模拟实验及其在生物教学中的应用，本文主要内容关键词为：生物论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、模拟实验
生物学是一门实验科学，科学实验是探索生命现象的奥秘，揭示生物体生命活动规律的一种重要方法。但是，有些科学实验由于受到一些特殊因素的制约，不能或不许直接对研究对象进行实际实验。在这种情况下，为了获得对研究对象的认识，以揭示其本质和规律，我们可以通过模拟的方法制成研究对象的模型，然后模拟研究对象的实际情况，在模型上进行实验，这样的实验就叫做模拟实验。
生命科学史上曾有过许多著名的模拟实验，如1953年，美国学者米勒等人模拟原始地球条件，在实验室内用甲烷、氨、氢、水蒸气等物质制成了氨基酸等有机物，从而证明了生命起源过程的第一阶段是完全能够发生的；又如，为了深入研究生态系统的结构和功能，美国科学家于1984年开始兴建一个完全封闭的生态实验室。由于这个实验室是模拟生物圈的结构和功能而建造的，因此叫做“生物圈2号”。1993年1月，8位科学家进入这个实验室进行实验。上面所举的两个例子说明，模拟实验是进行科学研究的一种基本方法。
二、模拟实验的特点和一般过程
同直接实验相比，模拟实验具有如下特点：(1)模拟实验直接作用于模型而非实际的研究对象（原型）。(2)模拟实验根据的是相似性原理：模型和研究对象之间具有相似性，模型所处的实验条件与研究对象所处的实际条件也是极为相似的。(3)要运用类比推理的方法，将模拟实验的结果类推到原型上去，以揭示研究对象的本质和规律。正是由于这3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。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
和放出
，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，以提高室内的含量。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。
在阅读题目时，在我们的脑海中一定会浮现这样一幅画面：
夜晚，在一间较为封闭的卧室内，摆放着很多绿色盆景，室内没有灯光，一名园艺爱好者正在睡觉。此时室内的含量是否一定比不放绿色盆景时高呢？要想回答这一问题，必须进行对比实验，测定两种情况（放绿色盆景和不放绿色盆景）下的含量。然而在真实场景下进行直接实验不易控制实验条件，得到的结果没有说服力。因此，我们只能利用题目提供的实验材料和用具，做一个模拟实验，根据模拟实验的结果回答问题。那么，该怎样进行这个模拟实验呢？
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，实验之前都要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。
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，只能用纸张的燃烧情况来检验的含量变化。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，所以还要有一个相同的装置，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.将模型置于与原型相似的条件下进行实验
严格控制实验条件，要让模型与原型所处的实验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地、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。
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。但对于模拟实验而有，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：将纸张制成可点燃的纸棒，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：装置一中的含量低，而装置二中的含量较高。
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，园艺爱好者在白己的卧室内摆放较多的绿色盆景，室内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，但此时植物细胞仍要进行有氧呼吸消耗室内，致使室内含量下降。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。
三、模拟实验在生物学教学中的应用
1.利用模拟实验培养学生的科学思维能力和科学探究能力
随着教育改革的不断深入及新课程标准的逐步实施，对学生的科学素养和科学探究能力的培养被摆在了日益重要的位置。现行高中《生物》新教材（必修）本中共安排有12个必做实验，其中的实验十“制作DNA双螺旋结构模型”是要通过制作DNA双螺旋结构模型，加深对DNA分子（原型）结构特点的理解和认识；实验十一“性状分离比的模拟实验”就是一个模拟实验，该实验的目的是要通过模拟实验，使学生认识和理解基因的分离和随机结合与生物性状之间的数量关系，有利于训练学生的科学思维能力；实验十二“观察
对植物的影响”，其实是在模拟大气污染对生物造成的严重危害，通过实验，既能增强学生的环境保护意识，又可以培养学生的科学探究能力，提高他们的科学素养。
在学生实验中增添了模拟实验或让学生制作模型，这在以前是从来没有过的。这些模拟实验或模拟原型建立模型的实验，对训练学生的科学思维能力和培养学生的科学探究能力是十分有用的。
2.利用模拟实验突破教学难点
在教学过程中，对于一些难点知识，有时可以通过一个简单的模拟实验加以突破。
例如，在“染色体变异”一节中，学生普遍认为“染色体组”这个概念较难掌握。为了突破这个难点，我首先从词意上进行解释：“染色体组”实质上就是“一组染色体”；接着用课件演示果蝇的染色体组，得出染色体组的定义。尽管分析得较为透彻，但仍有相当多的一部分学生没有弄清“染色体组”这一概念的真正含义。为了突破教学难点，我设计了一个简单的模拟实验：用扑克牌来模拟细胞中的染色体，帮助学生加深理解，做法如下：
一副扑克有54张牌，去掉两个王，还剩52张。将52张牌分发给4位学生，每人手上13张。如果每个学生的13张牌的组成都是：A、2、3、4、5、6、7、8、9、10、J、Q、K各1张，这副牌就被平均分成了4等份。
我们可以把每一张牌看作是细胞中一条染色体的模型，这副牌（52张）看作是一个细胞中所有染色体的总和。每个学生手上都有13张各不相同的扑克牌，就相当于分到了13条各不相同的染色体，亦即13条“非同源染色体”。这13条各不相同的非同源染色体就构成了一个“染色体组”。如果手上的扑克牌数多一张或少一张，或组成上有重复的，都不能达到平均分配的目的，都不能看作是一个“染色体组”。
由此类推引申出“染色体组”的实质：(1)染色体组是细胞中的一组形态、大小各不相同的染色体，它们相互之间都带有各不相同的遗传信息，其实是山一组非同源染色体所组成。(2)每一个染色体组中所含有的染色体的数目是一定的，多一条或少一条都不行，原因是每一个染色体组中都带有本物种的一整套遗传信息，有人把“染色体组”称作“基因组”就是这个缘故。
通过这个模拟实验，学生才真正理解并掌握了“染色体组”这个概念，难点因此而突破。
综上所述，无论是进行科学研究，还是进行生物学教学，模拟实验都是一种非常有用的研究方法。在教学过程中，如果能够适当运用，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。