TPACK理論下生物模擬實驗的信息化思考

姚舒 廣東省深圳市新安中學(xué)（集團(tuán)）高中部

鄒小新 朱巧瑩 廣東省深圳市新安中學(xué)（集團(tuán)）燕川中學(xué)

●引言

教師的知識水平、教學(xué)能力、技術(shù)能力，以及它們?nèi)咧g相互滲透、靈活實現(xiàn)的能力共同決定課堂效果，因此，教師信息化教學(xué)能力發(fā)展和提升一直是教育信息化的“最后一公里”。[1]教師信息化教學(xué)能力的表征一直是研究熱點，而TPACK理論（整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識）是目前國際認(rèn)可度較高、用以描述信息化時代教師知識結(jié)構(gòu)的理論模型。[2]通過提升教師的TPACK水平可以有效提升教師的信息化教學(xué)能力。

T P A C K 即整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識（technological pedagogical content knowledge)，是指對學(xué)科內(nèi)容知識（content knowledge，簡稱CK）、教學(xué)法知識（pedagogicalknowledge，簡稱PK）和技術(shù)知識（technological knowledge，簡稱TK）的有機(jī)整合，這三者是動態(tài)平衡的關(guān)系。[3]同時，它們交叉融合形成TPACK的另外四個衍生成分，即技術(shù)-教學(xué)知識（PCK）、技術(shù)-學(xué)科知識（TPK）、教學(xué)-學(xué)科知識（TCK）與技術(shù)-教學(xué)-學(xué)科知識（TPACK）。具體如圖1所示。

圖1 TPACK的組成結(jié)構(gòu)[4]

生物學(xué)科教學(xué)的TPACK理論應(yīng)用探索已有許多實踐研究，但大多存在信息技術(shù)水平融合深度不足的問題。孫霞[5]對高中生物教師TPACK教學(xué)知識現(xiàn)狀進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)高中生物教師的TPACK水平不高，在TPACK理論七個構(gòu)成維度中，僅學(xué)科內(nèi)容知識、教學(xué)法知識和學(xué)科教學(xué)知識水平較高，而技術(shù)知識、整合技術(shù)的學(xué)科內(nèi)容知識、整合技術(shù)的教學(xué)法知識和整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識都亟待提高。教師在生物實驗教學(xué)中依賴傳統(tǒng)的教學(xué)方法，對信息技術(shù)使用的熟練度和對新技術(shù)的開發(fā)性不夠，導(dǎo)致教學(xué)效率和質(zhì)量難以適應(yīng)教學(xué)信息化進(jìn)程的要求。

因此，筆者基于TPACK框架的生物實驗教學(xué)思路，將信息技術(shù)深度融合到生物學(xué)實驗的教學(xué)內(nèi)容體系中，通過對“如何運用信息化促進(jìn)生物學(xué)模擬實驗開展的案例”進(jìn)行呈現(xiàn)和反思，分析如何利用TPACK理論構(gòu)建模型指導(dǎo)教師加強信息化在生物學(xué)模擬實驗中的應(yīng)用，以期為生物學(xué)科實驗中TPACK理論及信息技術(shù)應(yīng)用提供指導(dǎo)，從而促進(jìn)生物學(xué)科教師TPACK融合能力提升。

●生物模擬實驗

生物實驗作為高中生物學(xué)教學(xué)的重要組成部分，是高中生物學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要途徑。生物模擬實驗是在實驗室里創(chuàng)造條件，模擬自然環(huán)境、自然現(xiàn)象及演變過程，間接研究真實原型的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、特征和運動規(guī)律的方法。[6]生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行模擬實驗，即通過模擬實驗探究膜的透性、模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗，除此以外，還有大量的實踐活動也可以通過模擬實驗深入探討其內(nèi)在過程。

●生物模擬實驗信息化教學(xué)案例

1.樺尺蠖種群基因頻率變化的模擬實驗

人教版必修2第6章第2節(jié)“種群基因組成的變化與物種的形成”對有關(guān)科學(xué)探究素養(yǎng)目標(biāo)的要求是：能用數(shù)學(xué)方法分析種群基因頻率的變化與進(jìn)化的關(guān)系。在以往的教學(xué)中教師通常會展示教材中的假設(shè)，進(jìn)行基因頻率和基因型頻率的計算，計算過程較復(fù)雜，會占用較長的時間，且學(xué)生容易陷入計算中而忽視“自然選擇對種群基因頻率變化的影響”這一重要概念。因此，如果可以讓學(xué)生模擬自然選擇的過程，并將計算難度降低，則會讓學(xué)生對種群基因頻率變化的概念理解得更為深入。

基于以上考慮，教學(xué)互動小游戲的制作成為筆者研究的重點內(nèi)容。通過查閱資料可知，可通過圖形化編程完成“樺尺蠖捕食”的小游戲制作，具體操作如下。

（1）初步設(shè)計界面

按照教材材料中的假設(shè)情境，1870年，樺尺蠖種群基因型頻率為SS（黑）10%、Ss（黑）20%、ss（白）70%，假設(shè)其數(shù)量分別為10個、20個、70個，設(shè)定游戲界面中樺尺蠖的數(shù)量。

（2）獲取圖片材料

網(wǎng)絡(luò)下載圖片后使用摳圖軟件獲取黑、白樺尺蠖的摳圖；網(wǎng)絡(luò)搜索黑色樹皮的背景圖片；分別將白色、黑色樺尺蠖添加到角色庫，將黑色樹皮圖片添加到背景庫。

（3）設(shè)置變量

點擊背景舞臺，在模塊中添加3個變量，即黑色SS、黑色Ss、白色ss，分別設(shè)置初始值為10個、20個、70個，如圖2所示。

圖2 不同樺尺蠖變量設(shè)置

點擊角色庫的白色樺尺蠖，設(shè)置事件：當(dāng)角色被點擊時，“白色ss增加-1”。點擊角色庫的黑色樺尺蠖，設(shè)置事件：當(dāng)角色被點擊時，“黑色SS增加-1”。點擊角色庫的黑色樺尺蠖副本，設(shè)置事件：當(dāng)角色被點擊時，“黑色Ss增加-1”。為了增加游戲的趣味性，設(shè)置讓樺尺蠖可以在3分鐘內(nèi)緩慢移動，如圖3所示。分別復(fù)制對象到相應(yīng)的個數(shù)，在背景上排列均勻，就可以運行了，如圖4所示。

圖3 事件設(shè)置

圖4 運行背景

（4）進(jìn)一步改進(jìn)

在樺尺蠖種群基因頻率的變化實驗中，還可以加入出生率、死亡率的變量，將其出生率、死亡率、遷入率和遷出率設(shè)定為一定時間內(nèi)發(fā)生的定值，以增加該模擬實驗的真實性。

2.性狀分離比的計算機(jī)模擬實驗

關(guān)于性狀分離比的模擬實驗，教材中讓準(zhǔn)備兩個小桶，分別標(biāo)記甲、乙，模擬雌雄生殖器官，并準(zhǔn)備兩種大小相同、顏色不同的彩球各20個，模擬雌雄配子。分別從甲、乙中隨機(jī)取一個球，然后組合在一起，模擬生物在生殖過程中，雌雄配子的隨機(jī)結(jié)合。這一模擬實驗需要的材料較多，且實驗過程需要重復(fù)做30次，花費時間較長。

為了更快、更好地模擬該實驗，可以利用Excel表格來完成。在表格中插入兩列字母，每一列字母的個數(shù)可以足夠多，但是需要保證D∶d=1∶1，進(jìn)而在第三列運用函數(shù)：=INDIRECT (＂m＂ &RANDBETWEEN(1，n))，其中，m為抽取字母的列（A/B/C等），n為該列中數(shù)據(jù)的抽取范圍。這樣，就得到兩列隨機(jī)抽取的字母，也就是模擬“配子”，即精子和卵細(xì)胞的基因型。為了使數(shù)據(jù)足夠多，可以盡可能多地得到“抽取的精子、卵細(xì)胞”，進(jìn)而精子和卵細(xì)胞結(jié)合形成足夠多的“受精卵”，即子代的基因型，用函數(shù)=m1&n1，就可以將精子、卵細(xì)胞列的字母組合為DD、Dd、dD、dd，進(jìn)而用查找函數(shù)，分別統(tǒng)計DDDddd的個數(shù)并計算比例。

3.自由組合定律計算機(jī)模擬實驗

自由組合定律的計算機(jī)模擬實驗和上個實驗有相似之處，不同點在于需要先設(shè)定兩列不同的數(shù)據(jù)，即第一列的Y∶y=1∶1，第二列的R∶r=1∶1，將每列數(shù)據(jù)隨機(jī)排列，在第三列、第四列運用上述相同函數(shù)，改變參數(shù)，分別得到Y(jié)y、Rr這兩對等位基因隨機(jī)抽取的結(jié)果，再在第五列用函數(shù)=m1&n1，得到Y(jié)yRr基因型個體所形成的配子種類以及比例。其間，需要讓學(xué)生理解如此設(shè)計的含義，及每一列數(shù)據(jù)的意義。

●生物模擬實驗信息化教學(xué)的行動模型

想要真正進(jìn)行信息技術(shù)與學(xué)科的融合，就必須在教學(xué)實踐中尊重教育規(guī)律，將促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)并提升學(xué)生的核心素養(yǎng)作為信息化教學(xué)的根本目標(biāo)。教師對TPACK知識的學(xué)習(xí)和應(yīng)用應(yīng)遵循的步驟是：充分掌握教學(xué)的學(xué)科內(nèi)容—應(yīng)用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)法—了解并選擇與學(xué)科內(nèi)容相關(guān)的技術(shù)—將信息技術(shù)深度融合到教學(xué)中。具體如圖5所示。

圖5 生物模擬實驗信息化教學(xué)的行動模型

1.深刻理解模擬實驗的相關(guān)內(nèi)容知識

種群基因組成的變化包含了種群和種群基因庫的概念、種群基因頻率的變化以及自然選擇對種群基因頻率變化的影響探究，其中，“自然選擇對種群基因頻率變化的影響”需要學(xué)生進(jìn)行探究實踐，而這其中的重點是“為什么自然選擇會對種群基因頻率產(chǎn)生影響”。

2.選擇模擬實驗的教學(xué)法

如果直接給出教材中的數(shù)據(jù)（每年減少10%），學(xué)生就會缺少對“為什么自然選擇會對種群基因頻率產(chǎn)生影響”的直觀感受。通過小游戲，學(xué)生可以模擬樺尺蠖的天敵對樺尺蠖進(jìn)行捕食的過程。在捕食過程中，通過變量的變化，可以直接得出天敵在進(jìn)行捕食時，對黑色樺尺蠖的SSSs基因型并沒有直接的選擇，而是對黑色的表現(xiàn)型進(jìn)行了選擇和捕食，因而在自然選擇過程中，直接受選擇的是表型，而不是基因型。

3.選擇模擬實驗信息化教學(xué)中涉及的技術(shù)

查閱資料可知，可以通過圖形化編程軟件來進(jìn)行小游戲的設(shè)計，圖形化編程相對于Phython、C++等門檻較低，但是，它對于大多數(shù)非信息專業(yè)的教師來說仍然具有一定難度，這就需要教師與信息或通用技術(shù)教師合作，克服在技術(shù)應(yīng)用中遇到的困難。此外，還可以運用Excel軟件來完成某些隨機(jī)抽取數(shù)據(jù)的模擬，也可以選擇網(wǎng)絡(luò)模擬實驗平臺來完成生物模擬實驗。

4.融合信息技術(shù)改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式

每個小組不固定的實驗數(shù)據(jù)，使得探究實踐更加開放。通過歸納不同的數(shù)據(jù)，學(xué)生可以更好地內(nèi)化“自然選擇會對種群基因頻率變化產(chǎn)生影響”這一概念。通過計算機(jī)軟件的輔助，能在幾秒鐘內(nèi)獲得隨機(jī)數(shù)據(jù)，從而大大縮減模擬實驗的時間，讓每個學(xué)生都有自主探索的機(jī)會。生物學(xué)核心素養(yǎng)要求學(xué)生提升科學(xué)探究、科學(xué)思維素養(yǎng)，教師通過信息技術(shù)改變學(xué)生探究方式，降低學(xué)生參與探究的難度，提升了學(xué)生的參與比例。

●生物學(xué)模擬實驗信息化教學(xué)實踐的反思

1.教師的信息素養(yǎng)是核心

教師的信息素養(yǎng)十分有限，不能支撐日常的信息化教學(xué)，這是因為：①已有的信息化案例研究較少；②很難花費太多時間、精力去做開創(chuàng)性的工作。而如果有足夠的資源供教師選擇，則會有更多的教師參與信息化教學(xué)。

2.合理選用信息技術(shù)

如果教師在課例的教學(xué)設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)不需要信息技術(shù)的支持也可以獲得良好的教學(xué)效果，就不需要硬搬、套用信息技術(shù)。信息技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)是解決傳統(tǒng)技術(shù)無法解決的問題，并且能提高教學(xué)效率。

3.改變課堂結(jié)構(gòu)是核心

為了真正使傳統(tǒng)的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)由“以教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲗?dǎo)—主體相結(jié)合”，教師可以在學(xué)科教學(xué)法中多做嘗試，以改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，真正促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)的形成。

4.增強信息化教學(xué)資源構(gòu)建力度

過多依賴一線教師進(jìn)行信息教學(xué)資源的開發(fā)不夠現(xiàn)實，而且這樣開發(fā)的教學(xué)資源也不成系統(tǒng)。若依賴社會力量或者相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，則可以在頂層設(shè)計時將信息化教學(xué)資源的儲備作為與課程設(shè)計、教材編寫同步完成的一項任務(wù)。