​模拟实验及其在教学实践中的意义

生物学是一门以实验为基础、研究自然科学中的生命现象及活动规律的学科。研究者通过生物实验进行研究，按照研究目的，使用一定的科学方法，处理实验对象或实验过程中的某些因 素，得到实验结果。然而在人们想要进行的生物研究中，有许多情况是难以直接进行处理和干预的。例如，被研究的实验对象在时间或空间上难以获取，如要研究地球生命的起源，现在人们不可能回到过去进行直接研究。再例如，被研究的对象在法律伦理上不被允许，如研究人的某些疾病，不可能将活生生的人作为实验对象。正是在这些情况的限制下，模拟实验应运而生。

1.模拟实验的含义及模型

在科学研究中，由于客观条件的限制，不允许或不能对研究对象直接进行实际实验，为了取得对研究对象的认识，根据已有的事实经验和科学理论，选定研究对象的替代物，模拟研究对象的实际情况，通过对替代物进行实验，进一步认识研究对象，这种实验就是模拟实验。模拟实验可以弥补由于研究对象不允许、实际实验存在困难等客观原因产生的不足，它是根据相似性原理，构建研究对象的替代物，通过替代物的实验结果类推出研究对象的结果，是一种揭示研究对象的本质和规律的研究方法。其中，实际存在的研究对象叫作“原型”，而模拟的替代物叫作 “模型”。

根据模拟实验的含义，模拟实验的构成可以用下式表示：

实验者—实验手段—实验模型—实验原型

模拟实验的过程主要包括四个步骤：第一，选择合适的模拟实验方法；第二，选择和建构研究对象（原型）的模型；第三，将模型置于预定的研究环境中进行实验；第四，将模拟实验的结果类推到原型上。

模拟实验突破了生物实验的传统思维模式，也给生物实验增加了一种特殊的要素——模型。模型既是研究者的直接研究对象，又是原型的替代物，是研究者认识原型的有效工具，在生物实验中有重要作用。模拟实验的模型大致可以分为理论模型和实物模型两大类。理论模型主要包括逻辑模型、图像模型、数学模型等。它的特点在于将抽象化的知识转化为数字、图像和公式等， 如在讲解生物种群数量变化时，可以用公式和图像的形式表示种群数量变化的规律，使学生更易理解。实物模型分为自然模型和人造模型两种，它指可以被人直接感知的具体的实物，且结构功能与原型相似。自然模型是指用自然界已有的事物替代原型的模型，如用与人类相近的动物作为人的模型进行病理分析。然而，找到与研究对象极相近的自然模型往往存在较大的困 难。人造模型恰恰可以弥补自然模型的这一不足，它是指人工制造的替代原型进行模拟的模型。人造模型可以进行人为控制，更加贴近原型，能得到更加准确科学的实验结果。如在“探究细胞膜的通透性”的模拟实验中，以人工合成的无蛋白脂双层膜为材料进行实验探究。

2.模拟实验在教学实践中的意义

(1)模拟实验可以激发学生的学习兴趣，调动学习的积极性

模拟实验教学对于激发学生的学习兴趣有其独特的优势。在实施模拟实验的过程中，用合适的模型代替原型，将不易实现的事物转化为可以实现的事物，更能激发学生的学习兴趣。另外， 与原型实验相比，模拟实验更加直观、简单明了、易操作，且贴近学生的日常生活，更能迎合学 生的学习心理，从而更易调动学生学习的积极性。

(2)模拟实验化抽象为具体，以直观为基础，帮助学生建构知识

建构主义认为知识不是对现实的准确表征，它只是一种暂时的解释，这个表征是不断发展的、由学生主动建构的。它更加强调学习的主动建构性、社会互动性和学习情境性。首先，模拟实验的开展为学生提供了更多的真实情境，将抽象的事物以直观具体的形式表现出来，帮助学生主动建构知识。其次，在模拟实验中，教师与学生、学生与学生之间相互交流，进一步促进了学 生对知识的理解，帮助他们进行知识的正确建构。

(3)模拟实验有助于提高学生的实验探究能力，培养创新精神

模拟实验从开始的选择模拟实验方法、建构模型到之后的实验实施，都需要学生的主动参与和积极探索。在模拟实验过程中，学生不仅要进行细致的观察，也要反复进行实验和他人交流, 在实践中理解模型与原型之间的联系，体会模拟实验的意义。这一系列活动都使得学生的观察能力、思维能力和实验探究能力得到了提升，对培养学生的团结合作精神也有较大的帮助。同时, 模拟实验的开展也有助于培养学生的创新精神。模拟实验的模型大多都来源于生活，学生在参与，积极结合自身的生活经验和学习经历，不断创新模型和模拟方法，发展创新能力。

(4)模拟实验可以提升教师的实验素养

长期以来，生物实验的开展通常依赖实验室中的仪器设备，教师在常规实验中具有较好的专业素质，能够熟练操作实验仪器设备，有效进行实验数据和结果的分析，但常规的生物实验也固化了教师的实验思维，这不利于教师的实验基本素质的发展。模拟实验的设计和开展需要教师在观念、知识、能力、方法等方面进行革新和转变。它能够促使教师不断发展自身的实验能 力，拓宽与实验相关的知识范围，积极改进传统的实验方法，进而提升教师的实验素养，以便于 教师更好地指导学生。

摘自：人教版新教材必修2教师用书

相关阅读：