合理运用类比推理构建生物模拟实验

合理运用类比推理构建生物模拟实验

生物学是一门实验科学，在研究工作或实验中，由于受到主、客观条件的限制，研究对象不能或不允许进行实际实验，为了取得对研究对象的认识，可以通过模拟的方法制成研究对象的替代物，然后通过在替代物上进行实验，模拟研究对象的实际变化情况，这种实验称为模拟实验。其中实际存在的研究对象叫原型，相应的模拟实验原型制成的替代物叫模型。模拟实验不等同于实际实验，它是依据原型的特点，根据相似性原理，运用类比法，构建实验模型，模型上获得的信息最终还要有效地类比推理到原型上。由此可见，类比推理方法在构建生物模拟实验中的重要作用。

“类比”一词，出自逻辑学。它有2层含义：一是比较；二是类比推理，又称类比法，是根据2个对象在许多属性上相同，便推导出它们的其他属性也可能相同的一种推理方法。在中学生物学学习中，运用类比方法，将陌生的对象与熟悉的对象相比较，用类似的事物比拟被说明的概念或理论，给这些陌生抽象的概念、规律赋予间接的直观形象，有利于启发学生思维，化难为易，从而使学生获得鲜明、生动、完整的新概念、新理论。

1模拟实验的特点

模拟实验不同于实际实验，具有2个鲜明特点：

1)模拟实验与一般实际实验不同，参与模拟实验过程的不是研究对象本身，而是与研究对象相似的模型，实验工具只能直接作用于模型而不能作用于原型。

2)模拟实验的模型是原型简化形成的，但又同原型具有某种相似关系，因此可以将模型的实验结果类推到原型上去，再通过中间实验和现场实验进一步检验，从而揭示研究对象的本质和规律。

2模拟实验的作用

模拟实验作为一种重要研究方法，在生物学研究领域和生物学实验教学中运用广泛，作用巨大。

1)针对实验客观上无法进行，模拟实验可以满足人们探求生物学未知领域的需要。

①运用模拟实验，可以使人们对研究对象在空间上或在时间上极为遥远、已经时过境迁的自然现象进行实验研究。例如，地球上生命的起源距今已有几十亿年，而且从此不再有自然发生生命现象的可能。1953年，美国科学家米勒在实验室内首次模拟原始地球在雷鸣闪电条件下将原始大气中可能存在的气体，合成了原先不存在的各种氨基酸等有机小分子。米勒的模拟实验被认为是开创了生命起源研究的新途径。

②运用模拟实验，可以使人们针对涉及范围广泛的研究对象，或者存在和发展时间很长的生物现象进行实验研究。例如，自然选择和生物进化经历的时期极其漫长，人们在有限的生命周期里进行实际实验探究它们的过程和原理几乎是不可能的。可以让学生模拟小鸟在规定时间内从草地上找出不同颜色的虫状橡皮泥，从而探究自然选

择的过程和原理。

针对实验主观上不允许或不易进行的特点，模拟实验可以达到人

们预期的实验效果。

④研究对象在宏观上比较大，实验现象不能或不易显现。例如，探究生态系统的稳定性。地球上的生态系统一般较大，改变其中的某一因素观察它对生态系统的影响，一是有的实验手段不易操作，实验现象不明显；二是有的实验手段不能操作，否则会造成对生态系统相当大的破坏性。可以设计模拟实验，制作生态瓶模型用于观察生态系统的稳定性。

②研究对象取材困难，过程不宜操作，实验现象不甚明显。例如，血型鉴定的实验，对初中生而言，鉴于取血不宜操作，并会造成安全和健康的隐患，以及凝结现象不甚明显的原因，可以选用其他材料代替不同类型的血液和血清进行模拟血型鉴定的实验。

2)当研究对象是人时，不能直接用于实验，运用模拟实验可以保证安全和健康。在苏教版初一生物学下册教材中有许多以人为研究对象的教学活动。例如，探究酗酒和吸烟对人体心脏等器官的危害，在教学中不可能直接以人为研究对象进行实验，可用水蚤做模型，代替人做酒精和烟草浸出液的危害实验，模拟酗酒和吸烟对人体危害的实验。这样既能保证安全和健康，又能达到实验目的。

4)模拟实验可以简化实验，提高学生思维等能力。运用模拟实验，可以使实验化繁为简，将复杂的实际问题转化为理想的简单问题，用简易的实验操作使实验现象更加明显，使学生对实验目的更加深入了解。同时，模拟实验需要运用类比方法制作模型，它是科学性和假设(定)性的辩证统一体，所以在进行模拟实验探索生物学知识的过程中，

可以提高学生的辩证思维能力、类比思维能力及假设能力。

鉴于模拟实验在生物学研究和教学中的巨大作用，一线广大生物学教师在教学过程中，针对实际实验无法进行的现状，应积极主动地创造条件，合理运用类比推理，构建生物模拟实验，对培养学生的生物科学探究能力和科学实践能力将会起到积极的推动作用。

3合理运用类比推理，构建生物模拟实验的措施

3．1 依据对象仿真类比，进行模拟实验

根据原型的本质特征，运用类比法，采用时间和空间上放大或缩小了的对象，构建成实验模型将实验现象直观表达出来的实验方法。例如，模拟制作小生态瓶可以用于探究生态系统的稳定性。找几个空罐头瓶，分别装入相同的适量的泥沙、水、几株水草、一定数量的鱼虾、蟹、贝类等，制作成一个小型生态瓶。这种生态瓶就是一个密闭的人工生态系统，可以作为天然生态系统的模型。如果选择探究光照对生态系统稳定性的影响时，可以这样设计对照实验：将甲生态瓶置于温度为20～30℃、有光照的环境中，作为对照组；乙生态瓶置于温度为20—30℃、黑暗的环境中，作为实验组。在一定时间内定期观察甲、乙2个生态瓶中动、植物的生存状况和存活时间的长短，从而得出光照是维持生态系统稳定性的重要条件。

3．2依据实验过程类比，进行模拟实验

实际实验过程漫长复杂、不易操作，可以用易于控制、过程简化，又能反应其本质特征的简易实验材料设计的一种模拟实验方法。例如，前面提到的用红、绿2种颜色的虫状橡皮泥“模型”代表生存在绿地

中的昆虫，然后让学生作为鸟的“模型”，在规定的时间内从草地中找回这些虫状橡皮泥，最后统计哪一种颜色的虫状橡皮泥找回的多。通过该模拟实验，让学生初步体验食虫鸟类捕食昆虫的过程，从而使学生理解保护色的作用及自然选择的生物学原理和过程。

3．3依据实验现象类比，进行模拟实验

用简单的实验方法，方便的实验材料，明显的实验现象模拟难操作、难取材和现象不明显的实验。例如，血型鉴定的实验，鉴于取血不宜操作，并会造成安全和健康的隐患，以及凝结现象不甚明显的原因，可以改做为模拟血型鉴定的实验。用豆浆、淀粉液、纯净水分别模拟A型血、B型血、O型血，用豆浆加淀粉液模拟AB型血，用碘液、鲜橙汁分别模拟A型血清、B型血清，然后进行配型实验，这样就很容易操作，实验现象非常明显。其中，“无沉淀”现象类比为“无凝集”现象，“蓝色或橙色沉淀”现象类比为“有凝集”现象。实验现象见表l。

通过模拟血型鉴定实验，学生既掌握了血型鉴定的原理，又锻炼了动手能力。

3．4依据其他知识类比，进行模拟实验

自然科学分科庞杂，生物学只是众多学科之一，对于生物学中

有一些较为抽象的生命生理知识，可以利用学生已学过的或比较感兴趣的其他学科的知识进行类比，构建模型，进行模拟实验，可引起学生对自己能力的肯定，从而提高学习兴趣，帮助学生理解一些生物学现象和生命过程。例如，学习近视形成的原因及对策，可以利用物理学有关透镜的知识通过模拟实验进行探究。如图1(a)所示的凸透镜看作是眼睛的晶状体，光屏看作是眼睛的视网膜，移动蜡烛，使烛焰在光屏上成清晰的像，并准确标出光屏的位置。换上一个比较厚的凸透镜，这时光屏的像变得模糊，这就是近视眼所看到的像，如图1(b)所示。再用另一光屏从原光屏处慢慢向前移动，直到找出一清晰的像，如图1(C)所示。说明近视眼形成的原因就是眼球的晶状体凸度过大(或人的晶状体前后径过长)，人眼经过调节晶状体的厚薄后，光屏上的像仍不清楚，远处的光线形成的物象落在视网膜的前方，因而看不清远处的景物。在凸度较大的凸透镜前给它“戴”上凹透镜(近视眼镜)，则烛焰能在“视网膜”上成清晰的像，如图1(d)所示，所以近视缺陷可以通过配戴合适的凹透镜加以矫正。通过此模拟活动，则可非常清楚地探知近视形成原因及佩戴近视眼镜加以矫正的原理。

以上若干措施，实践证明教学效果显著。当然，模拟实验不等同于实际实验，模拟实验过程中所运用的实验方法、技术、技能训练与实际实验有较大的差异，学生不能获得相应的感性认识，不利于培养相应的实验技能；根据模拟实验得出的结论，其可靠程度需要进一步检验。同时，也要防止滥用模拟实验，忽视实际实验，在探求生物学知识的活动中应提倡尽可能进行实际实验，只有对那些人们在客观或主观上很难直接控制和改变的实验对象，可实施模拟实验。在教学中将实际实验和模拟实验有机结合，方能相得益彰，事半功倍，取得最佳的教学效果。