初中生物模拟实验的内涵、价值及实施

    著名实验物理学家丁肇中说过：“自然科学理论不能离开实验的基础。”生物学是自然科学的一门基础学科。实验既是生物教学不可或缺的组成部分，也是一种有效的教学手段。2011年版的《生物学课程标准》（以下简称“标准”）将实验教学提到了前所未有的高度。然而，由于受到多种条件限制，很多实验无法实质性地开展。因此，模拟实验在初中生物教学中受到一定的重视。但根据笔者的课堂观察发现以及问卷调查结果分析，初中生物模拟实验的实施状况不容乐观，甚至还存在着不少误区，具体表现为：实验目标设置不清晰，活动开展层次模糊，教学实施忽视学生好奇的天性，模拟实验的指导不得当，忽视类比的重要性，实验评价方式单一等。因此，厘清初中生物模拟实验的内涵，挖掘模拟实验的教学价值，提出模拟实验的实施建议就显得十分必要。
一、模拟实验的内涵
    关于模拟实验内涵的认识，尚未有统一的说法。有的偏重操作性[1]，有的偏重方法性认识[2]，虽然对模拟实验内涵认识的视角不同，但都反映了模拟实验具有科学性、替代性、可视性、可操作性和类比性等五个特征。[3]笔者认为初中生物模拟实验的内涵理应包含以下几个方面：①初中生物模拟实验原型包括生物学基本事实、概念、原理和规律等；②实验以原型为基础设计模型，在与原型相似的条件下，通过对模型的实验和研究，间接地研究原型的性质和规律性；③模拟实验不是真实实验，实验的直接结论并不是模拟实验的最终结论，以类比推理为逻辑基础，实现直接结论到原型的类推是实验成功的关键；④模拟实验的开展应遵循科学原理，以提升学生的生物核心素养为最终目标。
二、模拟实验的教学价值
    1.模拟实验以直观为基础，利于学生理解概念。
    列宁在《哲学笔记》中有一个著名的论断：“由生动的直观到抽象的思维，再由抽象的思维到实践，这是认识真理、认识客观实在的辩证的途径。”[4]模拟实验属于生物直观教学手段之一，它直观地展示了生物学基本事实、概念、原理和规律等。学生通过操作、观察实验积累了大量的感性认知，而大量的感性认知是形成观念和理解概念的基础。
    2.模拟实验以类比为形式，利于学生建构知识。
    学生在操作实验的基础上，通过比较、综合、概括、假设、联想，把握模拟实验所传达的本质特征。模拟实验为学生创造了“做中学”的契机，激发了学生的内在兴趣、认知需求，以类比为形式，锻炼了学生的高级思维力，有助于学生“手”“脑”结合主动建构知识。
    3.模拟实验以发现为追求，利于学生素养提升。
    模拟实验是一种具有问题性、探索性和发现性的学习活动。模拟实验教学注重学生知识过程与方法的获得，关注学生思维的生长，有助于学生科学素养的提升。学生在操作模拟实验的过程中会主动发现、发展和求新，而素养的提升，必然离不开这一过程。
    例如，在“探究酸雨对种子萌发的影响”的模拟实验中，学生用不同浓度的醋酸替代pH值不同的酸雨，每天对不同编号的小麦种子喷洒相应pH值的“酸雨”，并对种子的萌发及生长状况进行观察、记录和分析，最终得出结论。在观察酸雨对自然界破坏的图片或视频中，学生提出探究问题“酸雨对种子萌发产生什么影响”；在对实验设计的尝试中，开展探究；在观察和对实验记录的理性分析中得出结论。学生在操作模拟实验的过程中，经历“观察—探究—发现”的过程，习得了科学探究的技能，锻炼了理性思维的能力，还产生了保护环境人人有责的环境意识，提升了生物学核心素养。
三、初中生物教学中模拟实验的实施建议
    1.模拟实验的目标指向，要合理有度。
    具有明确、合理的教学目标既是完成模拟实验教学任务的前提，也是教学评价的依据。实验目标的确立应严格依据课程标准，从学生已有的基础和生物学知识原理出发，指向全体学生。只有确定了合理、具体、可行的实验目标，才能实现有效的实验教学。模拟实验的教学目标也应涉及三个维度：知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观。
    例如，在“模拟池塘生态系统”的教学目标制定之前，笔者对标准、学生和教材进行了分析。标准要求，在本节课的教学中，教师应帮助学生形成的重要概念有：一个生态系统包括一定区域内所有的植物、动物、微生物以及非生物环境；依据生物在生态系统中的不同作用，一般可分为生产者、消费者和分解者。[5]七年级的学生好奇心强、好表现，应创设条件让他们积极主动地参与学习。学生虽然有观察池塘的生活经验，但是对于生态系统中各成分之间的关系了解较少，缺乏对生态系统概念的整体认识。苏科版生物学教材中本节内容的安排是让学生在观察池塘生态系统图的基础上，说出生态系统的组成成分并分析各成分的作用。基于以上的分析，实验目标可以这样确定：一是通过制作、观察和分析模拟池塘生态系统，了解生态系统的成分及作用；二是通过分析、比较模拟池塘与现实池塘，建构生态系统概念；三是尝试通过设计、开展实验，培养学生观察分析能力、动手操作能力以及分工协作的能力；四是通过对模拟生态系统的严谨分析，形成严谨、实事求是的科学态度。以上的目标设计具体、合理且可达成。
    2.模拟实验的活动开展，要层次分明。
    模拟实验活动的开展，应符合学生的认知规律，体现层次性原则。实验活动的层次性指的是以学生的差异性为基础，由浅入深、循序渐进地开展模拟实验。实验活动一般分为实验前、实验中、实验后三个层次。实验前，教师应先了解学生，找准学生开展实验的起点，包括能力起点、知识起点以及态度起点，然后对学生进行合理的分组。实验中，首先要创设情境，模拟实验更需要教师创设情境，让学生进入到“真实”的状态。其次，建立或者认识模型，模拟实验的模型可以由教师提供，也可以由学生自制，后者当然更有利于学生认识模型。再次，创造类似条件，开展实验，模拟实验的实验条件替代了现实环境，但实验仍需要在与现实环境相似的条件下开展。最后，与原型比较，进行类推，在此基础上，学生进行综合、概括，这是学生从感性到理性思维的提升过程。实验后，教师应要求学生认真撰写实验报告，对实验情况进行总结、反思和交流。3.模拟实验的方法指导，要针对实际。
    模拟实验的顺利开展，需要有针对性的方法指导。教师的有效指导方法包括有针对性的讲授、倾听、演示、提问等。按照指导对象的多少，指导可以分为群体指导与个体指导。对全体学生进行方法指导时，教师应围绕模拟实验的操作重、难点开展有针对性的指导。对学生个体进行指导时，教师要做好指导预案，让学生扬长“补”短，比如对基础知识薄弱的学生开展知识辅导、对动手能力差的学生进行操作示范、对观察不细致的学生辅以观察方法、对分析不到位的学生点拨思维等。
    4.模拟实验的结论获取，要突出类比。
    模拟实验的直接结论并不是最终结论，实验的最终结论是通过类比实现的。类比思维是一种高级的思维方式，如何能帮助学生实现类比呢？首先，教师应尽可能提供原型的实物、图片、视频、动画和学生亲身感受的机会，便于学生直观地进行比较，通过比较实现实验结论的类推。其次，教师应重视引导和点拨学生思维。引导和点拨的主要途径是语言，语言包括口头语言和体态语言。口头语言要具有准确性、启发性、针对性等特征，体态语言则有利于形象地展示原型的结构特点及动态生理过程。最后，教师还应帮助学生明确原型与模型的异同点。只有学生明确原型与模型的相同点，才能有效地实现结果的类推；只有明晰不同，才能加深对于现象、概念和原理的理解，实现思维的提升。
    5.模拟实验的评价实施，要体现多元。
    评价具有诊断、导向、改进等功能，是生物模拟实验教学的重要组成部分。美国心理学家加德纳认为，每一个人的智力都有多种表现形式。因此，我们不可能找到一个统一的标准来评价主体实施模拟实验的情况。模拟实验评价方式应体现多元性，可以有评价目标的多元性，如应兼顾知识、能力、情感态度价值观的三维目标；评价主体的多元性，如教师、组长、组员、学习者、家长等都可以参与评价；评价方法的多元性，如安置性评价、过程性评价和总结性评价相结合。在教学初始，教师为了了解学生的已有基础，可以使用安置性评价获取相关信息；在教学过程中，可以采用形成性评价，以便随时调整课堂节奏、方向；在教学结束时，可以采取总结性评价，如用学生的实验报告、模拟实验操作展示、试题、总结等方式，来检测学生是否达成模拟实验的教学目标。
    模拟实验教学既是初中生物学教学的重要内容，也是有效的教学手段。美国教育学家苏娜·丹戴克说过：“告诉我，我会忘记；做给我看，我会记得；让我去做，我才会懂！”模拟实验解决了各种现实因素的束缚，还学生自由、自主、主动的学习空间，让学生手脑结合地主动地学习生物科学知识。当然，在实际的教学操作过程中，我们发现模拟实验体现的往往是设计者所关注的原型部分的特征、生理过程，它不是尽善尽美的。模拟实验教学应结合多样化的学习活动才能实现更好的教学效果。