基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)（PBL）進(jìn)行性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)的探索

詹琪芳 （上海市盧灣高級(jí)中學(xué) 上海 200023）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，“生物學(xué)課程要求學(xué)生主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)，在親歷提出問(wèn)題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗(yàn)假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過(guò)程中習(xí)得生物學(xué)知識(shí)，養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展終身學(xué)習(xí)及創(chuàng)

新實(shí)踐能力”“加強(qiáng)學(xué)科間的橫向聯(lián)系，利于學(xué)生建立科學(xué)的生命觀，逐步形成正確的世界觀，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”［1］。由此可見，高中生物學(xué)注重學(xué)科間的相互聯(lián)系與科學(xué)精神的滲透，關(guān)注學(xué)生核心素養(yǎng)的達(dá)成，培養(yǎng)能適應(yīng)未來(lái)發(fā)展的人。而項(xiàng)目化學(xué)習(xí)模式（project-based learning，簡(jiǎn)稱PBL）作為培育科學(xué)素養(yǎng)的一種重要手段受到了普遍的關(guān)注并獲得了快速發(fā)展［2］。其指向問(wèn)題解決能力的學(xué)習(xí)方式，通過(guò)對(duì)蘊(yùn)含核心概念驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題的持續(xù)探究，引發(fā)學(xué)生對(duì)真實(shí)復(fù)雜問(wèn)題的思考和解決，調(diào)動(dòng)所有知識(shí)、能力、品質(zhì)等創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，形成公開可視化的成果，實(shí)現(xiàn)跨情境的知識(shí)遷移，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)復(fù)雜問(wèn)題的解決能力［3］。本文結(jié)合學(xué)生的實(shí)際認(rèn)知水平，調(diào)動(dòng)學(xué)生跨學(xué)科融合專業(yè)知識(shí)，以性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)為例，組織學(xué)生開展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，交流、展示項(xiàng)目成果，以項(xiàng)目激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，抓住問(wèn)題本質(zhì)

教材中的“性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)”，采用模型構(gòu)建的方式驗(yàn)證孟德爾的分離定律。學(xué)生通過(guò)從布袋中隨機(jī)抓取小球理解分離定律的實(shí)質(zhì)，統(tǒng)計(jì)性狀的分離比。但該模擬實(shí)驗(yàn)也存在一些不足，例如，抓取次數(shù)較多、耗時(shí)較長(zhǎng)、統(tǒng)計(jì)繁瑣等。筆者在實(shí)施本節(jié)教學(xué)內(nèi)容時(shí)，啟發(fā)學(xué)生思考模擬實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是什么？并以此為切入點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用發(fā)散思維改進(jìn)實(shí)驗(yàn)作為項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

經(jīng)過(guò)討論，學(xué)生一致認(rèn)為“性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)”的核心是，雌、雄生殖器官能產(chǎn)生等比例的帶有等位基因的配子，且二者的結(jié)合是隨機(jī)的，這與雜合子的自交本質(zhì)特征是相似的。無(wú)論如何改進(jìn)，模擬實(shí)驗(yàn)依據(jù)的科學(xué)本質(zhì)是不能變的，變的是形式、裝置或操作等［4］。明確了不變的問(wèn)題本質(zhì)，學(xué)生按照自己的興趣特長(zhǎng)組建項(xiàng)目小組，開展改進(jìn)工作。教師需要提醒，變是為了使原有的操作更高效、現(xiàn)象更明顯，如果改變不能起到上述效果，需要轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)思路，嘗試其他改進(jìn)方向。

2 嘗試分拆問(wèn)題，確立任務(wù)目標(biāo)

跨學(xué)科的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)指向?qū)W生問(wèn)題的解決能力，如果問(wèn)題的解決超出了學(xué)生現(xiàn)有的水平，要將其轉(zhuǎn)化為與學(xué)生相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，增加問(wèn)題與學(xué)生的“黏性”，讓學(xué)生更易接受［5］。教師要帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)會(huì)如何將較困難的大問(wèn)題拆解，分割成容易上手的小問(wèn)題，降低問(wèn)題的處理門檻，學(xué)生可在積極的情感體驗(yàn)中，進(jìn)行具體的實(shí)施和思考，探索多樣的解決方案，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維，提升學(xué)習(xí)的自我效能感。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，學(xué)生最初是盲目的，教師予以引導(dǎo)，讓學(xué)生嘗試說(shuō)出原有實(shí)驗(yàn)1～2 個(gè)缺點(diǎn)，目的是讓學(xué)生能結(jié)合實(shí)際操作進(jìn)行思考、分析，自己發(fā)現(xiàn)需要改進(jìn)的方面，同時(shí)教師給予充分的信任和鼓勵(lì)，實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)很難做到完美，尤其是對(duì)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，如果能改進(jìn)其中的某個(gè)方面就是很大的進(jìn)步。經(jīng)過(guò)討論和分析，每個(gè)小組進(jìn)一步確立了自己的改進(jìn)目標(biāo)，方向不盡相同：有的選擇縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，有的選擇減少主觀誤差，有的選擇精簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)裝置，有的選擇簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)過(guò)程等（圖1）。學(xué)生意識(shí)到，應(yīng)用單一學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題是難以實(shí)現(xiàn)的，須要糅合、運(yùn)用多個(gè)學(xué)科靈活開展跨界學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)高階思維能力。

圖1 分解“性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)”中的問(wèn)題示意圖

3 設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)，形成項(xiàng)目成果

跨學(xué)科的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)指向培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)的問(wèn)題解決者，整個(gè)過(guò)程需要學(xué)生親身體驗(yàn)，需要學(xué)生帶有思考、假設(shè)、探究性質(zhì)的動(dòng)手、動(dòng)腦的行動(dòng)。在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，學(xué)生大都扮演學(xué)科專家的角色，實(shí)踐活動(dòng)更具有專業(yè)性，聚焦學(xué)科專業(yè)知識(shí)［6］。每個(gè)小組改進(jìn)的方向不同，制定的目標(biāo)也就不同，設(shè)計(jì)的實(shí)踐活動(dòng)方案也有所差異，需要預(yù)先填寫項(xiàng)目報(bào)告（表1），根據(jù)擬定的方案改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。本文摘選3 個(gè)具有代表性的小組的實(shí)施過(guò)程。

表1 基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)創(chuàng)新“性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目報(bào)告

3.1 縮短時(shí)長(zhǎng)小組 教材中的實(shí)驗(yàn)采用紙筆記錄數(shù)據(jù)，用計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算。學(xué)生首先想到用Excel 軟件替代計(jì)算器，批量計(jì)算可節(jié)約時(shí)間；實(shí)驗(yàn)中抓取、放回、混勻小球的過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力，學(xué)生又想到可借助于網(wǎng)絡(luò)或APP 中現(xiàn)有的隨機(jī)程序，模擬“抓取小球”的實(shí)驗(yàn)過(guò)程；后來(lái)有的學(xué)生提議運(yùn)用信息課學(xué)習(xí)到的Visual Basic 語(yǔ)言（簡(jiǎn)稱VB語(yǔ)言），自編一套實(shí)驗(yàn)程序，可任意輸入抓取次數(shù)并計(jì)算比例，將實(shí)驗(yàn)的過(guò)程、記錄和統(tǒng)計(jì)全部涵蓋，最大程度節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，由抓取1 000 次大約需要40 min 縮短到1 min（圖2）。從目標(biāo)的設(shè)立，到模擬程序的完成，學(xué)生在不斷地假設(shè)、求證、推翻、設(shè)計(jì)、再求證的循環(huán)中形成迭代思考，最終完成了縮短時(shí)長(zhǎng)的目標(biāo)，跨學(xué)科應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力也得到了提升。

圖2 縮短時(shí)長(zhǎng)小組的改進(jìn)過(guò)程及VB 制作的模擬性狀分離比實(shí)驗(yàn)程序

3.2 減少誤差小組 該小組認(rèn)為用手從布袋中抓取小球，會(huì)不可避免地產(chǎn)生主觀誤差，如果裝置不是人為抓取，2 個(gè)布袋模擬的雌、雄生殖器官隨機(jī)產(chǎn)生精、卵配子，將會(huì)使實(shí)驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)［7］。方案①：在2 個(gè)培養(yǎng)皿中裝入黑、白色珠子，皿蓋上面覆蓋一層只留有一個(gè)孔的不透明紙片，雙手同時(shí)搖動(dòng)，停下時(shí)觀察記錄小孔中珠子的顏色；方案②：在2 個(gè)透明罐子中各放一枚硬幣，封口，上下晃動(dòng)，記錄硬幣的正、反面。2 個(gè)方案雖減少了人為誤差，但每次只能記錄一組數(shù)據(jù)。之后，學(xué)生又想到了一個(gè)可批量觀察組合的方案③：準(zhǔn)備2 張紙條，均勻地打上方格，隨機(jī)將一些方格涂成黑色，每個(gè)方格代表含有A 或a 的配子，2 張紙條分別代表雌、雄生殖器官（圖3），將2 張紙條擺放在一起，任意拖動(dòng)改變二者的相對(duì)位置，上下組合即表示精、卵的隨機(jī)結(jié)合，學(xué)生記錄多組數(shù)據(jù)，再次拖動(dòng)，組合發(fā)生改變，學(xué)生再次記錄（表2）。這些改進(jìn)方法均達(dá)成了盡量減少人為主觀誤差的目標(biāo)。

表2 精、卵隨機(jī)結(jié)合情況統(tǒng)計(jì)表

圖3 代表雌、雄生殖器官的紙條

3.3 可視化統(tǒng)計(jì)過(guò)程小組 按照概率學(xué)理論，隨著抓取次數(shù)的增多，小球組合中代表性狀的分離比會(huì)趨于3∶1，但趨于的過(guò)程很難直觀顯示，該小組希望借助儀器模擬二者的比例動(dòng)態(tài)關(guān)系曲線圖，記錄比例變化軌跡。學(xué)生請(qǐng)教了有關(guān)專家和技術(shù)人員，運(yùn)用TI 編程圖形計(jì)算器編寫程序，外接隨機(jī)閃爍的A 和a 的彩燈，制作了實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置（圖4）。按照操作步驟，首先運(yùn)行main（），按enter鍵開始，Speed 值表示每一次生成的基因型組合數(shù)量，默認(rèn)為每次生成1 個(gè)基因型（圖5A），Cyber Number 值表示同時(shí)抓取生成的子代基因型總次數(shù)，可輸入任意數(shù)字（圖5B），進(jìn)入系統(tǒng)后，按下相應(yīng)的功能鍵對(duì)應(yīng)的數(shù)字，程序開始運(yùn)行或停止，例如，1-Generate 代表手動(dòng)生成組合結(jié)果，2-Auto 代表系統(tǒng)自動(dòng)生成組合結(jié)果，3-Stop 代表停止運(yùn)行，4-Pause 代表暫停／繼續(xù)（圖5C），最終，獲得（AA+Aa）∶aa的比值變化曲線（圖5D）。圖示顯示的是500 次的抓取過(guò)程軌跡，可清晰地顯示，性狀分離比圍繞著3∶1 波動(dòng)，但隨著次數(shù)的增多，比值逐漸趨近于3∶1。

圖4 連有TI 計(jì)算器的實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置操作流程顯示圖

4 展示項(xiàng)目成果，撰寫項(xiàng)目報(bào)告

項(xiàng)目活動(dòng)結(jié)束后，每個(gè)小組都完成了項(xiàng)目報(bào)告，并進(jìn)行了交流和展示。在形成報(bào)告的過(guò)程中，學(xué)生發(fā)揮才智和技能，跨學(xué)科處理問(wèn)題的能力得到了提升；在報(bào)告交流階段，學(xué)生暢所欲言，分享理念和科學(xué)精神得以形成，這也是跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中不可或缺的組成部分［8］。

5 引入表現(xiàn)性評(píng)價(jià)，聚焦核心素養(yǎng)

表現(xiàn)性評(píng)價(jià)要求學(xué)生 “在某種特定的真實(shí)或模擬情境中，運(yùn)用先前所獲得的知識(shí)完成某項(xiàng)任務(wù)或解決某個(gè)問(wèn)題，以考查學(xué)生知識(shí)與技能的掌握程度、問(wèn)題解決、交流合作和批判性思考等多種復(fù)雜能力的發(fā)展?fàn)顩r”［9］。表現(xiàn)性評(píng)價(jià)注重過(guò)程的評(píng)價(jià)，立足于真實(shí)或模擬的現(xiàn)實(shí)生活情境，關(guān)注學(xué)生的真實(shí)表現(xiàn)。在本次項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，教師向?qū)W生征集評(píng)價(jià)的方面和依據(jù)，讓學(xué)生參與設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)量表，不以單一的量化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終的項(xiàng)目成果不作為唯一的評(píng)判，而是以側(cè)重過(guò)程的表現(xiàn)性評(píng)價(jià)進(jìn)行判定，引入多元評(píng)價(jià)方式，尋找學(xué)生的突出表現(xiàn)并適時(shí)提出建議，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的不斷提升，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)（表3）。

表3 “基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)創(chuàng)新性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)”評(píng)價(jià)表

6 活動(dòng)反思

在展開項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)之前，很多學(xué)生先查找了相關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)查閱學(xué)習(xí)開拓了思路，有不少改進(jìn)的方法，但同時(shí)也容易禁錮思維。如何在他人的工作基礎(chǔ)上作出自己的特色是這次項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，教師鼓勵(lì)學(xué)生迎難而上，開動(dòng)腦筋，不墨守成規(guī)。事實(shí)證明，項(xiàng)目化的學(xué)習(xí)方式可充分發(fā)掘?qū)W生的潛力和智慧，由此設(shè)計(jì)出令人欣喜的作品。

生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法，加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)教學(xué)方式的應(yīng)用可提供這樣的平臺(tái)，以不變的核心知識(shí)為出發(fā)點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生通過(guò)多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用尋求問(wèn)題的最佳解決方案。在這次跨學(xué)科改進(jìn)性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)生以雌、雄雜合子產(chǎn)生等比例不同的配子并隨機(jī)結(jié)合為內(nèi)在契機(jī)，應(yīng)用數(shù)學(xué)的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算、模型構(gòu)建、VB 和TI 編程圖形計(jì)算器等技術(shù)方法，嘗試化解實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，不僅增強(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)，也對(duì)問(wèn)題的解決方式有了全新的體會(huì)。