生物教学中“想象实验”的应用

“想象实验”是探究科学知识的重要方法，其目的是通过“实验”教给学生如何探究未知。类似于操作实验，该类实验也是在教师的指导下，学生通过模仿科学家科学探究活动的方式获取科学知识，并在这个过程中学会科学研究的方法和技能、科学的思维方式，进而形成科学观念、树立科学精神。

“探索遗传物质的过程”是苏教版必修二第四章《遺传与进化》第一节的内容，该课以科学史为载体，介绍和分析肺炎双球菌转化、噬菌体侵染细菌两大经典实验。这两大经典实验由于时间空间等条件的限制无法重复演示，通常是在教师的引导下，在学生具有一定实验能力的基础上，充分发挥学生的主观能动性，对实验情境、实验结果的一种推测，这类实验的教学就是“想象实验”教学。

下面以“探索遗传物质的过程”的教学为例，谈谈在生物教学中如何应用“想象实验”。

一、 亲历“想象实验”设计过程，体验科学思维方法

在教学“想象实验”时要求学生要亲历实验设计（包括实验步骤、实验结果预测等），强调学生分组全员参与，并在教师的指导下完成。教学中可利用插图、挂图以及多媒体课件，分步演示实验过程，让学生置身于实验探究的全过程。例如，在教学艾弗里肺炎球菌体外转化实验时，教师要特别注意引导学生分析艾弗里的实验，因为教材文字叙述少，且无插图。要重点分析以下内容。实验材料：选用肺炎双球菌；假设：DNA是遗传物质；实验操作：将S型细菌中的多糖、蛋白质、脂类和DNA等提取出来，分别与R型细菌进行混合；预期结果：只有DNA与R型细菌进行混合，才能使R型细菌转化成S型细菌；实验结果：与预期结果吻合；分析结论：DNA是遗传物质。

接下来要进一步挖掘实验细节（目的是让学生理解转化的实质）——转化实验的拓展。提出问题：格里菲思的肺炎球菌体内转化实验中，注入R型活菌的小鼠会产生抗体，这种抗体能否对S型活菌发生作用呢？以此问题考查学生对于探究实验设计的理解。学生讨论形成小组实验方案，教师组织交流、修改和完善，并展示一个参考案例（略）［1］。

另外，教师要鼓励学生课后依据教材继续开发探究性实验。通过设计系列问题让学生运用推理性探究活动完成思维训练。系列问题有：如何阻止禽流感的传播？人类是如何完成免疫的？DNA和RNA的复制方式是什么？如何阻止人流感与禽流感病毒的基因互换？如何阻止禽流感病毒转变为人流感病毒？为什么禽流感病毒容易变异？DNA和RNA分子结构稳定性的探究。［2］比如，1997年，美国科学家Prusiner发现了一种新型生物——朊病毒，是一组至今没有查到任何核酸的蛋白质颗粒，它是导致疯牛病和人的克雅氏病的病原体。你能推测该病毒的遗传物质是什么吗？

二、 在“想象实验”探究形式多样化上求突破，培养学生的科学探究能力

教师要充分发挥自身的聪明才智，通过多种形式将“想象实验”探究性教学融入到日常教学中，培养学生的科学探究能力。

1． 通过设疑激趣，激发学生的探究热情

教师在分析与处理教材中的实验时，不仅要对其中有疑、有趣的材料进行加工与提炼，而且要对无疑、无趣的内容力求设疑、激趣，使其问题化、情趣化，从而达到激发学生的学习兴趣与探究热情。例如，在教学格里菲思的肺炎球菌体内转化实验时，可结合教材提供的实验示意图设计如下系列问题，引导学生分析探究：①该实验选择什么实验材料？为什么？②该实验是对照实验吗？如何控制自变量？因变量是什么？③该实验哪些是无关变量？如何避免其对实验结果的干扰？④该实验能证明谁是遗传物质吗？……

设计的问题难度不能大，要充分考虑学生的基础（知识和经验），以“跳一跳摘得到”的问题为主。只有这样，学生的兴趣才能被调动起来，学生的探究热情才能被激发出来。

2． 诱发认知冲突，引导学生探究焦点问题

在探究过程中，由于受到经验意识、思维定势、知识混淆等的影响，学生在认知上难免发生冲突，这是探究性教学的绝佳机会。教师应及时抓住时机，有意将矛盾激化形成焦点，让学生“借题发挥”展开讨论。例如，在肺炎球菌体内转化实验中，是大部分R型菌转化为S型菌，还是少部分R型菌转化为S型菌？当学生的意见不同时，教师应抓住此时的认知冲突，让学生先进行摸索和尝试，然后将学生尝试中出现的错误作为讨论的问题，让学生在积极探究中解决问题，这样可以更有效地唤醒学生的探究欲望和激发学生的学习兴趣，在比较和鉴别中促进学生思维品质的提升。类似可以诱发认知冲突的问题有：为什么加热杀死的S菌和活的R菌混合可以导致小鼠死亡？导致小鼠死亡的直接原因是什么？促进活的R菌转变为S菌的因素是什么？是否有可能是蛋白质？等等。

3． 渗入科学猜想，提高学生思辨是非的能力

在探究问题解决环节，学生在摸索和尝试时对探究方向和可能出现的实验结果进行推测和假设，这就是猜想。它是科学探究的重要一环，它为进一步制订探究计划、进行实验、收集证据、分析论证指示方向。它是对事物的本质和规律做出的初步判断，是一个创造性思维的过程。如何引导学生提出科学的、有价值的猜想，是值得教师研究的一个重要课题。猜想的提出通常有以下两种方式：①结合“想象实验”情境提出猜想。学生的想象力需要教师的引导，在“想象实验”教学到某个环节时，面对“想象实验”情境，教师可以有针对性地组织学生观察实验现象，启迪学生的思维，触发学生的灵感，促使学生提出科学的猜想。例如，在讲授格里菲思的肺炎球菌第四组实验时，教师要结合实验情境（实验中出现的与常规推理不相吻合的实验结果）引导学生思考：当时格里菲思是如何猜想的呢？请同学们像科学家一样思维，你可能有哪些猜想？此时将问题抛给学生，激发学生在课堂上讨论。学生提出的猜想各种各样，有学生说可能是R型菌发生了基因突变，也有学生说可能是S型菌加热杀死不彻底，还有学生说是染色体变异［3］……面对丰富多彩的猜想，如何证实与证伪？这是教学的关键。应及时通过学生举例加以证明，通过设计实验验证并得到与格里菲思相同的结论，这就是去伪存真的过程。这种在“想象实验”情境下，通过教师适时、恰当的引导，学生的思维被激活了。可见课堂上教师的引导作用非常必要，如果没有教师的引导，可能学生只记住了格里菲思的实验结论，而完全没有体会到像科学家一样的思维。②根据已有知识或生活经验提出猜想。建构主义理论认为，学生的发展是知识的不断构建和累积，又是经验的不断拓展和提升。所以在探究新问题时，教师要精心创设前科学概念情境，引导学生联系已有知识或生活经验，提出猜想。例如，在噬菌体侵染细菌的实验教学时，学生若没有噬菌体的基础知识、噬菌体侵染细菌的过程、实验中的搅拌与离心的目的等知识，那么学生很难理解教材中两组实验现象——放射物集中的部位。可见，课堂上要及时抓住学生中闪现出来的认知矛盾，用已有的知识和经验做好铺垫后引导学生主动地、积极地猜想并探究出结果。这样有助于学生对问题的理解，使学生对问题的猜想更快得到证实。

4． 以“模型法”促进学生认知、能力水平的发展

模型法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是科学方法中一种逻辑形式。模型的教育意义需要通过“建构”来实现：在模型建构活动中往往需要进行观察或实验，需要假设演绎。学生通过亲身参与活动，在探索思考中体会到模型建构的方法，获得成功的喜悦，才可能将模型方法内化为认知图示，获得认知、能力水平的提升。

（1） 建构物理模型

物理模型分为实物模型和模拟模型两种。实物模型指经过手工加工的看得见物体，是将实物按照一定比例放大或缩小制成的模型，其状态变量和原实物基本相同。例如，在教学“噬菌体侵染细菌的实验”时，引导学生制作“噬菌体侵染细菌的物理模型”，在此制作过程中学生能将微观、肉眼难以直接观察的结构简化，在把握其主要特征的基础上，将这些特征形象化、具体化，从而获得直接经验。

（2） 建构数学模型

数学模型是用来描述系统或它的本质和性质的一系列数学形式。例如，在肺炎双球菌转化实验中，将加热杀死的S型细菌与R型活细菌相混合后，注射到小鼠体内，在小鼠体内S型和R型细菌含量变化情況则可以用数学模型来表达（如图1所示）。

5． 运用比较、归纳等逻辑思维方法，引导学生分析探究性实验之间的异同

比较是通过对两个或两个以上对象进行求同和求异两个方面的对照分析而加强对知识的理解和获得新知识的一种逻辑思维方法。比较研究法在生物学教学中最为常见的领域在于概念辨析、实验设计和分析［4］。在不同的实验设计中可以通过比较分析相同、不同的特征。例如，在教学“肺炎双球菌的转化实验”和“噬菌体侵染细菌的实验”后引导学生分析这两个实验的异同点。这两个实验对象、方法及所处的时代背景都不同，但都证明了DNA是遗传物质，从而认同科学结论的获得最基本的方法是实证法。实验的设计思路有共同之处——设法将DNA和蛋白质分开，然后单独地、直接地观察每种物质的作用。在掌握两个实验的异同后，教师引导学生总结出科学探究的一般性结论（归纳法）：实验事实→理论推断（提出假说）→实验验证（实验思路）→修改或否定原假说，提出新理论→进一步探究→得出结论（统一认识）。

通过比较、归纳等逻辑思维方法的运用，引导学生站在科学家的位置进行思维探究，从而培养学生获取科学知识的能力并提高实验技能。

三、 通过解题理解“想象实验”，锤炼生物研究方法

“想象实验”教学的最终目的无非是提高学生的科学探究能力，而在高中生物教学中一个重要的落脚点就是训练学生解题和运用知识的能力。这也是近年来生物高考命题者命题的一个方向。如2011年全国卷第33题、天津卷第8题、重庆卷第30题的Ⅱ题等均属于“想象实验”类试题，这类试题要求学生能灵活运用已学知识解决实际问题，达到巩固知识、培养能力的目的。学生在具备扎实的基本功、一定的实验表象储备和丰富的想象能力的基础上，是不难拟定出实验方案。在平时教学中教师要通过设计例题引导学生从“想象实验”设计的角度，挖掘科学研究方法的合理因素，帮助学生归纳科学方法的基本过程，并加深对这些过程的理解。

参考文献：

［1］ 孔爱华. “DNA是主要的遗传物质”一节的教学设计［J］. 生物学教学，2010（9）：40.

［2］ 张树虎. 论高中生物教学的有效拓展［J］. 教学与管理，2011（7）：60-63.

［3］ 许东升. 渗入科学猜想提高思维能力［J］. 中学生物教学，2011（7）:14.

［4］ 吴举红.浅谈生物教学中逻辑思维能力的培养［J］. 中学生物教学，2011（4）:6.