1.問題的提出
模擬實驗及其教學方法是生物學教學中一種體現(xiàn)新課程改革理念的教學方法，倡導合作學習、自主學習，鼓勵批判性思維，更利于實踐和知識創(chuàng)新。正在實驗的高中新課程教材，加大了其在總體教學內(nèi)容中占的比重，并逐步建立健全了模擬實驗內(nèi)容的教學內(nèi)容與學習方法。通過模擬實驗的教學實施提高學生生物科學素質(zhì)，加強理論知識與實際生活的聯(lián)系，促進和豐富探究性學習，轉變學生的學習方式。
模擬實驗是根據(jù)相似的理論，先設計與自然事物、自然現(xiàn)象及其發(fā)展變化過程相似的模型，然后通過對模型的實驗和研究，間接地去實驗和研究原型的性質(zhì)和規(guī)律性，這種間接的實驗方法稱模擬實驗，又稱為模擬方法。
目前，在高中生物學教學活動中如何應用模擬實驗，尚無成熟的理論和方法基礎。因此，本課題研究主要從模擬實驗的理論基礎、新舊教材的比較、教學實驗個案等方面探討，為生物學教學提供一點理論與建議。
2．高中新舊課程中模擬實驗的比較研究
2.1 《高中生物教學大綱(2002年修訂)》和《普通高中生物課程標準（實驗）》的比較見表1。
由上表可見，通過比較《高中生物教學大綱(2002年修訂)》和《普通高中生物課程標準（實驗）》在課程設計理念、思路、學習目標、課程具體目標、教學建議等5個方面內(nèi)容的差異，我們發(fā)現(xiàn)《普通高中生物課程標準（實驗）》增加了模擬實驗、模型構建等教學內(nèi)容，并且從設計理念、學習目標、課程具體目標、教學建議等方面對模擬實驗教學的保證進行了詳細的闡述，認為建模思維和建模能力是學生必備的科學素質(zhì)，進行模擬實驗和模型構建能力在科學發(fā)展中發(fā)揮重要作用。
2.3 高中生物學教材中的部分模型見表2。
2.4 《全日制普通高級中學教科書生物必修》(2002年審查通過)與《普通高中課程標準實驗教科書生物必修》(2004年審查通過)中模擬實驗的比較見表3。
由上述表中可見，通過比較《全日制普通高級中學教科書必修》(2002年審查通過)與《普通高中課程標準實驗教科書生物必修》(2004年審查通過)，可以看到《普通高中課程標準實驗教科書生物必修》(2004年審查通過)中大幅度增加了模擬實驗、模型構建的數(shù)量，健全了模型的種類，為培養(yǎng)學生建模思維和建模能力，進行模擬實驗和模型構建的教學提供了素材。
3．模擬實驗和模型構建教學活動的基本程序和案例
模型是人們?yōu)榱四撤N特定的目的而對認識對象所作的一種簡化的概括性的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的。
3.1 高中生物學教學中模擬實驗教學模式建立的基本程序
3.1.1 模擬實驗中的原型與模型
原型：實驗的研究對象叫原型。原型可以是實際存在的或過去存在的生物或生命現(xiàn)象。
模型：進行操作的模擬裝置叫模型。模型是模仿被研究對象而選擇或設計的某種代替物。在模擬實驗中，關鍵一步是尋找或設計模型。模型必須具備3個條件：首先，模型必須相似于原型；其次，模型在生物學研究中能替代原型；第3，模型提供關于原型的信息。模型特點：簡明性、切題性、精密性。
3.1.2 進行模擬實驗要經(jīng)歷的步驟
①從原型過渡到模型；
②對模型進行實驗；
③從模型再過渡到原型；
④模擬實驗教學流程的建立。
3.2 建立模擬實驗及模型的案例
案例l：物理模型的建立
“模型”與“原型”之間的物理過程或幾何相似為基礎的一種模擬方法，在教學過程中設計的教學流程應突出下列特點：首先，它具有生動形象的直觀性；其次，物理模擬在應用方面具有廣泛性；第3，物理模擬應具有局部性和綜合性的特點；第4，物理模擬可以使觀察的現(xiàn)象反應出現(xiàn)。根據(jù)上述特點,教師設計教學流程和進行指導時，重視流程的合理性，指導理論的科學性，從而使學生在掌握模擬方法的同時獲取科學的生物學知識。
教學案例：
模擬實驗題目：嘗試制作真核細胞三維結構模型。
模擬實驗類別：物理模型。
目的要求：
1.嘗試制作真核細胞三維結構模型；
2.體驗建構模型過程。
材料用具：根據(jù)本小組模擬實驗的種類選擇材料用具，見表5。
案例2：概念模型的建立
主要通過所設計的實驗模型，模擬微觀、抽象或無法通過原型完成的實驗。這種模擬實驗難度高于物理模型。教師在進行該模式教學時．應對學生設計方案的多樣性、科學性以及實驗材料的多樣性進行重點指導，具體見表6。
案例3：數(shù)學模型的建立
是模型和原型之間在數(shù)學方程式相似的基礎上，使用的一種模擬方法，在現(xiàn)行的高中新課程中這種實驗較少，例如：“微生物種群數(shù)量增長的數(shù)學模型”
①數(shù)學模型含義：是把復雜的研究對象轉變?yōu)閿?shù)學問題，經(jīng)過合理簡化后，建立一個能用數(shù)學方法揭示研究對象規(guī)律的數(shù)學關系式。
②數(shù)學模型在生物學實驗中的意義：可以進行數(shù)量大的分析處理，從而克服了實際實驗中只能對少數(shù)生物進行分析的局限：能夠將復雜的多因素以獨立的形式進行分析，而實際實驗很難做到；能重復研究實驗的各種信息、資料，而實際實驗中很難做到。
研究實例：建立細菌增殖的數(shù)學模型。具體內(nèi)容見表7。
4．反思和建議
4.1 教材中模擬實驗在提高學生科學素養(yǎng)方面發(fā)揮的作用
4.1.1通過模擬實驗及模型的制作，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力
創(chuàng)新能力是一個人根據(jù)當前的知識和經(jīng)驗，加工、處理并有機遷移或整合，創(chuàng)造出新知識或新技術的能力。創(chuàng)新能力分為知識創(chuàng)新和技術創(chuàng)新，在高中生物學教學中應該充分利用模擬實驗及構建模型的機會來培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力。例如，《普通高中課程標準實驗教科書》必修，模塊l第4章“細胞的物質(zhì)輸入和輸出”第2節(jié)“課外制作──利用廢舊物品制作生物膜模型”，雖然教材中所給出的模擬實驗和模型構建都是經(jīng)典和較成熟的理論，但仍可利用這些素材作為基礎，通過深化來培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。流動鑲嵌學說雖已被大多數(shù)人接受，但也鼓勵學生在研究關于膜的理論的基礎上，勇于提出自己的較為合理反映膜的特性的模型理論，哪怕是可能錯誤的也要勇于提出。再有還可豐富流動鑲嵌學說，例如：在制作膜的模型過程中，可就如下問題進行個性化的討論：①制作模型的選材還可以有哪些?②糖蛋白在膜的兩側都有分布嗎?③磷脂分子頭部向外，兩條長鏈向內(nèi)的原因是什么?④膜破裂的情況。⑤蛋白質(zhì)在膜中分布多少與流動性有關嗎?⑥糖被與免疫、癌癥、致病微生物侵入人體和信息傳遞有何關系?⑦載體蛋白在與被運輸分子結合后，其本身電性和酸堿性有何變化?
上述問題，有的可以找出答案，有的沒有定論，但這些問題卻可以使學生在制作生物膜模型時，加深對生物膜學說的理解，將來去探尋研究一些沒有解決的問題，激發(fā)學生學習生物學的興趣。同時，制作的過程，也是學生根據(jù)自己所獲取的知識進行創(chuàng)新的過程。
4.1.2 通過模擬實驗教學，培養(yǎng)學生的批判性思維
生物科學的發(fā)展中批判性思維活動是非常關鍵的，作為一名生物科學工作者，在其從事的科學研究中，一方面要認真學習了解前人的研究成果。另一方面又要認定前人研究的科學性，如果發(fā)現(xiàn)矛盾應勇于質(zhì)疑，并通過研究使其科學化或加以豐富，同時科研工作者也應使自己的研究方案達到科學性、可行性、簡便性、重復性等原則，還要對自己的研究方案進行不斷的改進。在模擬實驗教學中，可以利用課本中的素材來培養(yǎng)學生的批判性思維。例如在模塊2第3章制作DNA雙螺旋結構模型的實驗中，可以引導學生提出諸如：①DNA發(fā)生互換的原因；②DNA單鏈的分子結構及穩(wěn)定性的情況；③RNA單鏈病毒的分子結構易變異的原因；④DNA僅有A、G、C、T 4種堿基嗎？等一些疑問來投入先期學習，然后再通過討論評價實驗方案來使實驗深化、完善，從而激發(fā)學生的批判性思維，達到豐富學生知識的目的。
4.1.3 培養(yǎng)學生的建模思維和建模能力
《普通高中生物課程標準（實驗）》指出：“了解建立模型等科學方法及其在科學研究中的應用，培養(yǎng)學生的建模思維和建模能力。領悟、建立數(shù)學模型等科學方法及其在科學研究中的應用，培養(yǎng)學生的建模思維和建模能力，獲得生物學的基本事實、概念、原理、規(guī)律、模型等方面的基礎知識”。由此可見，建模思維、建模能力在《普通高中生物課程標準（實驗）》中被提到較高的高度，被認為是將來學生從事科學研究的必備能力。建模思維，是學生所認識到的關于建立模型及進行模擬實驗必需的理論、概念、原則、方法等方面的知識。而建模能力是在建模思想的指導下，綜合建立模型，進行知識或技術創(chuàng)新所必需的知識、理論、技能，最終達到建立模型，完成創(chuàng)新過程的能力。在進行高中生物學教學時應充分利用模擬實驗和構建模型的內(nèi)容培養(yǎng)學生的建構思維和建構能力。例如：必修模塊l第6章第1節(jié)中“細胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P系”，這一模擬實驗，在教學之前應給學生介紹模擬實驗的一些要素、原型。本實驗主要涉及以下幾種模型：
在經(jīng)過實施實驗后，學生懂得細胞比較小時，表面積與體積的比值大，吸收物質(zhì)充分。在此基礎上還可以將問題拓展：如吸收情況還與物質(zhì)的濃度、吸收方式等有關。通過模擬實驗的教學使學生懂得了建立模型的基本方法。
4.2 在教學過程中教師應具有構建模型的意識
構建模型作為發(fā)現(xiàn)科學事實、揭示科學規(guī)律的過程和方法，在科學教育中有重要的意義。在構建模型過程中學生不僅獲得一定的知識，還可習得獲取知識的方法，提高解決問題的能力。在生物學教學中經(jīng)常使用的實物模型，如生物體結構的模式標本，模擬模型如細胞結構模型、各種組織器官的立體結構模型、DNA分子雙螺旋結構模型、生物膜液態(tài)鑲嵌模型。它能使研究對象直觀化，利于學生理解。不過，在新課程改革以前一直在大量使用模型，卻沒有提出模型的概念和模型化的方法，這不能不說是一個遺憾。
由于構建模型是新課程中新提出的概念，學生對構建模型原理的理解、具體操作過程感到陌生，需要教師在授課過程中善于引導。如植物光合作用中光照強度和光合作用強度的關系、細胞呼吸強度和氧氣濃度關系曲線、植物生長素兩重性曲線為數(shù)學模型，在使用時應向學生灌輸構建模型思想。逐步培養(yǎng)學生構建模型思想和方法。
總之，通過為模擬實驗教學提供的理論材料和個案研究結果顯示：模擬實驗促進學生學習方式的轉變。培養(yǎng)學生創(chuàng)新思想、批判性思維、建模思維和建模能力方面具有重要的作用。生物學教師在新課程改革中應該對模擬實驗和構建模型的教學予以充分的重視。
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