初中生物学模拟实验的设计与分析

模拟实验是一种由于受到时间、空间、特殊理化性质等因素的限制，无法直接对实际研究对象进行实验而采用通过构建模型来模拟实际研究对象的方法。模拟实验作为一种有效的教学手段，具有重要的实践意义。通过开展模拟实验教学，学生可以在实际操作中培养对生物学的兴趣，提高团队合作精神，建立科学的思维方法和严谨的学习态度。教师可以通过设计模拟实验，打破条件限制，让学生在安全的环境中观察和理解研究过程，将抽象的生物学理论知识与实际操作相结合，增强学生学习的直观性和趣味性。在传统模拟实验课堂中，大多数教师都是根据教材给出的模拟实验方案，带着学生按照步骤进行实验。学生没有真正认清活动的意义，导致活动结束后学生只重视结果，而忽视了实验过程本身。因此，笔者以“人的性别决定”一课为例，分析了各版本教材，紧扣教材核心重难点，合理设计模拟实验，重视实验过程，旨在提升学生的科学思维能力。

一、分析教材找核心

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）中的“遗传与进化”主题，需要达成的重要概念是“7.2.3 基因位于染色体上，人的性别是由性染色体的组成决定的”。对于没有学习过减数分裂的学生而言是比较难理解的。为突破教学重难点，教材中设计了“生男生女的奥秘”的模拟实验。

笔者对苏教版、人教版、苏科版、济南版、冀少版五个版本的探究活动进行比较发现，五个版本的探究活动在核心目标上是一致的，即帮助学生理解生男生女的随机性，但在具体形式和工具的使用上有所不同。苏科版和济南版都使用了不同颜色的小球作为模拟工具，只是小球的数量略有区别。这两个版本所模拟的是某一特定家庭或一对夫妻生男孩或女孩的概率。冀少版和苏教版使用的是不同颜色和形状的卡片作为模拟工具，人教版则使用的是不同颜色和数量的围棋。这三个版本中的模拟实验样本较多，所模拟的是社会或群体中后代男女性别比例的问题。所有教材都强调随机性，需要重复进行实验，都要将父亲和母亲的性染色体进行区分，并使用相等数量的物品来模拟性染色体，通过实际操作，得出生男生女是随机的结论。

以上传统的活动设计都强调了大量抽样的重要性，提高了实验的准确性。这些活动的开展无疑对于学生理解生男生女的概率是相等的这一点很有帮助，但是如果只重视概率但忽视了学生的学情，难以提升学生科学思维能力。

二、创新模拟实验

1.创新实验形式，培养学生素养

为了更直观地观察到实验结果，笔者利用酸、碱溶液与检测试剂来进行本节课的模拟实验。碳酸氢钠溶液和醋酸溶液模拟精子的性染色体，石蕊试剂则用来模拟卵子的性染色体。该实验的设计与教材的活动方案相比，都采取随机抽取样本并进行配对的形式，都需要学生制表统计结果。创新之处主要体现在以下几个方面：

一是实验材料的选择不同。该模拟实验将实验材料换成了酸、碱溶液和检测试剂，而不是传统的小球或卡片等物品。学生可以根据酸、碱溶液与检测试剂的反应来观察颜色变化，更加直观地了解性别比例的随机性，并且在等待颜色变化过程中激发兴趣。在此过程中，学生的跨学科思维能力和随机应变、敢于创新的能力能够得到培养。

二是团队协作能力得以提升。本次模拟实验分组进行，小组中一名学生蒙上眼睛选择试剂；一名学生负责随机摆放试剂，并把选出的试剂滴加到检测溶液中；一名学生监督整个过程，确保实验的随机性；小组组长则负责记录实验结果并汇报。每个实验重复多次，学生轮流担任不同角色，以保证每名学生都能感受不同职责所承担的责任。通过本次实验，学生共同协作，共同解决问题的能力得以提高。

三是培养学生的科学思维能力。教师可以以问题串为引导，从不同角度提出问题，让学生思考，运用科学原理和方法解决问题。本实验还让学生收集班级各小组的数据进行对比分析，以便学生了解科学调查应如何进行数据采集、统计和分析，锻炼学生的科学思维能力。

2.问题引领思考，启发深度思维

教师应让学生明确每个实验器材在模拟实验中代表的意义，了解操作步骤的原理，并明确预期结果。在开始模拟实验之前，教师可以提出相关问题，引导学生进行思考和操作。并让他们明确实验过程中的每一个步骤都有其特定的目的和意义，例如，本节课的模拟活动，就可设计以下问题：

（1）酸、碱溶液和检测试剂分别代表什么？

（2）溶液与检测试剂混合有什么含义？

（3）模拟男性性染色体的溶液 X 和 Y 为什么一样多？

（4）为什么选取溶液的时候要蒙上眼睛，并且打乱顺序？

（5）为什么要重复实验？

（6）自然状态下，一对夫妻生男、生女的比例接近多少？

（7）在本次模拟实验中，你认为还有哪些需要改进之处？

通过对问题的逐步分析和讨论，学生在实验前就能清楚地了解实验的目的和本节课所学知识。在问题串的引导下，学生更加清楚游戏的规则，也避免了一些学生因不清楚规则而胆怯的行为，让所有学生都能够参与到实验当中。本次模拟实验不仅让学生进行了一次体验活动，更让学生学会了在团队合作中共同解决问题。

三、效果反思

1.提升实验教学有效性

传统实验常使用真实的生物样本或化学物质，可能会带来潜在的风险，一些生物学实验还需要较长时间的观察和分析，或者需要特殊的设备和环境条件。模拟实验打破传统实验的时间和空间限制，使用模型或者信息技术进行模拟，无需真实样本，可以在短时间内进行多次相同的实验操作，具有更高的安全性、经济性、可重复性、灵活性等特点，能够为学生提供更多的自主探究机会。教师通过分析教材，打破传统教学模式，创新出更适合学生学情的模拟实验，能充分调动学生的主观能动性，提升课堂的有效性。

2.培养学生解决问题的能力

新课标要求培养学生适应未来发展的能力，在真实情境中解决实际问题，提升科学素养，而创新模拟实验有助于培养学生的批判性思维和问题解决能力。首先，模拟实验本身就是模拟真实情境，在模拟过程中，学生会遇到各种问题和挑战。其次，教师通过创新模拟实验，更多关注的是实验的过程和学生能力的培养，学生可以从中学习如何从数据中提取信息，如何推理和归纳结论，从而培养他们的科学思维和解决问题的能力。

教材中包含很多实验活动，教师应认真分析每个实验的步骤和意义，并充分挖掘教材资源，勇于打破常规，进行改革创新，借助生物模拟实验发展学生的科学思维，真正实现让学生深度学习的目标。

（作者单位：江苏省南京市浦口区实验学校）