Scratch創(chuàng)意編程在生物模擬實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用

葉培毅

摘 要：基于構(gòu)建高效課堂，提高初中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性的目的，針對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，分析應(yīng)用Scratch編程于生物模擬實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)。以“模擬保護(hù)色形成過(guò)程”實(shí)驗(yàn)為例，圍繞“模型”實(shí)驗(yàn)的結(jié)論要便于類推回“原型”的原則，詳細(xì)介紹程序設(shè)計(jì)的主要步驟和注意點(diǎn)。通過(guò)增強(qiáng)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀性，最大限度地彌補(bǔ)模擬實(shí)驗(yàn)“非真實(shí)性”的不足，讓學(xué)生能夠在最短的時(shí)間內(nèi)高效完成科學(xué)探索過(guò)程，學(xué)會(huì)在實(shí)驗(yàn)中獲取證據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行理性分析，掌握核心概念，發(fā)展生物學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：生物實(shí)驗(yàn);Scratch;創(chuàng)意編程;模擬實(shí)驗(yàn)

隨著編程教育課程在中小學(xué)的逐步推廣，Scratch作為一種低門檻且功能齊全的編程軟件已得到廣泛使用。通過(guò)設(shè)置豐富的背景和角色，讓學(xué)生以拖曳積木式基礎(chǔ)模塊的方式來(lái)編寫(xiě)程序，可以制作出交互式的游戲、動(dòng)畫(huà)、腳本等。學(xué)生在學(xué)習(xí)編程的過(guò)程中，經(jīng)常利用其來(lái)編寫(xiě)一些科學(xué)探索類的小程序，不僅能提高編程水平，還可以對(duì)已有的學(xué)科知識(shí)、概念進(jìn)行深化學(xué)習(xí)與探索創(chuàng)新[1]。中學(xué)生物課中的模擬實(shí)驗(yàn)與其他科學(xué)探究活動(dòng)一樣，是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和獲取生物知識(shí)的重要途徑，是受各種因素制約而無(wú)法直接開(kāi)展的“非真實(shí)性”實(shí)驗(yàn)。因此這些模擬實(shí)驗(yàn)特別適合與Scratch編程結(jié)合起來(lái)，達(dá)到構(gòu)建高效課堂，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性的目的。

一、Scratch應(yīng)用于生物模擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

生物模擬實(shí)驗(yàn)不是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，是通過(guò)創(chuàng)建與“原型”相似的“模型”對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，得出直接結(jié)論后再運(yùn)用類比推理的方式實(shí)現(xiàn)“模型”到“原型”的類推，得出最終的結(jié)論[2]。模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)該盡量貼近“原型”，讓學(xué)生通過(guò)觀察和操作“模型”來(lái)形成概念認(rèn)知的基礎(chǔ)，在觀察、操作、探索與發(fā)現(xiàn)的過(guò)程中，加以比較、綜合、聯(lián)想和概括，通過(guò)類比的形式構(gòu)建知識(shí)，提升生物學(xué)核心素養(yǎng)。Scratch豐富的功能使其具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以最大限度地彌補(bǔ)模擬實(shí)驗(yàn)“非真實(shí)性”的不足，通過(guò)仿真的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行連貫的實(shí)驗(yàn)操作、計(jì)算或互動(dòng)體驗(yàn)后，完整地展示一個(gè)科學(xué)探索的過(guò)程，增強(qiáng)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀性，有利于學(xué)生將“模型”實(shí)驗(yàn)的結(jié)論類推回“原型”。

二、“模擬保護(hù)色的形成過(guò)程”探究活動(dòng)分析

“模擬保護(hù)色的形成過(guò)程”實(shí)驗(yàn)是人教版生物八年級(jí)下冊(cè)《生物進(jìn)化的原因》一節(jié)中的內(nèi)容。讓學(xué)生通過(guò)探究活動(dòng)，認(rèn)識(shí)并推測(cè)出保護(hù)色的形成過(guò)程，分析生物進(jìn)化的原因，了解保護(hù)色的形成是自然選擇的結(jié)果。教材中用英國(guó)曼徹斯特地區(qū)兩種樺尺蛾數(shù)量隨著環(huán)境變化而改變的真實(shí)事例入手，用大彩紙或布?jí)K模擬“生存環(huán)境”，用各色小紙片模擬環(huán)境中不同體色的某種“獵物”;讓學(xué)生分組模擬“捕食者”去捕食“獵物”，通過(guò)統(tǒng)計(jì)存活的個(gè)體數(shù)，找出哪種體色的“獵物”最適宜在該“環(huán)境”中生存，驗(yàn)證對(duì)曼徹斯特地區(qū)1850—1950年間樺尺蛾體色變化原因的猜想，為學(xué)生更好地理解自然選擇學(xué)說(shuō)做鋪墊。

按照教材的分組活動(dòng)方案，存在如實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備煩瑣、操作不便、記錄與安放下一代個(gè)體時(shí)無(wú)效時(shí)間消耗過(guò)多、“捕獵者”受主觀因素影響容易刻意選擇等問(wèn)題，最終不僅實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性受到影響，也不利于教師進(jìn)行指導(dǎo)與評(píng)價(jià)。而通過(guò)編程模擬實(shí)驗(yàn)，就能快捷有效地完成探究活動(dòng)，避免出現(xiàn)上述問(wèn)題。

三、“模擬保護(hù)色的形成過(guò)程”模擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)實(shí)例

1.任務(wù)目標(biāo)

學(xué)生在了解原型、提出假設(shè)的基礎(chǔ)上開(kāi)展探究活動(dòng)，模擬探究保護(hù)色的形成過(guò)程。

2.作品說(shuō)明

用黃、藍(lán)、綠、紅四種不同顏色的小圓點(diǎn)代表同一種生物（以某種昆蟲(chóng)為例）不同體色的變異個(gè)體。操作者代表“捕食者”，可以對(duì)這種“獵物”昆蟲(chóng)進(jìn)行捕食（點(diǎn)擊小圓點(diǎn)），“捕食者”的捕食是隨機(jī)性的。當(dāng)存活的個(gè)體數(shù)減少到一定數(shù)量后，設(shè)置剩余的個(gè)體會(huì)通過(guò)繁衍使昆蟲(chóng)的總數(shù)維持穩(wěn)定狀態(tài)，并進(jìn)入下一代。經(jīng)過(guò)五代后，看看最后剩下的所有昆蟲(chóng)中，哪種體色的昆蟲(chóng)個(gè)體存活數(shù)最大。實(shí)驗(yàn)程序的初始頁(yè)面如圖1所示。

3.開(kāi)發(fā)步驟

變量設(shè)置：針對(duì)各主要元素，首先設(shè)置好“黃”“藍(lán)”“綠”“紅”“總數(shù)”“代”6個(gè)變量，再設(shè)置“變暗”這一變量（賦值為0或1），使各角色被點(diǎn)擊時(shí)（“變量”=1），可以變暗消失。增加“背景顏色”變量，利用滑桿來(lái)改變環(huán)境的顏色，研究在不同顏色環(huán)境下保護(hù)色的變化。

角色編程：在任一角色中，將全部小圓點(diǎn)（昆蟲(chóng)個(gè)體）“總數(shù)”這一變量的初始值設(shè)置為40，其中“黃”“藍(lán)”“綠”“紅”四個(gè)角色對(duì)應(yīng)的初始值均為10。以體色為“紅”色的角色為例，編寫(xiě)如圖2所示程序，讓其在舞臺(tái)背景上克隆出10個(gè)紅色小圓點(diǎn)。接下來(lái)如圖3所示，設(shè)置“紅”色小圓點(diǎn)作為克隆體啟動(dòng)時(shí)，隨機(jī)分布在背景的不同位置，且不碰到舞臺(tái)邊緣或與其他小圓點(diǎn)重疊。利用“變暗”這一變量，當(dāng)捕獵者點(diǎn)擊任一紅色小圓點(diǎn)（捕食），即小圓點(diǎn)此時(shí)檢測(cè)到鼠標(biāo)指針并按下鼠標(biāo)后，變量“變暗”的值為1，則該小圓點(diǎn)被刪除，并播放一個(gè)聲音“?！币栽黾有Ч?。相應(yīng)的，變量“紅”及變量“總數(shù)”的值減少1，之后剩余的所有小圓點(diǎn)重新在背景中隨機(jī)位置出現(xiàn)。重復(fù)執(zhí)行至第5代實(shí)驗(yàn)結(jié)束。其他“黃”“藍(lán)”“綠”三個(gè)角色的操作與“紅”角色相同，只需將程序復(fù)制過(guò)去，并將變量“紅”相應(yīng)更改為“黃”“藍(lán)”或“綠”即可。

在舞臺(tái)背景中，設(shè)置點(diǎn)擊綠旗時(shí)開(kāi)始，選擇所需背景顏色后進(jìn)入第1代捕食實(shí)驗(yàn)。隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，各種顏色小圓點(diǎn)的總數(shù)減少至不足30時(shí)，廣播“計(jì)數(shù)”，并將“代數(shù)”增加1進(jìn)入下一代。為了增加捕食效果，利用“變暗”這一變量，在背景中設(shè)置點(diǎn)擊任意小圓點(diǎn)后，剩余的所有小圓點(diǎn)也跟著消失，1.5秒后“變暗”變量恢復(fù)為0，此時(shí)剩余小圓點(diǎn)再次于隨機(jī)位置重新出現(xiàn)。程序編寫(xiě)如圖4所示。

仍以體色為“紅”色的角色為例，當(dāng)接收到“計(jì)數(shù)”后，將剩余的紅色小圓點(diǎn)按數(shù)量*1.3倍克?。捶敝吵龅男乱淮鷤€(gè)體），如圖5所示。使四種體色的昆蟲(chóng)總數(shù)恢復(fù)到40左右。循環(huán)上述步驟至第五代。其余“黃”“藍(lán)”“綠”三個(gè)角色程序編寫(xiě)與“紅”這一角色相同，只需復(fù)制過(guò)去并將變量“紅”進(jìn)行相應(yīng)更改即可。將編寫(xiě)好的程序運(yùn)行及調(diào)試，看看是否符合預(yù)期。

四、Scratch創(chuàng)意編程與生物教學(xué)融合的策略和展望

與一般的模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)相同，編寫(xiě)相關(guān)程序開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)同樣包括了解原型、提出假設(shè)、建立模型、實(shí)驗(yàn)與概念建構(gòu)等幾個(gè)主要步驟。利用Scratch編寫(xiě)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)首先注重實(shí)驗(yàn)的有效性，注重其蘊(yùn)含的思維過(guò)程，避免成為僅僅是活躍課堂氣氛的小游戲。要盡可能降低編程難度，做到清晰簡(jiǎn)潔，結(jié)果明確且有利于展示、評(píng)價(jià)和交流。教師應(yīng)該著重引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，解釋原型，建構(gòu)概念。

相較于之前的版本，Scratch3.0支持中文輸入，可以在電腦、平板、手機(jī)等各種終端設(shè)備上使用，添加和改進(jìn)了一些積木塊，將不同種類的積木塊根據(jù)顏色歸類等，有更豐富的造型與拓展。但是Scratch2.0仍具有可以直接錄制視頻和更方便生成可執(zhí)行的exe文件，具有資源共享的優(yōu)勢(shì)，因此教師可以根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。將模擬實(shí)驗(yàn)的相關(guān)編程作品運(yùn)用于課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了可以豐富教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性外，還能體現(xiàn)信息技術(shù)與生物學(xué)科的融合，拓寬學(xué)生視野。以本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)為例，因涉及的編程內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模塊擴(kuò)展，學(xué)生經(jīng)過(guò)信息技術(shù)課3～5課時(shí)的Scratch課程學(xué)習(xí)，同學(xué)間相互交流與協(xié)作，基本上就能理解、改編或開(kāi)發(fā)出類似的作品。

因此，將創(chuàng)意編程與科學(xué)探索結(jié)合起來(lái)，可以讓學(xué)生在Scratch編程學(xué)習(xí)中融合生物科學(xué)知識(shí)，在教師指導(dǎo)下快速實(shí)現(xiàn)一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)的制作與探究，不僅能激發(fā)興趣、學(xué)習(xí)更多知識(shí)和技能，還能提升學(xué)生整體的科學(xué)素養(yǎng)，獲得成就感[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐益苗，趙曉燕.Scratch軟件在初中生物學(xué)STEM教育中的應(yīng)用[J].生物學(xué)教學(xué)，2018，43（3）：42-43.

[2]高雁.初中生物模擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵、價(jià)值及實(shí)施[J].江蘇教育，2016（35）：50-51，55.

[3]王強(qiáng).創(chuàng)意編程與科學(xué)探索的巧妙結(jié)合：談創(chuàng)意編程展評(píng)活動(dòng)科學(xué)探索類作品[J].中國(guó)科技教育，2018（3）：19-21.

注：本文系福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度立項(xiàng)課題“基于人工智能技術(shù)的STEAM教育——微造物坊的實(shí)踐與研究”（立項(xiàng)批準(zhǔn)號(hào)：FJJKXB19-502）階段性成果;廈門市集美區(qū)教育科研“十三五”規(guī)劃2019年度立項(xiàng)課題“科學(xué)與工程、技術(shù)整合在初中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐研究”（19088）項(xiàng)目相關(guān)成果。