基于高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的信息技術(shù)編程輔助高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式初探

王坤

摘要：以高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的教育理念為指導(dǎo)思想，利用建模的科學(xué)思維，將信息技術(shù)編程與高中生物學(xué)探究類實(shí)驗(yàn)和模擬類實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有機(jī)整合，以樣方法、分離定律性狀分離比的模擬、自由組合定律性狀分離比的模擬、自然選擇對種群基因頻率影響四個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，通過生生及師生之間的互動(dòng)討論，聚焦概念學(xué)習(xí)的同時(shí)，提升學(xué)生的科學(xué)思維和探究能力。

關(guān)鍵詞：高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) 信息技術(shù)編程 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

信息技術(shù)編程是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要內(nèi)容。隨著課改的推進(jìn)和深化，信息技術(shù)編程越來越廣泛地走入到教學(xué)中，特別是在一些高中實(shí)驗(yàn)室無法觸及到的領(lǐng)域，如將其與信息技術(shù)編程緊密結(jié)合，不僅使學(xué)習(xí)內(nèi)容更加形象直觀，還能有效提升學(xué)生的科學(xué)思維和探究能力。

教材中在講解重要概念時(shí)，設(shè)置了多個(gè)模擬或探究實(shí)驗(yàn)，教師可利用信息編程技術(shù)創(chuàng)設(shè)各種情境，將概念模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，使抽象概念具體化，讓學(xué)生將被動(dòng)接受轉(zhuǎn)化為主動(dòng)探究，在科學(xué)探究中達(dá)到重要概念的深度學(xué)習(xí)。下面以樣方法、分離定律性狀分離比的模擬、自由組合定律性狀分離比的模擬、自然選擇對種群基因頻率影響4個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，介紹信息技術(shù)編程輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式。

1樣方法

樣方法是人教版生物學(xué)必修3教科書中種群密度的估測方法之一。由于調(diào)查活動(dòng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，學(xué)生極少有機(jī)會去野外真正進(jìn)行操作，教師大都采用講授的形式，并未充分利用此方法來鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維和探究能力。教師設(shè)計(jì)小程序，可以充分模擬樣方法的隨機(jī)取樣和計(jì)算平均值的過程。這樣有利于學(xué)生掌握種群密度調(diào)查的基本原理，感受利用生物學(xué)知識來解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題，切實(shí)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

設(shè)計(jì)思路：

①學(xué)生設(shè)置填充數(shù)據(jù)的最大值和最小值以及數(shù)據(jù)總量，程序計(jì)算輸出總體平均值。

②學(xué)生輸入隨機(jī)取值數(shù)量，每值只能取樣一次，程序計(jì)算平均值。

③重復(fù)幾次（每次取值均數(shù)量大于上次），重復(fù)上述過程。

程序運(yùn)行結(jié)果展示如圖1所示。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：如何使樣本的平均值更接近總體平均值？

對于利用小程序的教學(xué)方法，教師應(yīng)著重于生生及師生之間的討論以及對實(shí)際問題的探討，并借此培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決實(shí)際問題的能力。

2分離定律性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)

孟德爾遺傳定律是生物教學(xué)中的重要內(nèi)容之一，也是后續(xù)伴性遺傳和變異、進(jìn)化的基礎(chǔ)，同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生探究能力的極好題材。而學(xué)生由于對數(shù)學(xué)排列組合和概率的基礎(chǔ)掌握不牢固，在學(xué)習(xí)中也形成一些錯(cuò)誤的前概念。例如，一對雜合黑豚鼠產(chǎn)仔4只，4只鼠仔的表現(xiàn)型比例是多少？常有學(xué)生回答為三黑一白。這反映出學(xué)生對基因分離定律中涉及有關(guān)子代基因型、表現(xiàn)型的概率并未理解透徹。

教師借助程序模擬性狀分離比，運(yùn)用建模的科學(xué)思維，將抽象的遺傳因子的分離和配子的隨機(jī)組合之間的數(shù)量關(guān)系直觀的體現(xiàn)出來。程序設(shè)計(jì)思路如下：

（1）表格分為兩列，分別代表雌雄生殖器官，在兩列中分別填充A和a代表卵細(xì)胞和精子的基因，A和a的數(shù)量由學(xué)生輸入。

教師鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行批判性思維：①兩列中的數(shù)據(jù)總量必須相等嗎？為什么？②每列中A和a的數(shù)量必須相等嗎？為什么？③如果某種類型的配子死亡，則A和a的數(shù)量如何調(diào)整？

（2）隨機(jī)各取一個(gè)精卵細(xì)胞形成組合，學(xué)生輸入抽取次數(shù)，每個(gè)精卵細(xì)胞被抽取后，不影響下次被抽取。統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)AA、Aa、aa的次數(shù)比。

教師提出問題：為什么A和a被抽取后，可再次被抽?。?/p>

（3）多次重復(fù)取樣（每次抽取次數(shù)均大于上次），重復(fù)上述運(yùn)算過程。

程序運(yùn)行結(jié)果展示如圖2、圖3所示。

受取值樣本大小的影響，在模擬實(shí)驗(yàn)中會出現(xiàn)“數(shù)據(jù)明顯偏離理論預(yù)期”的情況。教師比較多次取值的情況，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出實(shí)驗(yàn)結(jié)果中AA、Aa、aa出現(xiàn)的概率，并且認(rèn)識到1：2：1、3：1這樣一些比例是一種概率比，只有當(dāng)取值量很大時(shí)才會出現(xiàn)。另外，教師還可以設(shè)置特殊配子致死的情境，讓學(xué)生分析后代基因型比值偏離的情況。學(xué)生通過演繹推理，在進(jìn)一步鞏固知識的同時(shí)，培養(yǎng)批判性思維。

3自由組合定律性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)

教材中僅對分離定律的性狀分離比進(jìn)行了模擬，而對于更高難度的“自由組合定律”，教師也可以通過程序設(shè)計(jì)展開分離比的模擬實(shí)驗(yàn)。程序設(shè)計(jì)思路如下：

（1）表格分為兩列，分別代表雌雄生殖器官，在兩列中分別填充AB、Ab、aB和ab代表卵細(xì)胞和精子的基因，各種配子的數(shù)量由學(xué)生輸入。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：①兩列中的數(shù)據(jù)總量必須相等嗎？為什么？②每列中AB、Ab、aB和ab的數(shù)量必須相等嗎？為什么？③如果某種類型配子死亡，則相應(yīng)數(shù)量做何調(diào)整？

（2）隨機(jī)各取一個(gè)精卵細(xì)胞形成組合，學(xué)生輸入抽取次數(shù)，每個(gè)精卵細(xì)胞被抽取后，不影響下次被抽取，程序自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)的各種組合及比例。

教師提出問題：為什么配子被抽取后，下次還可被抽??？

（3）多次重復(fù)取樣（每次抽取次數(shù)均大于上次），重復(fù)上述運(yùn)算過程。

程序統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)的各種組合及比例如圖4、圖5所示。

實(shí)驗(yàn)完成后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：①一共出現(xiàn)了幾種基因型？②統(tǒng)計(jì)AA：Aa aa數(shù)值，統(tǒng)計(jì)BB：Bb：bb的數(shù)值，思考等位基因之間是否遵循分離定律？③當(dāng)取值次數(shù)足夠大時(shí)，A-B-：A-bb：aaB_：aabb的比值是多少？④兩對非等位基因之間是否遵循自由組合定律？

教師抓住實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵性問題，采用互動(dòng)生成式提出問題串，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)地討論、分析、最終解決問題。對于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，教師可以引導(dǎo)學(xué)生大膽地猜測思考，有效地激發(fā)學(xué)生探究的欲望，使整個(gè)教學(xué)過程中滲透著對學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，體現(xiàn)高中新課程的教學(xué)理念。

4自然選擇對種群基因頻率影響的模擬

本實(shí)驗(yàn)是人教版生物必修2教科書進(jìn)化部分的探究實(shí)驗(yàn)，旨在讓學(xué)生理解進(jìn)化與基因頻率變化的關(guān)系，掌握自然選擇對基因頻率產(chǎn)生的定向改變，及熟練換算基因頻率與基因型頻率。但在真實(shí)的情境中，無法直接觀察種群多代性狀的改變，更無法推算基因頻率及基因型頻率。筆者將其與信息編程相結(jié)合，改變概念的呈現(xiàn)方式，借由學(xué)生的真實(shí)參與，理解進(jìn)化本質(zhì)，提升科學(xué)思維。設(shè)計(jì)思路如下：

（1）由學(xué)生填充AA、Aa的基因型頻率（圖6），系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)算得到艦的基因型頻率和A、a的基因頻率。學(xué)生思考：①三種基因型頻率之間有何關(guān)系？②如何由基因型頻率計(jì)算當(dāng)代的基因頻率？

（2）學(xué)生填充淘汰的性狀及比例。

學(xué)生思考：①為什么淘汰的是性狀而不是基因？②若淘汰率為0，基因頻率的變化情況如何？

（3）多次運(yùn)行自然選擇的程序，學(xué)生可以隨時(shí)更改淘汰的性狀及比例（圖7），觀察自然選擇對基因頻率造成的影響。

學(xué)生思考：①為什么可以隨時(shí)更改淘汰的性狀及比例？②若連續(xù)淘汰顯性，則對A基因頻率有何影響？

教師將探究實(shí)驗(yàn)構(gòu)建為數(shù)學(xué)模型，讓學(xué)生深刻地理解進(jìn)化的本質(zhì)和自然選擇作用的機(jī)制，感受自然選擇引起基因頻率變化進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)化的過程。同時(shí)，利用哈代一溫伯格定律預(yù)測無自然選擇壓力情況下，基因頻率及基因型頻率的變化，在促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，提升科學(xué)思維。

5總結(jié)

信息技術(shù)編程與高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)整合，為學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐提供了更多機(jī)會，學(xué)生可以體會到學(xué)科的樂趣，還可以調(diào)動(dòng)積極性，彌補(bǔ)客觀條件的不足。但這種教學(xué)方法對教師和學(xué)生提出了更高的要求，教師和學(xué)生都必須具備一定的信息素養(yǎng)才能靈活的設(shè)計(jì)和使用。這種可以拓寬課堂教學(xué)廣度、打破教學(xué)條件限制的新型教學(xué)模式是值得發(fā)展和推廣的。