(xué)生知識得以構(gòu)建，科學(xué)思維能力得到提升。

1.4 過程模擬法 有的生命活動過程過于漫長或過于微觀，無法在課堂內(nèi)通過實(shí)驗(yàn)直觀呈現(xiàn)，例如生物進(jìn)化過程、艾滋病傳播過程、人類的性別決定等。這時(shí)可用過程簡單、容易控制、能反應(yīng)其本質(zhì)的模擬實(shí)驗(yàn)替代。實(shí)踐中，可用類比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行直觀模擬，也可利用動畫等軟件開發(fā)虛擬學(xué)習(xí)情境讓學(xué)生體驗(yàn)。

案例4：過程模擬法的應(yīng)用（以生物適應(yīng)環(huán)境教學(xué)為例）。

在本實(shí)驗(yàn)中你要模擬鳥類去捕食蝴蝶，體驗(yàn)生物是如何適應(yīng)環(huán)境的。

1）6 人一組，剪出白蝴蝶和黑蝴蝶各100 只。

2）將200 只蝴蝶撒在黑色紙板上。

3）選擇一人扮演捕蟲“鳥”，視線離開紙板，轉(zhuǎn)回視線后立即挑出其第一眼看到的蝴蝶。

4）重復(fù)步驟3，持續(xù)1 min。

5）統(tǒng)計(jì)捕捉的白蝴蝶與黑蝴蝶數(shù)目。

用你的模擬實(shí)驗(yàn)解釋生物是怎樣適應(yīng)環(huán)境的。

片斷2：虛擬體驗(yàn)“樺尺蛾體色進(jìn)化的原因”。

讓信息更對稱。鄉(xiāng)村成校和文化禮堂各自擁有不少資源，鄉(xiāng)村成校相對來講擁有較好的信息渠道、較為成熟的培訓(xùn)手段和相當(dāng)數(shù)量的兼職教師隊(duì)伍，而文化禮堂管理部門擁有場地、培訓(xùn)需求信息等資源，通過體制機(jī)制的支持，讓信息更對稱，使目前略顯匱乏的教育資源相對集中而高效，增強(qiáng)培訓(xùn)活動的效果，提升社會教育力。

在本實(shí)驗(yàn)中你要模擬捕食鳥去捕食樺尺蛾，體驗(yàn)生物是如何適應(yīng)環(huán)境的。

1）課前準(zhǔn)備好動畫軟件：綠色背景中放置綠色、黃色、藍(lán)色、白色樺尺蛾各20 只。

2）選擇一位近視學(xué)生扮演“捕食鳥”，快速點(diǎn)取樺尺蛾（鼠標(biāo)點(diǎn)取時(shí)消失，表示被吃掉，每吃掉1 只樺尺蛾后屏幕黑一段時(shí)間）。

3）當(dāng)你吃到還剩下20 只樺尺蛾時(shí)，表示經(jīng)過一代，剩下的每只樺尺蛾都會生下3 只與其顏色一樣的子一代。

4）繼續(xù)捕食第2 代，直至第5 代，觀察剩下的樺尺蛾的體色。

用你的模擬實(shí)驗(yàn)解釋樺尺蛾體色進(jìn)化的原因。

從案例中發(fā)現(xiàn)無論是類比模擬還是虛擬體驗(yàn)，過程模擬法都要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)或游戲的方式全程參與整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)過程，他們是實(shí)驗(yàn)探究的執(zhí)行者，是知識的主動構(gòu)建者。

2 模擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)與原則

模擬實(shí)驗(yàn)與常規(guī)的直觀實(shí)驗(yàn)相比有哪些特點(diǎn)與原則？在此，筆者以2018年江蘇省初中生物學(xué)優(yōu)質(zhì)課評比中“氣孔開閉原理”教學(xué)片斷為例加以說明。

案例5：氣孔開閉原理模擬實(shí)驗(yàn)。

在2018年江蘇省初中生物學(xué)優(yōu)質(zhì)課評比時(shí)，關(guān)于“氣孔開閉原理”的教學(xué)，許多選手采用了模擬實(shí)驗(yàn)的方式，其中讓筆者印象深刻的是以下3例（圖5）。

圖5

用氣球、輸液管、大針管、一次性飯盒、細(xì)線、透明膠組裝成如圖5a模擬裝置，其中氣球模擬了保衛(wèi)細(xì)胞，透明膠貼于其內(nèi)表面加厚了內(nèi)壁。向氣球內(nèi)注水時(shí)可發(fā)現(xiàn)“氣孔”張開，抽取水時(shí)可發(fā)現(xiàn)“氣孔”關(guān)閉。

圖5b是用棉布內(nèi)包高吸水性樹脂做成的裝置，其中內(nèi)側(cè)的棉布要厚些。將裝置放入水中可發(fā)現(xiàn)“氣孔”張開。

圖5c模擬裝置用蘿卜薄片與訂書針做成，它設(shè)置了對照實(shí)驗(yàn)，A 組蘿卜薄片內(nèi)側(cè)帶皮，B 組內(nèi)、外側(cè)厚度一樣。2 組裝置中加入清水，可發(fā)現(xiàn)A 組“氣孔”張開，B 組沒有張開（圖6）。

圖6

分析這3 例模擬實(shí)驗(yàn)有以下特點(diǎn)：

1）科學(xué)性原則。這3 例模擬裝置與真實(shí)的氣孔并不完全相同，但在本質(zhì)屬性上相似的：都是由2 個(gè)“保衛(wèi)細(xì)胞”圍成，內(nèi)壁厚，能吸水。它們都注重了實(shí)驗(yàn)的典型性、平實(shí)性與科學(xué)性。特別是圖5c裝置，它采用了生物材料，更貼近氣孔的原型；設(shè)計(jì)了對照實(shí)驗(yàn)，讓模擬實(shí)驗(yàn)更科學(xué)、更嚴(yán)謹(jǐn)。

2）簡易化原則。簡易化原則有2 層內(nèi)涵：一是模擬裝置的原材料簡單易得，例如案例中的3 例裝置，采用了氣球、高吸水性樹脂（尿不濕內(nèi)的吸水棉）、蘿卜。這些均是生活中常見的材料，經(jīng)濟(jì)、可操作性強(qiáng)。二是模擬實(shí)驗(yàn)操作過程簡單、現(xiàn)象直觀。圖5a模擬裝置通過直接注水，圖5b、圖5c 裝置直接放入清水中，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程操作簡單、現(xiàn)象明顯，有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)本質(zhì)，得出結(jié)論。

3）啟發(fā)性原則。生物學(xué)概念的形成并不是一個(gè)被動的接受過程，而是一個(gè)主動構(gòu)建的過程，是學(xué)生在自己的頭腦中構(gòu)建與發(fā)展生物學(xué)認(rèn)知的過程［2］。3 例模擬實(shí)驗(yàn)都注重學(xué)生的主動構(gòu)建，調(diào)動學(xué)生的主動性，啟發(fā)學(xué)生親自思考、設(shè)計(jì)、動手、類比、歸納，讓學(xué)生主動探索，獲取知識。由教師全權(quán)包辦的模擬實(shí)驗(yàn)勢必會加重學(xué)生負(fù)擔(dān)。