1.问题的提出

模拟实验及其教学方法是生物学教学中一种体现新课程改革理念的教学方法，倡导合作学习、自主学习，鼓励批判性思维，更利于实践和知识创新。正在实验的高中新课程教材，加大了其在总体教学内容中占的比重，并逐步建立健全了模拟实验内容的教学内容与学习方法。通过模拟实验的教学实施提高学生生物科学素质，加强理论知识与实际生活的联系，促进和丰富探究性学习，转变学生的学习方式。

模拟实验是根据相似的理论，先设计与自然事物、自然现象及其发展变化过程相似的模型，然后通过对模型的实验和研究，间接地去实验和研究原型的性质和规律性，这种间接的实验方法称模拟实验，又称为模拟方法。

目前，在高中生物学教学活动中如何应用模拟实验，尚无成熟的理论和方法基础。因此，本课题研究主要从模拟实验的理论基础、新旧教材的比较、教学实验个案等方面探讨，为生物学教学提供一点理论与建议。

2．高中新旧课程中模拟实验的比较研究

2.1 《高中生物教学大纲(2002年修订)》和《普通高中生物课程标准（实验）》的比较见表1。

由上表可见，通过比较《高中生物教学大纲(2002年修订)》和《普通高中生物课程标准（实验）》在课程设计理念、思路、学习目标、课程具体目标、教学建议等5个方面内容的差异，我们发现《普通高中生物课程标准（实验）》增加了模拟实验、模型构建等教学内容，并且从设计理念、学习目标、课程具体目标、教学建议等方面对模拟实验教学的保证进行了详细的阐述，认为建模思维和建模能力是学生必备的科学素质，进行模拟实验和模型构建能力在科学发展中发挥重要作用。

2.3 高中生物学教材中的部分模型见表2。

2.4 《全日制普通高级中学教科书生物必修》(2002年审查通过)与《普通高中课程标准实验教科书生物必修》(2004年审查通过)中模拟实验的比较见表3。

由上述表中可见，通过比较《全日制普通高级中学教科书必修》(2002年审查通过)与《普通高中课程标准实验教科书生物必修》(2004年审查通过)，可以看到《普通高中课程标准实验教科书生物必修》(2004年审查通过)中大幅度增加了模拟实验、模型构建的数量，健全了模型的种类，为培养学生建模思维和建模能力，进行模拟实验和模型构建的教学提供了素材。

3．模拟实验和模型构建教学活动的基本程序和案例

模型是人们为了某种特定的目的而对认识对象所作的一种简化的概括性的描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的。

3.1 高中生物学教学中模拟实验教学模式建立的基本程序

3.1.1 模拟实验中的原型与模型

原型：实验的研究对象叫原型。原型可以是实际存在的或过去存在的生物或生命现象。

模型：进行操作的模拟装置叫模型。模型是模仿被研究对象而选择或设计的某种代替物。在模拟实验中，关键一步是寻找或设计模型。模型必须具备3个条件：首先，模型必须相似于原型；其次，模型在生物学研究中能替代原型；第3，模型提供关于原型的信息。模型特点：简明性、切题性、精密性。

3.1.2 进行模拟实验要经历的步骤

①从原型过渡到模型；

②对模型进行实验；

③从模型再过渡到原型；

④模拟实验教学流程的建立。

3.2 建立模拟实验及模型的案例

案例l：物理模型的建立

“模型”与“原型”之间的物理过程或几何相似为基础的一种模拟方法，在教学过程中设计的教学流程应突出下列特点：首先，它具有生动形象的直观性；其次，物理模拟在应用方面具有广泛性；第3，物理模拟应具有局部性和综合性的特点；第4，物理模拟可以使观察的现象反应出现。根据上述特点,教师设计教学流程和进行指导时，重视流程的合理性，指导理论的科学性，从而使学生在掌握模拟方法的同时获取科学的生物学知识。

教学案例：

模拟实验题目：尝试制作真核细胞三维结构模型。

模拟实验类别：物理模型。

目的要求：

1.尝试制作真核细胞三维结构模型；

2.体验建构模型过程。

材料用具：根据本小组模拟实验的种类选择材料用具，见表5。

案例2：概念模型的建立

主要通过所设计的实验模型，模拟微观、抽象或无法通过原型完成的实验。这种模拟实验难度高于物理模型。教师在进行该模式教学时．应对学生设计方案的多样性、科学性以及实验材料的多样性进行重点指导，具体见表6。

案例3：数学模型的建立

是模型和原型之间在数学方程式相似的基础上，使用的一种模拟方法，在现行的高中新课程中这种实验较少，例如：“微生物种群数量增长的数学模型”

①数学模型含义：是把复杂的研究对象转变为数学问题，经过合理简化后，建立一个能用数学方法揭示研究对象规律的数学关系式。

②数学模型在生物学实验中的意义：可以进行数量大的分析处理，从而克服了实际实验中只能对少数生物进行分析的局限：能够将复杂的多因素以独立的形式进行分析，而实际实验很难做到；能重复研究实验的各种信息、资料，而实际实验中很难做到。

研究实例：建立细菌增殖的数学模型。具体内容见表7。

4．反思和建议

4.1 教材中模拟实验在提高学生科学素养方面发挥的作用

4.1.1通过模拟实验及模型的制作，培养学生的创新能力

创新能力是一个人根据当前的知识和经验，加工、处理并有机迁移或整合，创造出新知识或新技术的能力。创新能力分为知识创新和技术创新，在高中生物学教学中应该充分利用模拟实验及构建模型的机会来培养学生的创造能力。例如，《普通高中课程标准实验教科书》必修，模块l第4章“细胞的物质输入和输出”第2节“课外制作──利用废旧物品制作生物膜模型”，虽然教材中所给出的模拟实验和模型构建都是经典和较成熟的理论，但仍可利用这些素材作为基础，通过深化来培养学生的创新精神。流动镶嵌学说虽已被大多数人接受，但也鼓励学生在研究关于膜的理论的基础上，勇于提出自己的较为合理反映膜的特性的模型理论，哪怕是可能错误的也要勇于提出。再有还可丰富流动镶嵌学说，例如：在制作膜的模型过程中，可就如下问题进行个性化的讨论：①制作模型的选材还可以有哪些?②糖蛋白在膜的两侧都有分布吗?③磷脂分子头部向外，两条长链向内的原因是什么?④膜破裂的情况。⑤蛋白质在膜中分布多少与流动性有关吗?⑥糖被与免疫、癌症、致病微生物侵入人体和信息传递有何关系?⑦载体蛋白在与被运输分子结合后，其本身电性和酸碱性有何变化?

上述问题，有的可以找出答案，有的没有定论，但这些问题却可以使学生在制作生物膜模型时，加深对生物膜学说的理解，将来去探寻研究一些没有解决的问题，激发学生学习生物学的兴趣。同时，制作的过程，也是学生根据自己所获取的知识进行创新的过程。

4.1.2 通过模拟实验教学，培养学生的批判性思维

生物科学的发展中批判性思维活动是非常关键的，作为一名生物科学工作者，在其从事的科学研究中，一方面要认真学习了解前人的研究成果。另一方面又要认定前人研究的科学性，如果发现矛盾应勇于质疑，并通过研究使其科学化或加以丰富，同时科研工作者也应使自己的研究方案达到科学性、可行性、简便性、重复性等原则，还要对自己的研究方案进行不断的改进。在模拟实验教学中，可以利用课本中的素材来培养学生的批判性思维。例如在模块2第3章制作DNA双螺旋结构模型的实验中，可以引导学生提出诸如：①DNA发生互换的原因；②DNA单链的分子结构及稳定性的情况；③RNA单链病毒的分子结构易变异的原因；④DNA仅有A、G、C、T 4种碱基吗？等一些疑问来投入先期学习，然后再通过讨论评价实验方案来使实验深化、完善，从而激发学生的批判性思维，达到丰富学生知识的目的。

4.1.3 培养学生的建模思维和建模能力

《普通高中生物课程标准（实验）》指出：“了解建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用，培养学生的建模思维和建模能力。领悟、建立数学模型等科学方法及其在科学研究中的应用，培养学生的建模思维和建模能力，获得生物学的基本事实、概念、原理、规律、模型等方面的基础知识”。由此可见，建模思维、建模能力在《普通高中生物课程标准（实验）》中被提到较高的高度，被认为是将来学生从事科学研究的必备能力。建模思维，是学生所认识到的关于建立模型及进行模拟实验必需的理论、概念、原则、方法等方面的知识。而建模能力是在建模思想的指导下，综合建立模型，进行知识或技术创新所必需的知识、理论、技能，最终达到建立模型，完成创新过程的能力。在进行高中生物学教学时应充分利用模拟实验和构建模型的内容培养学生的建构思维和建构能力。例如：必修模块l第6章第1节中“细胞大小与物质运输的关系”，这一模拟实验，在教学之前应给学生介绍模拟实验的一些要素、原型。本实验主要涉及以下几种模型：

　

在经过实施实验后，学生懂得细胞比较小时，表面积与体积的比值大，吸收物质充分。在此基础上还可以将问题拓展：如吸收情况还与物质的浓度、吸收方式等有关。通过模拟实验的教学使学生懂得了建立模型的基本方法。

4.2 在教学过程中教师应具有构建模型的意识

构建模型作为发现科学事实、揭示科学规律的过程和方法，在科学教育中有重要的意义。在构建模型过程中学生不仅获得一定的知识，还可习得获取知识的方法，提高解决问题的能力。在生物学教学中经常使用的实物模型，如生物体结构的模式标本，模拟模型如细胞结构模型、各种组织器官的立体结构模型、DNA分子双螺旋结构模型、生物膜液态镶嵌模型。它能使研究对象直观化，利于学生理解。不过，在新课程改革以前一直在大量使用模型，却没有提出模型的概念和模型化的方法，这不能不说是一个遗憾。

由于构建模型是新课程中新提出的概念，学生对构建模型原理的理解、具体操作过程感到陌生，需要教师在授课过程中善于引导。如植物光合作用中光照强度和光合作用强度的关系、细胞呼吸强度和氧气浓度关系曲线、植物生长素两重性曲线为数学模型，在使用时应向学生灌输构建模型思想。逐步培养学生构建模型思想和方法。

总之，通过为模拟实验教学提供的理论材料和个案研究结果显示：模拟实验促进学生学习方式的转变。培养学生创新思想、批判性思维、建模思维和建模能力方面具有重要的作用。生物学教师在新课程改革中应该对模拟实验和构建模型的教学予以充分的重视。

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