模拟试验在高中生物教学中的探索研究-大朗中学

大朗中学中（小）学、幼儿园学校领导签名：作者邢赟内容分类论文题目模拟实验在高中生物教学中的探索出处2007年7月获东莞市教育局教研室论文三等奖联系电话84371846电子邮箱Xy33004@163.com论文内容摘要（200字以内）高中《生物》新教材与旧教材相比,有一个显著的特点,就是大大地提高了对学生实验能力培养的要求。尤其是增加了模拟实验这一全新的学生实验,这一重要的科学研究方法。从实验形式上看,模拟实验似乎不是“实验”,它的操作过程就像是发生在人们日常生活中的一件事情那样平平常常,只不过是让学生做游戏,或者作手工劳动而已。模拟实验过程不同于一般的直接实验,主要包括以下三个步骤:1、选择和建立研究对象(原型)的模型;2、将模型置于与原型相似的条件下进行实验;3、将模拟实验的结果类推到原型上。本人通过对模拟实验的实践研究，改善了学生的学习方式；进行了科学方法的训练,形成解决问题的良好思维习惯。注：“内容分类”栏作者不必填写10 模拟实验在高中生物教学中的探索邢赟高中《生物》新教材与旧教材相比,有一个显著的特点,就是大大地提高了对学生实验能力培养的要求。尤其是增加了模拟实验这一全新的学生实验,这一重要的科学研究方法。从实验形式上看,模拟实验似乎不是“实验”,它的操作过程就像是发生在人们日常生活中的一件事情那样平平常常,只不过是让学生做游戏,或者作手工劳动而已。模拟实验过程不同于一般的直接实验,主要包括以下三个步骤:1、选择和建立研究对象(原型)的模型;2、将模型置于与原型相似的条件下进行实验;3、将模拟实验的结果类推到原型上。本人通过对模拟实验的实践研究，改善了学生的学习方式；进行了科学方法的训练,形成解决问题的良好思维习惯。关键词生物教学模拟实验模型探究1问题的提出在以往的中学生物学教材以及有关的教学参考资料中，还从来没有涉及过模拟实验。可见，以往这类实验在中小学教育教学中并没有引起人们应有的重视。在Google搜索中键入“生物模拟实验”，在所搜索的结果中真正与高中生物教学相关的文章几乎没有，可见前人对模拟实验这方面的研究是非常少的。以往的学生实验，都是“真枪实弹”的，一提起生物学实验，人们就会联想到生物材料，联想到显微镜、试管和药品，联想到解剖器、培养皿等等，但是，现在呈现在我们面前的模拟实验却不同。从实验形式上看，模拟实验似乎不是“实验”，它的操作过程就像是发生在人们日常生活中的一件事情那样平平常常，只不过是让学生做游戏，或者作手工劳动而已。新教材的学生实验中出现的模拟实验有：实验十二制作DNA双螺旋结构模型，实验十三性状分离比的模拟实验。这些实验，其操作方法简单，看似一目了然，且这些实验中所使用的材料，都是“非生物材料”，如硬塑方框、不同形状的塑料片、不同颜色的火柴棒和彩色塑料球等等。2模拟实验的一般过程模拟实验具有三个特点，决定了模拟实验的实验过程不同于一般的直接实验。那么，该怎样进行一个模拟实验呢？10 2.1选择和建立研究对象（原型）的模型无论是直接实验还是模拟实验，实验之前都在明确实验目的和实验原理，配齐实验仪器和设备等。除此之外，模拟实验还有一个重要步骤，那就是要选择原型，然后依据原型的特点，按照相似性原理并运用类比推理法选择或建造与原型在结构上相似或功能上相似的事物作为实验模型，在此基础上再对模型进行实验。建立科学和正确的模型，这是进行模拟实验的基础，是实验成败的关键，这也是由模拟实验的特点所决定的。下面结合实例加以说明。众所周知，绿色植物堪称为“自动的空气净化器”，能吸收CO2和放出O2，这是地球上所有动物和人类赖以生存的基本前提，因而有些园艺爱好者习惯于夜晚临睡前在自己的卧室内摆放较多的绿色盆景，以提高室内O2含量。你认为这种做法是否恰当？为什么？请利用下面提供的实验材料和用具设计一个简单的实验来证明你的观点。实验材料和用具：校园内的桂花树、广口瓶、火柴、纸张。上述实验所呈现出的画面就是本实验的原型，我们要根据原型建立模型：根据题目提供的材料用具，可以用一个封闭的广口瓶来模拟园艺爱好者的卧室；但不能用整棵桂花树来模拟园艺爱好者的盆景，因为广口瓶太小，容不下整棵桂花树，看来要用活的桂花树的树叶来模拟画面中的盆景；题目中没有实验动物可以用来模拟园艺爱好者，只能通过纸张的燃烧情况来检验O2的含量变化。一个封闭的广口瓶，瓶内放入一些新鲜的桂花树叶片，用燃烧的纸张来检验O2的含量，研究对象的模型就这样建立起来了。由于要进行对比实验，所以还要一个相同的装置，并放入与装置一中同样多、大小相同的晒干的桂花树叶片，以便进行对照。2.2将模型置于与原型相似的条件下进行实验10 严格控制模拟实验条件，要让模型与原型所处的条件尽可能相同或相似，只有这样，才能把从模型上获取的信息可靠、有效地类推到原型上去。例题中的原型是在黑暗的卧室中，没有灯光，因此我们要把两个装置（即模型）放在暗处大约24h。2．3将模拟实验的结果类推到原型上观察实验现象，根据实验结果分析并得出实验结论，这是科学实验的几个重要步骤。但对于模拟实验而言，在结果处理阶段，除了要对模型实验的结果进行分析、处理之外，还要将模型实验的结果类推到原型上去上题的实验结果是：将纸张制成可燃的纸棒，24h后，用火柴点燃纸棒，分别伸入两个广口瓶中，装置一中的纸棒很快熄灭，装置二中的纸棒能燃烧较长时间。实验表明：装置一中的O2的含量低，而装置二中的O2的含量较高。由于模型与原型具有相似性，并且模型所处的条件与原型所处的条件基本相同，因此，我们可以把模拟实验的结果类推到原型上，得出结论，即夜晚临睡前，园艺爱好者在自己的卧室内摆放较多的绿色盆景，室内O2的含量不仅不会提高，反而会下降。究其原因，是由于在黑暗的卧室内，绿色植物不能进行光合作用制造O2，但此时植物细胞仍要进行有氧呼吸消耗室内O2，致使室内O2含量下降。因此，园艺爱好者的做法是不恰当的。通过上述模拟实验，我们解决了看似复杂的实际问题。3、模拟实验教学内容的延伸高中教材中至少还有以下几处知识点可以用模拟演示实验。3.1有丝分裂有丝分裂是高中生物教学中的重难区段。是减数分裂、遗传的物质基础、遗传的基本规律的基础。在传统的接受式学习和经典的生物学实验之后，我们感到学生对有丝分裂有了一个初步的认识。但对有丝分裂还存在很多认识上的误区，突出表现在把运动的过程理解为静止。不能从本质上理解遗传物质的数量和行为变化，具体教学过程：(1)以间期模拟实验为突破口，引入必要基本概念，以教师的想象力激活学生的想象力。(2)10 班级分成五人一组的合作小组要求每个小组模拟一种生物，每人制作一个时期，五人要求连续，从组织上使学生既有分工又有合作。(3)材料可以因陋就简，鼓励废物利用，重创意，重遗传物质的数量变化和行为变化。(4)实行小课题长作业，随作随交，随堂展示。自评、互评相结合，评出自信、评出希望、评出智慧。(5)教师要十分重视对第一组首幅作品的评价，多欣赏学生。鼓励学生为改进继续努力，使它成为活动深入开展的导火索。通过这次自主、合作、探究式的模拟实验，使学生体会到一种全新的学习方式，从单一到合作，从被动到主动，从接受到探究。让学生在有幸福的体验中建构知识和获得能力。3.2减数分裂减数分裂过程是遗传的基本规律的基础，也是高中生物教学中的重难点。在开展有丝分裂模拟实验的基础上，我们继续开展减数分裂的模拟实验还比较顺利，过程与上类似。引导学生主动探索减数分裂与有丝分裂的异同点。3.3细胞膜结构模拟为了对生物膜的分子组成和空间结构有更形象的认识。我们想不妨试做一个流动镶嵌模型。用包裹中药丸的球形蜡质盒做磷脂分子的头部。去掉药盒表面的腊壳，用解剖在盒子两半的扣合处打两个孔，穿过铁丝或电线，使铁丝或电线成为磷脂分子的尾部。再在盒子扣合处以及与盒子扣合处相垂直的方向打上两组孔（每组两个孔）。每一个盒子都这样做。用较长的铁丝把盒子穿起来，并扣上两半盒子，排列在一个水平面上，这就做好了“磷脂单分子层”。用同样的方法再做一个“磷脂单分子层”，这样就做成了“磷脂双分子层”。用什么材料做蛋白质呢？可以收集废旧包装材料，如包装电器的硬质泡沫塑料，它很容易被你加工成需要的形状。一些“蛋白质”可以“漂浮”在膜的两侧，另一些可以“嵌入”或“贯穿”膜。可以用贯穿膜的“蛋白质”10 来帮助固定磷脂双分子层，穿铁丝的时候把它们穿上就是了。鼓励学生广泛地利用各种材料，征采各种创意，培养学生的实践操作能力和创新意识。3.4染色体结构模拟染色体与染色质的关系，是学习遗传物质基础的前提，也是细胞增殖中的遗传物质行为变化的基础。我在教学中采用了模拟的方法，向学生们展示了染色体的组成及其与染色质的关系。用各种颜色的毛线来模拟染色质，为了表示出同源染色体，我分别选了4种颜色，每种颜色2根且大小长短要一致。用泡沫塑料制成小球状分散在“染色质”上来模拟蛋白质。在此基础上，可以进一步模拟分裂间期染色体上DNA的复制及染色质高度螺旋成染色体的过程。3.5演示“细胞增殖和细胞分化”取一个透明小桶和180个左右的乒乓球（100个白色球，其它种颜色的球各为20个）。先演示细胞增殖：向小桶内放入一个白色球（代表受精卵），而后演示细胞增殖的数目。重点演示前四次；第一次加一个白色球，第二次加两个白色球，第三次加四个白色球，第四次加八个白色球，随后将剩下的白色球全部倒入小桶（代表若干次分裂的数目）。接着从小桶中取出白色球：每次从桶内取出白色球20个后，再换入数量相等且颜色相同的彩色乒乓球（最好用透明塑料薄膜袋把同一色彩的球状装在一起。注意：袋子稍大一些、袋口扎的松一点，演示效果会更好）。重复上述过程四次后，小桶内有五种颜色相对集中的乒乓球，这便演示了细胞分化的过程。3.6基因控制蛋白质合成过程基因控制蛋白质合成过程也是高中生物教学中难点，教材介绍的内容很少，这又是微观世界发生的复杂过程，用光学显微镜也是无法观察到的。以前，我们的讲解只能是结合大学教材，挂图，通过板图来体现这一过程，但总是感觉无法讲得透彻。今年我尝试了模拟的方法来展现这一过程。首先在黑板上画出发生在细胞核内转录过程，由学生来模拟翻译过程。老师预先要准备好64张密码子卡片，及64张反密码子卡片，2010 种氨基酸卡片（每种氨基酸可由剪成不同形状的纸板来表示）。引导学生会用密码子表后，发给学生每人一张反密码子，让全班学生模拟细胞中转运RNA（tRNA）的作用，既识别密码子、携带氨基酸。在每个学生明确自己的任务过程中，我们会发现有终止密码子、起始密码子的存在。在愉快的氛围中，掌握了重点知识。具体模拟翻译的过程是这样：(1)教师在黑板画出核糖体这一蛋白质合成场所，并画一条线来表示mRNA，首先,在mRNA上给出其上的第一个密码子。学生们对照密码子表，会有一名学生发现自己手持着该密码子的反密码子卡。这一名学生扮演的tRNA（手持相对应的反密码卡）去寻找他所要运输的氨基酸，并把该氨基酸送到核糖体中的指定位点。(2)教师在黑板上再给出第二个密码子，由另一名学生发现并手持与第二个密码子相对应的反密码子卡，去寻找他应该携带的氨基酸，并送核糖体中的特定位点。(3)教师来模拟在核糖体中发生的氨基酸脱水缩合反应，在黑板上已有的两个氨基酸之间生成一条肽键。同时将核糖体向前移一个位点，并再贴出第三个密码子。(4)重复二、三步骤(5)当肽链延长到十多个氨基酸位置时，由教师给出终止密码子，以结束翻译过程。实践证明模拟实验，能够让学生切实体会到了发生在细胞内部的微观世界，并大大调动了学生参与课堂教学的热情，学习的积极性、主动性空前高涨。3.7演示“标记重捕法”取一只普通的透明塑料桶，装入半桶白色乒乓球（约200个）。先从小桶中取出30个白色小球，并换入30个黄色乒乓球（标志球），然后用手将球充分搅混，使黄色球与白色球充分混合。随后，演示者闭上眼睛，从小桶中随机取出一个小球，然后把小桶中的小球搅混，再闭上眼睛取出一个小球……，如此连续取出20个小球。接下来观察取出的20个球中黄色球与白色球的比例，就可以估计小桶中黄色球、白色球的比例。若取出的20个球中有310 个黄色球，则可根据下式估算：3：20=30：X，X代表小桶中原有的白色球，解得X=200。按上述方法，重复测算3-4次，求平均值，最后再把小桶中的白色球（包括随机取出的白色球）数一数共有多少个，记录下来，对比一下上述计算值与实际白色球数是否相近。应说明的是：在此类模拟实验中，取样必须随机，不加选择，且每次取样后应该把材料充分混合后再次取样。3.8演示“自然选择”对基因频率变化的影响用乒乓球的颜色和数量来表示控制桦尺蠖的体色的基因和频率，环境的变化分别用黄色和白色纸板来表示。演示时，先把透明的塑料小桶放在白色纸板前面，随后分别向小桶内投放190个白色球和10个黄色球（代表19世纪曼彻斯特地区控制桦尺蠖体色基因a-A出现的频率），充分混合后，把白纸板换成黄色纸板（表示环境的变化），每次拿出两个白球（表示不适者被淘汰的个体），再向小桶内添加两个黄色球（纯合子）或一个黄色球和一个白色球（杂合子）。随着拿掉的白色球数目的增加，同时加入两个黄色球的机会也相应增加。与此同时，小桶中的白色球数量逐渐减少，黄色球的数量逐渐增加，这样连续操作近60次，小桶中黄色球的数量达到190个左右，而白色球只剩下10个左右。就是说，A基因频率达95%。从而演示了“自然选择决定了生物进化的方向”。4.模拟实验在高中生物教学中的结论4.1模拟实验教学让学生获得知识的直接经验和亲身参与科学探究的体验生活的边界就是教育的边界，生活的范围就是课程的范围。模拟实验教学努力贴近学生社会生活、走进学生的现实生活，扩大了学生的知识接触面，使学生从直接经验中学习，在各种实验活动中获得多种多样的直接经验。如果学生获得的知识既不来自生活实践，也不在完成后直接回到实践中去，认识则会成“无源之水，无本之木”10 。模拟实验让学生把知识综合运用到科学探究的实践中去，将理论与实际结合起来，亲历运用知识，获取知识，解决问题的过程，获得深切的体验，从而产生积极情感，进而激发科学探究的欲望。4.2学生在模拟实验活动中学会了合作与分享合作的意识和能力是现代人应当具备的基本素质。模拟实验为学生提供了一个更有利于人际沟通与合作的良好空间。小组成员之间分工合作，开展平等的讨论交流，以合作手段取得集体的成功，各成员的努力结果相互依存，成为整体的重要部分。此外，学生与学生之间小组与小组之间、学生与教师之间、学生与家长或社会之间也进行了积极的交往与合作。这无疑对于学生学会交流和分享研究的信息、创意及成果，养成乐于合作的团队精神是十分有利的。4.3模拟实验教学关注学生学习过程和方法，改善了学生的学习方式传统的课堂知识教学更多关注的是学习的结果，而忽略了学生是通过什么样的学习方式和策略来学习的。传统学习方式把学习建立在人的客体性、受动性、信赖性的一面上，使学生学习书本知识变成仅仅是直接接受书本知识，学生学习成了纯粹被动地接受、记忆的过程。加强实验教学改变了学习内容的呈现方式，改变了长期的灌输式学习，也转变了学生他主性、被动性的学习状态。在活动中、实验中，学习内容以问题形式间接呈现出来。学习成了不断提出问题、分析问题、解决问题的探索过程。从而学生的学习方式具有明显的主动性、体验性、问题性等。从根本上说，这种学习方式更符合现代学习方式，更适合在素质教育及课程改革浪潮形势中学生对学习方式的要求。4.4模拟实验能对学生进行科学方法的训练，形成解决问题的良好思维习惯问题解决的过程一般分成四个基本阶段：发现问题和认识问题——分析问题和明确问题——提出假设——检验假设——做出结论。大多数生物学实验（尤其是实验设计是探索类实验）都体现了“问题——假设——实验——结论”10 的科学研究的基本过程，这一过程与问题解决的过程相似。模拟实验既是进行科学方法教育的重要途径，而且又有利于帮助学生掌握这种发现问题、思考问题、解决问题的一般方法。参考文献[1]高凌飚,梁爽提倡“互动---发生式”教学课程•教材•教法，2003,(9):19-23.[2]张楚庭课程的“五工”构想课程•教材•教法，2003,(11):5-9.[3]赵占良试论提升学生的生物学理解力课程•教材•教法，2003,(1):58-61.[4]《走进高中新课程》编写组走进高中新课程华中师范大学出版社，2004，1.[5]汪忠生物新课程教学论高等教育出版社,2003，7.[6]刘恩山主编中学生物教学论高等教育出版社，2003，8.[7]刘水明模拟实验及其在生物教学中的应用中学生物教学，2005，1-2.10