初中生物模拟实验的设计与实践

对于在教案一线工作的老师们，可能会有一部分老师对于今天我们要共同探讨的“模拟实验”都存在着一定的误区，对于教材中出现的相关模拟实验认识都不是很深，在日常的教案活动中相对于观察实验、探究实验等并不重视，常常为了赶进度忽略它的存在，觉得耽误课堂时间，又不太好管理课堂，不就是让学生动手做手工？或者一起做游戏一样。对学知识没有什么大的帮助。在日常的教案积累中，我也是对初中教材中的模拟实验进行过尝试、改进和逐步探索的过程，今天在这和大家一块来学习，分享我在教案中积累的一点点小经验或者说是小收获吧！也希望在座的老师们也把自己在教案中获得的想法和创新跟大家一起分享一下，相互交流，共同进步。

我校的课题研究的课题是：我们生物教研组针对我们的学科特征，确立的子课题是：。所以在初中生物的各类实验组内老师都在不断地进行探索和研究，不管是探究实验还是观察实验，以至于被老师们经常忽略了的模拟实验，对于初中阶段学生的生物素养以及知识的提高都有着不同的价值和意义。

初中生物模拟实验的研究与教案策略

全日制义务教育新《生物课程标准》中明确提出课程理念是：面向全体学生着眼于学生的全面发展和终身发展的需要；提高生物科学素养；倡导探究性学习，力图改变学生的学习方式，引导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，逐步培养学生收集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力，以及交流与合作的能力等，突出创新精神和实践能力的培养。这一理念的提出，为模拟实验开发与实施创造了良好的条件和氛围。因此，在义务教育阶段对学生实施模拟实验教案不仅仅能让学生学习实验的方法和过程，更重要的是通过实验进一步培养学生探索与发现的能力，最终使初中学生的科学素养得到进一步的提高。

中学生物课程中模拟实验的运用, 是生物学课程改革的一个大胆尝试, 也是转变继承性教案思想, 树立创造性教育观念, 培养具有系统思维, 实践能力和创新精神的复合型人才的一项有力措施。这项措施必将推动初中、高中生命科学教案改革, 有力地促进青少年科技活动的深入开展。将课本中难以理解的内容以及不可能做的实验, 设计成构造模型或者模拟实验, 将抽象的知识形象化, 让学生动手操作, 感悟、体验生物结构和生命运动历程。

一、模拟实验的定义及特点：

1、模拟实验是根据相似性原理通过模拟的方法制成研究对象的模型，用模型来代替被研究对象，模拟研究对象的实际情况来进行实验的研究活动。人教版教材《生物学》八年级上册是这样解释的“在难以直接拿研究对象做实验时，有时用模型来做实验，即模仿实验对象制作模型，或者模仿实验的某些条件进行实验，这样的实验叫做模拟实验。模拟实验也是科学研究中常用的一种方法”。从教育的本质上来说，模拟实验就是利用这些“模拟”的，或者说与研究对象具有某种“相似性”的实验材料，通过开展学生实验的手段，让学生来学习的方法。

2、模拟实验的基本特点

（1）直观性：与直接实验一样，模拟实验具有生动直观的特点。模拟实验还可以将许多抽象的概念、原理转化成直观的现象进行类比，使人们便于理解和接受。

（2）经济性：模拟实验所使用的模型是原型事物的替代物，我们要求它在某些方面与原型具有相似性，在多数情形下，对它的线度、强度、制作精度以及结构的复杂程度等方面都可以降低要求，使之降低造价。尤其是对于教案，我们身边的许许多多的瓶瓶罐罐，都可以在模拟实验中派上用场。

（3）易控性：控制是实验的灵魂，模拟实验含有更多的人为因素，受到自然条件的限制相对较少，因此也就更容易被实验者控制，使实验沿着实验者所设计的方向进行。

（4）广泛性：模拟实验是一种间接的类比性实验，无论是宏观天体还是微观粒子，无论是漫长的过程还是短暂的瞬间，都可以转化成模型进行研究。所以具有十分广泛的应用领域。

3．模拟实验与真实实验的关系

模拟实验不同于真实实验，真实实验过程中能学到实验方法和实验技术，训练实验技能，而在模拟实验的过程中思维活动是必不可少的，这是由模拟实验过程本身的特点决定的，它主要体现在以下三个方面：在实验的准备阶段，选择和建立关于研究对象的物质模型是重要的一步，原型确定之后，要依据原型的特点，按照相似性原理并运用类比推理，选择或建造与原型有结构上相似或功能上相似的事物作为实验模型，选择和构建相似模型是模拟实验的一个极为重要的环节，因为模型与原型之间相似程度越高，则将模型的性质类推到原型上的可靠性就越大；在实验进行阶段，要将模型置于与原型相似的条件下进行，只有这样，才能使从模型上获得的信息能可靠而有效地类推到原型上去；在实验结果处理阶段，要将模型实验的结果外推到实验中去。

因为，如果在用原型客体直接实验不经济、不可能、不适宜或效果不好时，这时模拟实验的优势就突显出来了。它可使事过境迁或稍纵即逝的自然现象或过程在实验室重现,可将现象简化或进行时空的放大、缩小,可对那些既不能打开,又不能从外部直接观察其内部状态的系统进行研究。如模拟膈肌的变化，就很直观，让学生增加感性认识，因此，模式实验与真实实验的关系是相互补充，不可相互替代的。

从教育的本质上来说，模拟实验就是利用这些“模拟”的或者说与研究对象具有某种“相似性”的实验材料，通过开展学生实验的手段，让学生来学习模型方法。所谓“模型方法”是以研究模型来揭示实验，其目的就是要学生通过模型———对象的类似物来认识对象；从实验形式上看，模拟实验似乎不是“实验”，它的操作过程是让学生做游戏或者作手工劳动而已

二．模拟实验教案的设计与实践

模拟实验是一种全新的学生实验。此法应用于生物教案，可使事过境迁或稍纵即逝的自然现象或过程在实验室重现，可将现象简化或进行时空的放大、缩小，可对那些既不能打开，又不能从外部直接观察其内部状态的系统进行研究。特别是解决那些尚无简单有效的仪器可演示的实验，模拟法则成了一种重要的辅助手段[6]。如七年级学生对于细胞的认识，细胞很小，通过显微镜的观察认识到细胞的形态以后，再通过自己制作植物细胞和动物细胞模型，比如液泡的形态应该是什么样的，大小如何，叶绿体用什么来制作（展示图片），

模拟实验是根据相似性原理通过模拟的方法制成研究对象的模型, 用模型来代替被研究对象, 模拟研究对象的实际情况, 来进行实验研究。由于生物学中很多研究对象直接用来实验很困难或者不可能, 因而模拟实验成为生物学中一个重要的方法。根据实验结果的属性及实验过程的感受, 通常也将模拟实验分为现象模拟实验、过程模拟实验、探究模拟实验和仿真模拟实验。在教案实施过程中，我系统归纳了初中生物课程可进行模拟实验教案的渗透点，以小组合作学习为主要形式，在生物课堂开展模拟实验教案，设计了模拟生男生女的奥秘、探究酸雨对生物的影响、模拟保护色的形成过程等多个典型的模拟实验教案案例。

三．模拟实验在生物教案中的教育价值

1．破除学生对科学实验的神秘感

模拟实验说明了生物学实验除了可以用生物材料来做，也可以用非生物材料来做，可以因陋就简、就地取材进行科学实验，这对于学生实验设计时的

发散思维的培养，将大有益处。学生将由此进一步认识到，科学研究工作和科学实验并不神秘，并非高不可攀，通过自己找寻材料，自制仪器设备，拓宽思路，自行设计实验，就能够达到探索科学真理的目的。例如：《生物学》八年级下册第二章第四节“人的性别遗传”一课，课后练习中有这样的一道题“有些人认为：生男还是生女的责任全在女性。你认为这种想法科学吗？为什么？”在现实生活中，学生不可能亲眼看到精子和卵子的结合过程，那怎样让学生理解精子的性染色体的两种类型，含X染色体的和含Y染色体的，它们与卵细胞结合的机会均等呢？结合对教材的研究与理解，我引导学生设计“探究生男生女机会均等”的模拟实验。我用围棋（非生物材料）来代替生殖细胞来开展实验，①把全班学生按照自主学习小组分成8组进行实验。②一个同学从装有“精子”的容器中随机摸出一粒“精子”，另一个同学从装有“卵子”的容器内摸出一粒“卵子”，放在一起代表受精卵内含有性染色体的种类（或男或女），并把结果记录下来。③每组重复20次操作，统计本组实验结果中出现黑白棋子代表的男女的比例。

学生经过模拟探究精子和卵子结合来探究男女性别的问题，简单的模拟给学生留下了深刻的印象，了解到如果在人为因素不干扰的情况下，自然界男女性别比例是接近1：1的，收到了很好的教案效果。

1．2能重现时过境迁的自然现象

模拟实验能将自然现象进行放大或缩小等优点。在科学实验中，应该说，有时只能模拟，不能“实战”。特别是科学研究课题，由于自然历史条件的变迁，只有经过模拟，才有可能进行研究。例如，人教版8年级（下）生物第七单元第3章“生物的进化”——模拟保护色的形成过程。众所周知，生物进化是一个漫长的过程，它需要经过几百万年甚至是上亿年的演变。即使在人为因素的影响下，有些进化现象在比较短的时间就发生了明显的变化。如发生在英国曼彻斯特的桦尺蛾体色变化与环境有关的例子也需要上百年的考察。为了让学生在较短的时间内了解保护色的形成过程。在教案过程中，我们可用“纸片、泥球”模拟猎物，“彩色的布料、泥土堆”模拟环境，小组成员模拟捕猎者的方式进行模拟保护色的形成过程的探究活动。让学生从感性上认识生物进化的过程和原因，掌握生物研究的一种方法。在整节课的教案过程，我恰到好和处地把握住主导作用，激发学生的学习兴趣，使学生积极参与探究实验活动，科学地分析实验结果，主动获取知识。并对于教材上提供的实验材料尝试做出相应的改进，目的是让对照组和实验组的同学比较用不同的实验材料来探索到底哪个实验效果更佳。

1．3寓教于乐，激发学生兴趣，促进学生自主学习

俗话说“兴趣是最好的老师”。模拟实验具有寓生物学知识学习、探究于游戏之中的性质。这样的实验，既体现了生物学知识的科学性，又符合学生的认知发展规律，是一种促进学生身心健康发展的好形式。因此，能够大大地激发学生学习生命科学的兴趣，使学生学习的积极性、主动性得以提高。

2．模拟实验的定位

模拟实验是一种间接的实验，它是直接实验的一种补充。通常情况下，我们偏爱直接实验，只有在用原型客体直接实验不经济、不可能、不适宜或效果不好时，才考虑用模拟实验。此外,模拟实验是对研究对象的一种类比，实验的结果要反推回到研究的事物上，在反推的过程中，要进行合理地转化处理，而不能机械搬用，否则会弄巧反拙。

2．1模拟实验科学性的把握

模拟实验有其积极的一面，如由于受地域或季节条件限制而无法获取实验材料进行实验时，或者对于某些实验现象不明显时使用模拟实验确实有其积极的一面。但是作为老师在课堂上对于模拟实验的把握是很重要的。曾经我在上人教版《生物学》七年级下册第四单元第七章“模拟酸雨对生物的影响”，我们主要模拟的是酸雨的PH值，在实验室我们是用食醋混合清水把PH值控制在小于4的范畴内，食醋的成分是CH

3

COOH；模拟酸雨实验中包含的反应过程较简单，而实际的反应过程远比模拟实验中的复杂，是排放到空气的废气中含

SO

2、NO经过氧化、与水反应后的产物溶于水的结果。酸雨中通常含有H

2

SO

3

、

H 2SO

4

、HNO

3

。还有一点较大的区别就是所用水的pH值，由于普通雨水中溶了一

部分的二氧化碳，呈弱酸性；而实验室用的是蒸馏水。结果上可能会有一定的不同。一般来说模型与实验对象的相似程度越高，实验的效果越好。

生物学实验中现象不明显或不宜操作等问题是实验发展的主要障碍, 对于这些实验在传统的教案中一般只作介绍, 至多不过看看录像, 根本不能满足学生的好奇心和求知欲。如果这些实验能在实验室加以模拟, 则不仅可激发学生探求生物奥秘的浓厚兴趣, 还可加深对有关知识的理解。

与此同时，模拟实验还可以解决不能或不便用直接实验方法解决的难题，将模型的实验结果类推到实验对象，以揭示有关的事实或规律，这样可以提高效率，大大节约资源、资金和时间。因此我们把初中《生物》中的一些实验根据不同的目的和要求设计了不同的模拟实验方法, 使实验现象更明显, 操作更简单, 也便于学生对实验更深人理解。

义务教育课程标准实验教科书人教版《生物学》八年级( 上册) 第一章第一节有一个探究实验《探究鱼鳍在游泳中的作用》，并在教材中首次出现了模拟实验的定义。在教案实施过程中，我用模拟实验做了以后还辅助了动物实验采用了气球、硬塑料片等实验材料来模拟探究尾鳍在游泳中的作用；采用了鲤鱼、小木板、橡皮筋、绳子等实验材料来进行相关的探究。如果只用气球等模拟小鱼实验缺乏真实感，并且在实验过程中采用模拟探究仅能探究尾鳍在游泳中的作用；而采用真实的鱼来做进行补充观察实验，学生通过对实物的观察、触摸等，使学生获得丰富的感性认识，并留下深刻的记忆。如：鱼的外形呈梭形，可以减少在水中游泳时的阻力；鱼的鳞片能分泌黏液，能有效地逃避敌害和减少在水中游泳时的阻力；鱼在游泳时，靠各种鳍的协调作用在水中运动，并通过捆扎不同种类的鱼鳍探究得知：鱼在游泳时靠躯干部和尾部的摆动来产生前进的动力；鱼的尾鳍可以产生前进的动力，同时还可以决定运动的方向；胸鳍或腹鳍起平衡的作用，同时胸鳍还有转换方向的作用；背鳍对鱼体的平衡起着关键的作用,防止身体侧翻等等。

模拟实验即模仿实验对象制作模型，或者模仿实验的某些条件进行实验。在难以直接拿研究对象做实验时，有时用模型来做实验，如“M勒”实验，模拟实验它的操作过程就像是让学生做游戏，或者作手工劳动而已。模拟实验过程主要包括以下三个步骤:1、选择和建立研究对象的模型；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。

模拟实验具有如下优点:让学生亲身参与科学探究的体验；在模拟实验过程中学生学会了合作与分享；模拟实验教案关注学生学习过程和方

法,改善了学生的学习方式；模拟实验教案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；且花费少，简单，易于操作，能够很好的说明问题的根本原因。模拟实验缺点是：准确度不高，制作模型比较困难；实验中难以完全表现真实情境。在实验教案过程中，容易发生主观原因导致的错误，作为教师必须要考虑到教案过程中可能出现情境，尽量避免实验教案中的不利因素，达到教案目的。进行模拟实验过程最好做到先整体，再局部，强化某些特点，别把简单的问题复杂化，注重实验原理过程的讨论。