基于“性狀分離比編程模擬實(shí)驗(yàn)”的高中生物學(xué)概念教學(xué)

王坤　王聯(lián)新　劉付香

摘要： 編程模擬實(shí)驗(yàn)可用于高中生物學(xué)教學(xué)，對于缺乏真實(shí)實(shí)驗(yàn)裝備（或時空受限）的學(xué)校而言多了一種替代方案。以“模擬植物或動物性狀分離的雜交實(shí)驗(yàn)”為例，教師在概念教學(xué)中將課前家庭實(shí)驗(yàn)與課堂編程模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生課前通過生活化實(shí)驗(yàn)初探感知概念，在課堂上模擬編程再探建構(gòu)概念，建立概念體系應(yīng)用概念。教師利用編程技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在創(chuàng)設(shè)的情境中試錯，深刻理解孟德爾假說，使其在科學(xué)探究中實(shí)現(xiàn)了對基因分離概念的深度學(xué)習(xí)，提升了科學(xué)探究能力和分析歸納及建模的科學(xué)思維水平。

關(guān)鍵詞：編程模擬實(shí)驗(yàn)；概念教學(xué)；分離定律；性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標(biāo)”）強(qiáng)調(diào)“教學(xué)過程重實(shí)踐”。為幫助學(xué)生理解核心概念，課標(biāo)指引教師在必修1、必修2的教學(xué)中開展11項和8項實(shí)驗(yàn)活動，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究深度學(xué)習(xí)有關(guān)概念、原理，發(fā)現(xiàn)規(guī)律和建構(gòu)模型。這對于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展和關(guān)鍵能力的提升有重要意義。在物質(zhì)條件或時空受限的情況下，一些學(xué)校會通過網(wǎng)絡(luò)開展概念教學(xué)和實(shí)驗(yàn)活動，教師一般以視頻播放、講解實(shí)驗(yàn)的形式來代替學(xué)生動手操作實(shí)驗(yàn)，造成學(xué)生缺少動手動腦的機(jī)會，影響教學(xué)效果。如何利用在線條件，取得理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果？對于某些與數(shù)學(xué)學(xué)科交叉的實(shí)驗(yàn)，教師可以通過編程模擬的方式，讓學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)。只要有網(wǎng)絡(luò)和電腦，學(xué)生就可以參與編程模擬實(shí)驗(yàn)。筆者以“模擬植物或動物性狀分離的雜交實(shí)驗(yàn)”為例，以編程等數(shù)字化手段輔助開展“孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)1——分離定律”概念教學(xué)。

一、編程模擬實(shí)驗(yàn)對概念教學(xué)的優(yōu)化

在以往的線下或線上教學(xué)中，一些教師對“模擬植物或動物性狀分離的雜交實(shí)驗(yàn)”不夠重視，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)在一些省份的開展率在50%以下。由于實(shí)驗(yàn)并不復(fù)雜，教師一般采用實(shí)驗(yàn)講解、題目訓(xùn)練的方式教學(xué)，也有教師安排5—10 min讓學(xué)生操作。這些教師忽略了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、規(guī)律的總結(jié)及模型的建構(gòu)。在核心概念的學(xué)習(xí)方面，學(xué)生對雜合子的遺傳因子在形成配子時的獨(dú)立性以及雌雄配子結(jié)合時的隨機(jī)性缺乏認(rèn)識。此外，學(xué)生缺少基于事實(shí)歸納概括、數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為概念模型等科學(xué)思維的鍛煉，學(xué)習(xí)效果大打折扣。

為了避免以上影響，筆者為學(xué)生提供了一個學(xué)習(xí)平臺，讓學(xué)生課前完成家庭實(shí)驗(yàn)，參與微信群小組合作，使用“問卷星”匯報實(shí)驗(yàn)成果，課上參與“騰訊課堂編程模擬”探究活動，歸納總結(jié)，建構(gòu)概念體系?；诰幊棠M實(shí)驗(yàn)優(yōu)化概念教學(xué)流程如下（如圖1）。

二、教學(xué)實(shí)施

（一）課前合作實(shí)驗(yàn)

1.初次探究：生活化合作式

課前，教師讓學(xué)生以小組為單位（每組6人），利用家中隨手可得的材料，操作“模擬植物或動物性狀分離的雜交實(shí)驗(yàn)”。對于實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，學(xué)生在“微信群”小組中討論。小組匯總問題后通過“問卷星”上報，并思考、理解概念做好課上匯報準(zhǔn)備。

學(xué)生在家庭實(shí)驗(yàn)中使用了豆粒、紙牌、糖塊、硬幣、夾子等簡單易得的材料。有的小組成員使用一樣的實(shí)驗(yàn)材料，有的則各不相同。學(xué)生通過初次實(shí)驗(yàn)探究，對配子中遺傳因子分離的概念有了初步的感知。這種生活化的實(shí)驗(yàn)大大提高了他們的探究興趣，而合作式、探究式實(shí)驗(yàn)也培養(yǎng)了他們的合作交流與解決問題的能力。

2. 創(chuàng)意編程：特長生顯神通

課前，教師調(diào)查哪些學(xué)生有信息技術(shù)特長，組建創(chuàng)意編程小組，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行編程創(chuàng)作，實(shí)現(xiàn)大樣本數(shù)據(jù)的快速模擬。學(xué)生設(shè)計了程序創(chuàng)作的思維流程圖（如圖2），并按照相應(yīng)的流程用Python語言編程。

（二）課上編程模擬實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)匯報：學(xué)生相互評價

在“騰訊課堂”中，教師從8個小組中選擇有代表性的3個小組請他們匯報實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果，讓其他學(xué)生指出其中問題所在、分析并提出修改意見。第一組展示：利用眉豆和黃豆代表兩種配子模擬實(shí)驗(yàn)。對此，立即有學(xué)生指出眉豆和黃豆形狀不同、大小不一，在抽取環(huán)節(jié)無法做到等概率，該實(shí)驗(yàn)有漏洞。第五組展示：使用大小相同的黃豆和黑豆代表兩種配子。對此，有學(xué)生指出代表雌雄生殖器的兩個碗中豆子的總數(shù)不同，該實(shí)驗(yàn)不嚴(yán)謹(jǐn)。隨后，有學(xué)生提出反對意見，“自然界中產(chǎn)生的雌雄配子總量本身就不同，雄配子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于雌配子，這組實(shí)驗(yàn)的設(shè)計更貼近生活”。教師對學(xué)生能夠理論聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行表揚(yáng)。第六組展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，三種基因型的比例并不接近1：2：1，兩種表型比例為17：8，也不符合3：1的比值。此時，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題所在，“別的小組實(shí)驗(yàn)次數(shù)為50—100次，而這個小組實(shí)驗(yàn)只有25次，太少，性狀分離比的比值是無法確定的”。學(xué)生通過匯報交流，提高了語言表達(dá)能力，同時通過糾錯，還提升了批判性思維、邏輯分析的科學(xué)思維水平。

2.編程再探：給予試錯機(jī)會

教師引領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)基于大數(shù)據(jù)的信息編程對性狀分離比的模擬（如圖3），在表格中精子、卵細(xì)胞兩列分別填寫A和a代表此生殖細(xì)胞分配得到的遺傳因子。教師設(shè)置問題如下：①若父本基因型為Aa，則精子一列應(yīng)填寫什么？若母本的基因型為AA，則在卵細(xì)胞一列應(yīng)填寫什么？②模擬雜合子自交，精子中A和a的數(shù)量如何設(shè)置？可以不同嗎？卵細(xì)胞呢？③精子和卵細(xì)胞各自的總量如何設(shè)置？可以不同嗎？自然界中是什么情況呢？④受精環(huán)節(jié)，一精一卵結(jié)合導(dǎo)致遺傳因子又能成對存在了。如果只形成一個受精卵，那么它的基因組成是什么？⑤如果形成4個受精卵，能預(yù)測它們的基因型及所占比例嗎？⑥如果形成40個受精卵呢？400個呢？40000個呢？⑦何種情況下后代分離比會偏離3：1而出現(xiàn)其他比值呢？教師引導(dǎo)學(xué)生推理在某種類型配子活力低、受精卵致死的情況下后代的比值，再進(jìn)行編程驗(yàn)證。

學(xué)生可能答錯，在編程模擬的驗(yàn)證中，教師要允許學(xué)生不斷試錯，要引導(dǎo)他們試錯后快速驗(yàn)證。如在填充數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，教師提出問題：精卵細(xì)胞數(shù)量是否一定相同？精子中A和a的數(shù)量是否一定要相同？結(jié)合次數(shù)不同是否影響最終的性狀分離比？在思考中，學(xué)生變被動探究為主動探究，提高了批判思維能力；在互動中，高效地理解概念、建構(gòu)概念。

3. 互動生成：構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

學(xué)生嘗試?yán)贸绦蜻M(jìn)行雜合子測交或其他雜交方式后代性狀比例的演繹，揭示基因分離的本質(zhì)，即成對的遺傳因子分離而進(jìn)入不同配子中，使得含有A的配子：a的配子=1：1。無論雜合子自交還是雜交，后代性狀比例取決于配子產(chǎn)生過程，而后代表型比值是在后代足夠多的情況下才會出現(xiàn)的概率比。隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生從觀察雜合子自交的性狀分離比到連續(xù)自交的情況，建立每一代表型和基因型比例的數(shù)學(xué)模型，培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理能力、數(shù)學(xué)計算能力，幫助學(xué)生理解基因分離定律的本質(zhì)。

（三）歸納與建構(gòu)概念體系

教師引導(dǎo)學(xué)生列出本節(jié)所學(xué)新名詞，并建立新的名詞之間的聯(lián)系，梳理概念（如圖4）。學(xué)生梳理多個名詞（概念），重組知識框架，以概念圖的形式進(jìn)行概念體系的深化應(yīng)用。教師創(chuàng)設(shè)問題情境進(jìn)行評價：“雜合子自交滿足哪些條件，后代才會出現(xiàn)3：1的性狀分離比？”學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)，得出答案：①雜合子產(chǎn)生等量的A和a的配子；②雌雄配子無致死現(xiàn)象；③雌雄配子隨機(jī)結(jié)合；④后代個體數(shù)量足夠多。學(xué)生回答問題，接受形成性評價，可以將探究形成的知識學(xué)以致用。

三、對編程模擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)的思考

（一）核心素養(yǎng)導(dǎo)向的概念教學(xué)倡導(dǎo)探究性實(shí)驗(yàn)，不能紙上談兵

分離定律是高中生物學(xué)中最難理解的概念之一，在物質(zhì)條件或時空受限的情況下是否仍有必要開展此實(shí)驗(yàn)？使用實(shí)物模擬是否能實(shí)現(xiàn)對概念的深度學(xué)習(xí)？相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊衽囵B(yǎng)學(xué)生的推理、建模等思維？這些都是需要思考的問題。

課標(biāo)強(qiáng)調(diào)，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是主動參與的過程，要讓學(xué)生積極參與動手和動腦的活動。教師采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與信息技術(shù)模擬編程實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式教學(xué)。在線下的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生利用身邊的材料進(jìn)行操作，初步感知配子中遺傳因子的分離。在課堂編程實(shí)驗(yàn)中，教師利用信息技術(shù)編程創(chuàng)設(shè)各種情境，大幅縮短了課堂實(shí)驗(yàn)操作的時間，降低了實(shí)驗(yàn)器材要求，同時也給予學(xué)生大量試錯的機(jī)會。教師通過電腦運(yùn)算創(chuàng)設(shè)大數(shù)據(jù)情境，引導(dǎo)學(xué)生探究雜交后代性狀分離比出現(xiàn)3：1的條件。同時，建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，讓學(xué)生深刻理解遺傳因子分離的概念，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。這種將信息技術(shù)與高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)融合的教學(xué)，突破了場地、時間、實(shí)驗(yàn)材料的限制，變“紙上談兵的黑板實(shí)驗(yàn)”為學(xué)生真正能參與和操作的實(shí)驗(yàn)，這正是課標(biāo)倡導(dǎo)的。

（二）編程模擬實(shí)驗(yàn)有廣泛的應(yīng)用場景，但要注意適用范圍

高中生物學(xué)在微觀的細(xì)胞領(lǐng)域和宏觀的種群實(shí)驗(yàn)中，與數(shù)學(xué)、信息技術(shù)存在交叉，這為編程模擬實(shí)驗(yàn)提供了豐富的應(yīng)用場景。例如：教材建議“制作真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)模型”“制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”，教師可以使用建模軟件進(jìn)行立體建模，并使用3D設(shè)備打印，制作真核生物、原核生物、病毒的立體圖、剖面圖，DNA、RNA的空間結(jié)構(gòu)模型，幫助學(xué)生進(jìn)行形象化的對比分析；教材還建議“用數(shù)學(xué)方法討論自然選擇使種群的基因頻率發(fā)生變化”。此外，在“哈代—溫伯格定律”“使用抽樣方法調(diào)查種群數(shù)量”的概念教學(xué)中，教師可以使用信息技術(shù)編程將數(shù)學(xué)與生物學(xué)科聯(lián)系，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型加深學(xué)生對概念的理解。然而，并非所有實(shí)驗(yàn)都適合用編程模擬的形式實(shí)施，如物質(zhì)的檢測、探究某種因素對生物代謝活動的影響等，這些實(shí)驗(yàn)往往需要真實(shí)的生化反應(yīng)或觀察生命活動的變化。實(shí)驗(yàn)中物質(zhì)添加的順序、相對含量、環(huán)境因素的控制等都會對實(shí)驗(yàn)造成影響，這些因素的控制環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)中的意外狀況、發(fā)現(xiàn)的新問題往往是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的關(guān)鍵。如果使用編程模擬實(shí)驗(yàn)則會失去這些寶貴的機(jī)會。因此，要注意編程模擬實(shí)驗(yàn)的適用范圍，避免為使用技術(shù)而使用技術(shù)。

在編程模擬實(shí)驗(yàn)中設(shè)計與開發(fā)是難點(diǎn)。對于信息素養(yǎng)普遍不夠高的教師群體來說，開發(fā)的過程只能以部分特長生為主體，大部分學(xué)生無法參與。在面向全體學(xué)生的編程模擬實(shí)驗(yàn)中，教師應(yīng)更加重視實(shí)驗(yàn)原理、思路的體現(xiàn)。學(xué)生通過模擬實(shí)驗(yàn)，在短時間內(nèi)可以快速檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與預(yù)測一致，再不斷提出新的假設(shè)，以此訓(xùn)練其提出假設(shè)、建構(gòu)模型的能力和思維。教師不應(yīng)將教學(xué)重點(diǎn)放在信息編程等技術(shù)的開發(fā)上。

信息時代，編程模擬實(shí)驗(yàn)可以給予學(xué)生平等實(shí)驗(yàn)探究的機(jī)會。教師應(yīng)把握實(shí)驗(yàn)教學(xué)的適切性、時效性，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對概念教學(xué)的支持。筆者相信，這種可以挖掘課堂深度、創(chuàng)設(shè)更具探究情境的教學(xué)方法是值得開發(fā)和推廣的，用編程等技術(shù)手段輔助概念教學(xué)也是符合課標(biāo)要求、順應(yīng)時代發(fā)展的。

注：本文系廣東省教育科學(xué)規(guī)劃2021年度中小學(xué)教師教育科研能力提升計劃項目“中學(xué)生物學(xué)‘?dāng)?shù)字·模擬·實(shí)踐’創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建與應(yīng)用”（編號：2021YQJK140）、廣東省2021年度中小學(xué)教師培訓(xùn)中心科研課題“基于核心素養(yǎng)的高中生物學(xué)大概念教學(xué)策略研究”（編號：GDP-2021-G006）、廣州市2021年教育科學(xué)規(guī)劃課題“融合人工智能技術(shù)的高中生物新教材課程的實(shí)踐研究和應(yīng)用”（編號：202113683）的研究成果。

參考文獻(xiàn)

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（作者王坤系廣東省廣州市第六中學(xué)一級教師；王聯(lián)新系廣東省廣州市禺山高級中學(xué)正高級教師，特級教師；劉付香系廣東省中山市實(shí)驗(yàn)中學(xué)高級教師）

責(zé)任編輯：祝元志