利用Scratch設(shè)計的教育游戲改進生物實驗教學(xué)

［摘 要］在教育質(zhì)量與教育創(chuàng)新的雙重驅(qū)動下，可嘗試將教育游戲引入生物實驗課堂，以彌補傳統(tǒng)教學(xué)存在的不足。文章以“性狀分離比的模擬實驗”為例，使用Scratch編程軟件設(shè)計教育游戲，并將教育游戲引入中學(xué)生物實驗教學(xué)中，以期為教師提供新穎的教學(xué)形式，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和強化學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

［關(guān)鍵詞］Scratch；教育游戲；生物實驗；性狀分離比

［中圖分類號］ G633.91 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-6058（2024）26-0077-04

黨的二十大報告對辦好人民滿意的教育作出了重要部署，強調(diào)要“推進教育數(shù)字化”。習(xí)近平總書記在主持中共中央政治局第五次集體學(xué)習(xí)時指出：“教育數(shù)字化是我國開辟教育發(fā)展新賽道和塑造教育發(fā)展新優(yōu)勢的重要突破口?！碑斀?，人們對教育質(zhì)量的要求越來越高，對教育形式也提出了“創(chuàng)新”的要求。教育游戲是“教育數(shù)字化”的產(chǎn)物之一。賀拉斯在文藝功能論中提出“寓教于樂”的觀點，肯定了游戲教育的積極意義，為游戲教育提供了早期的理論支撐[1]。教師將教育游戲應(yīng)用到課堂中，并在符合教學(xué)要求的前提下進行正確引導(dǎo)，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和強化學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。中學(xué)生物實驗中，為節(jié)約時間、降低成本、保障安全，通常進行模擬實驗，但并非所有模擬實驗都能最大化課堂效益。為此，筆者建議教師嘗試采用教育游戲來改進效益不佳的實驗，如難以模擬或教育游戲能更快、更有效地達到教學(xué)目標的實驗。

基于上述思考，筆者以“性狀分離比的模擬實驗”為例，將實驗方案從傳統(tǒng)的模擬實驗變?yōu)榻逃螒蛐问?，運用Scratch編程軟件進行設(shè)計，并將其應(yīng)用到教學(xué)中。

一、結(jié)合實驗背景設(shè)計游戲

Scratch是一款由美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的面向兒童和青少年的編程軟件。在該軟件中，編程指令以一種清晰、直觀的方式來呈現(xiàn)，只需要像搭積木一樣將這些指令組織在一起即可完成編程任務(wù)[2]。當前，可用于設(shè)計教育游戲的編程軟件有很多，如Python、C++和Java等。然而，大部分生物教師的信息技術(shù)素養(yǎng)尚存在不足，若要使用專業(yè)編程軟件設(shè)計教育游戲，往往需要投入大量時間來提升自身的信息技術(shù)素養(yǎng)。相比之下，Scratch編程軟件操作簡單、易于上手，為沒有編程基礎(chǔ)的中學(xué)生物教師提供了一個理想的選擇。鑒于此，筆者結(jié)合“性狀分離比的模擬實驗”的實驗背景來對游戲進行設(shè)計，并利用Scratch編程軟件對游戲進行編程。

（一）“性狀分離比的模擬實驗”的實驗背景

《普通高中生物學(xué)課程標準（2017 年版2020年修訂）》中的活動建議提到了“模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗”，而“性狀分離比的模擬實驗”是人教版教材必修2《遺傳與進化》模塊第1章“遺傳因子的發(fā)現(xiàn)”中的重要實驗。該實驗旨在讓學(xué)生通過模擬實驗從感性上認識遺傳因子的分離、配子的隨機結(jié)合以及它們與性狀之間的數(shù)量關(guān)系，從而體驗孟德爾的假說，深刻理解性狀分離比產(chǎn)生的原因及條件，進而突破分離定律的本質(zhì)這一教學(xué)重難點[3-4]。

在進行該模擬實驗時，教師通常向甲和乙兩個塑料小桶分別裝入20個大小相同、顏色不同的小彩球，再讓學(xué)生分別從兩個桶內(nèi)隨機抽取一個彩球，并用筆和紙記錄下來，重復(fù)抽取30次。本實驗操作簡單，所用材料也極易獲取。但若希望實驗結(jié)果出現(xiàn)理想的性狀分離比，則需要加大抽取次數(shù)以確保樣本量足夠大。然而，抽取次數(shù)過多時，學(xué)生在計數(shù)過程中難免會出現(xiàn)錯誤，從而無法保證實驗結(jié)果的準確性和有效性。且該實驗中雌、雄配子隨機結(jié)合是模擬實驗成功的關(guān)鍵，而人為抽取很難保證隨機性。鑒于上述原因，在實際教學(xué)過程中，許多教師選擇用觀看視頻或講解的方式來完成該實驗的教學(xué)，而非讓學(xué)生親手操作，說明該模擬實驗的實際利用率并不高。

（二）游戲設(shè)計思路

筆者通過設(shè)計游戲來優(yōu)化并彌補教材中原有實驗的不足。游戲設(shè)計思路如下：首先，利用Scratch編程軟件中的循環(huán)指令和能夠確保隨機性的條件指令來設(shè)計游戲，以克服原模擬實驗中人為抽取小彩球存在的難以保證隨機性的問題；其次，設(shè)計比較簡單、有趣的角色來替代原模擬實驗中的實驗材料，并融入趣味元素以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；最后，設(shè)計的游戲應(yīng)操作簡單、耗時短，從而使學(xué)生能夠親自參與，改變以往大部分學(xué)生只能通過熒幕去觀看他人的操作來驗證孟德爾假說的狀況。

（三）游戲編程介紹

筆者根據(jù)上述設(shè)計思路，對游戲進行編程設(shè)計（Scratch編程軟件有多種版本，筆者所選用的版本為iOS系統(tǒng)運行的“Scratch啟蒙”APP）。筆者設(shè)計了兩個游戲背景。第一個背景用于展示該游戲的游戲規(guī)則（如圖1）；第二個背景為“Scratch啟蒙”APP素材庫中的“Hearts”背景（如圖2），從美學(xué)的視角出發(fā)，該背景更能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生參與課堂的興趣。

筆者在游戲中共使用了17個角色，當中有3個角色為筆者個人上傳的角色素材。這3個角色素材分別命名為“游戲失敗”“游戲勝利”和“Button5”，而其余均為“Scratch啟蒙”APP素材庫中的角色（如圖3）。其中，“抽取蘋果”和“抽取西瓜”是該游戲的關(guān)鍵所在。筆者為它們設(shè)計了兩個大小不同、標簽各異的造型，對應(yīng)的是教材中原模擬實驗的師生在彩球上用記號筆做標記的行為，旨在通過游戲表現(xiàn)出雜交實驗中相對性狀的物種。在游戲操作過程中，學(xué)生也可以根據(jù)自己的喜好在編程界面更換自己喜歡的游戲角色。

“事件”“外觀”“偵測”和“控制”類別指令是控制該游戲運行的主要指令?！笆录鳖悇e指令主要有“點擊”“廣播”和“接收廣播”。“事件”類別指令通常是觸發(fā)其他指令的前提，一旦接收到這些指令，就會觸發(fā)角色、背景或者音效的出現(xiàn)、變換等反應(yīng)?！巴庥^”類別指令主要用于角色和舞臺背景的隱藏、顯示以及替換?！皞蓽y”類別指令主要用于檢測角色、舞臺以及系統(tǒng)狀態(tài)等信息。該游戲主要會運用到“響度”和“計時器”兩種偵測指令?！翱刂啤鳖悇e指令主要用于控制角色或者舞臺背景執(zhí)行命令。

二、教學(xué)應(yīng)用

（一）教育游戲的安裝

對于擁有先進教學(xué)設(shè)備的學(xué)校，教師可以提前指導(dǎo)學(xué)生在課前將“Scratch啟蒙”APP下載并安裝到他們的課堂電子設(shè)備上。這樣，當課程進行到相關(guān)內(nèi)容時，學(xué)生就可以直接打開并應(yīng)用該軟件。而對于那些無法為學(xué)生提供個人設(shè)備的學(xué)校，教師可以利用智能白板（如希沃白板）在課堂上安裝后統(tǒng)一呈現(xiàn)。隨后，教師可以親自操作或挑選個別學(xué)生來演示游戲，讓其他學(xué)生在觀看和互動中達到共同學(xué)習(xí)的目的。

（二）教育游戲操作過程

在課堂上，教師讓學(xué)生對“高莖豌豆和矮莖豌豆雜交實驗的分析圖解”進行討論之后，提出：孟德爾的假說還可以通過一個實驗游戲來進一步驗證。接下來，教師可以組織學(xué)生或者指導(dǎo)學(xué)生利用智能白板打開“Scratch啟蒙”APP進行操作，具體過程如下：

第一步，點擊舞臺左上方的綠旗，使游戲界面回到最初始的“游戲規(guī)則”背景，讓學(xué)生觀看游戲的大致操作流程以及注意事項。

第二步，點擊“游戲開始”按鈕，舞臺背景隨之切換，出現(xiàn)游戲規(guī)則中所描述的角色——蘋果、西瓜和禮物盒等。筆者用水果（蘋果、西瓜）來替代教材中原模擬實驗的小彩球，用禮物盒來替代小桶。

第三步，根據(jù)屏幕提示，點擊“將水果裝進禮物盒”按鈕，此過程對應(yīng)模擬實驗中分別把大小相同、顏色不同的20個彩球標記后放入甲、乙兩個小桶的過程。

第四步，點擊“抽蘋果”按鈕，兩種不同造型的蘋果就會在舞臺上隨機出現(xiàn)。

第五步，學(xué)生大聲喊“停”，此時蘋果停止變換造型。第四步和第五步對應(yīng)模擬實驗中學(xué)生抽取彩球的過程。（抽取西瓜的操作同上述抽取蘋果的第四步和第五步相似）

第六步，點擊“NEXT”按鈕，進入下一關(guān)。該過程對應(yīng)模擬實驗中讓學(xué)生下一次抽取彩球的過程。

在游戲中，第四步和第五步是最為關(guān)鍵的步驟，主要運用“循環(huán)”控制指令和“響度”變量指令。當環(huán)境響度大于某一設(shè)定值時，循環(huán)結(jié)束。學(xué)生喊“停”就是為了使當時的環(huán)境響度大于95分貝。學(xué)生需要重復(fù)以上六個操作步驟，使變量框“關(guān)卡數(shù)”的值為30，并在規(guī)定時間200秒內(nèi)完成所有操作。滿足這兩個條件即可判斷為“游戲勝利”，系統(tǒng)會在一秒后停止所有腳本。若超過200秒或關(guān)卡數(shù)沒達到30，則在舞臺上顯示角色“游戲失敗”，系統(tǒng)會在一秒后停止所有腳本。為了最大限度地節(jié)約課堂時間，并且讓學(xué)生在操作過程中感受到一定的挑戰(zhàn)，激發(fā)學(xué)生完成游戲的興趣，筆者運用了“計時器”變量指令以及“條件”控制指令來為游戲設(shè)定時間限制?？紤]到學(xué)生每次操作的時間在6秒左右，因此將操作的總時間限制在200秒內(nèi)。

（三）游戲結(jié)果與交流討論

在完成上述所有操作后，教師進一步引導(dǎo)學(xué)生深入思考。教師向?qū)W生提問：“我們所得到的字母組合有哪些？”學(xué)生通過仔細查看游戲界面，可以發(fā)現(xiàn)只有DD、Dd、dd三種組合。

隨后，教師繼續(xù)提問：“那么每種組合的數(shù)量是多少？”學(xué)生可以通過觀察游戲界面上的“DD”“Dd”和“dd”變量積木中的數(shù)字來獲得答案并作答。這一過程能夠幫助學(xué)生更好地理解基因組合的多樣性以及性狀分離比的原理。

接著，教師讓學(xué)生將所獲得的數(shù)據(jù)進行計算，得出DD、Dd、dd三種組合之間的數(shù)量比。最后，教師再次提問：“依據(jù)我們計算得出的數(shù)量比，你認為孟德爾的豌豆雜交實驗中子二代出現(xiàn)3∶1的性狀分離比是偶然的嗎？”學(xué)生回答：“子二代出現(xiàn)3∶1的性狀分離比并非偶然。”

在師生討論過程中，學(xué)生通過游戲呈現(xiàn)的結(jié)果來回答問題，并通過計算，親自驗證了性狀分離比。教師將游戲結(jié)果與教材知識相聯(lián)系，讓學(xué)生通過游戲能夠獲得相應(yīng)的生物知識，這在一定程度上提升了學(xué)生解答問題的自信心。這種自我效能感使學(xué)生未來面對學(xué)習(xí)中的挑戰(zhàn)時更有信心，為其成長奠定堅實的基礎(chǔ)。

三、優(yōu)勢分析

（一）Scratch編程軟件簡單易行

在Scratch編程過程中，教師首先需要規(guī)劃好游戲的舞臺布局和角色背景的數(shù)量，然后根據(jù)教學(xué)創(chuàng)意和需求，精心設(shè)計游戲的各個環(huán)節(jié)。Scratch編程的獨特之處在于，它不需要像Python、C++或Java等傳統(tǒng)編程軟件那樣，要求用戶花費大量時間和精力去學(xué)習(xí)復(fù)雜的編程語言。Scratch更注重的是邏輯和算法思維，讓教師能夠通過直觀的積木式指令來快速構(gòu)建游戲。這種簡單而直觀的設(shè)計方式，不僅降低了編程設(shè)計的門檻，還使得設(shè)計過程變得輕松而有趣。

（二）教育游戲便捷有趣

在原模擬實驗操作過程中，需要準備足夠多的樣本量來確保實驗的準確性，而游戲不需要像模擬實驗?zāi)菢育嫶蟮臉颖玖?，只需要兩種不一樣的蘋果和兩種不一樣的西瓜就能夠保證結(jié)果的準確性和隨機性。通過“控制”類別指令能夠隨機抽取水果，并且所使用的水果角色大小不一，因此抽取過程中既能保證每一次抽取的隨機性，又便于識別所抽取的水果種類。原模擬實驗中，學(xué)生每抽取一次小球都需要將“抽取結(jié)果”與“抽取次數(shù)”用紙筆記錄。而在游戲的第六步點擊進入下一關(guān)時，“抽取結(jié)果”以及“抽取次數(shù)”都能夠由系統(tǒng)自動記錄在所顯示的變量框當中，彌補了原模擬實驗過程中可能出現(xiàn)的計數(shù)誤差。

此外，該游戲設(shè)計的特點還在于游戲操作時的趣味性。筆者將其設(shè)計為聲控游戲，可以增加學(xué)生的參與感和游戲的互動性，還通過添加音效，讓學(xué)生在點擊屏幕按鈕時擁有更加真實的體驗感。這樣的設(shè)計鼓勵學(xué)生親自參與游戲、自主探究并驗證孟德爾的假說，進一步強化了學(xué)生在課堂中的主體地位。

（三）利于學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)

能夠獨立使用課堂電子設(shè)備的學(xué)生，在操作過程中不僅可以作為玩家，還可以在編程界面上進行簡單的編程操作，從而逐步形成編程思維，并培養(yǎng)跨學(xué)科的思維方式。若學(xué)生能夠熟練運用Scratch編程軟件，可以將自己的創(chuàng)意與生物學(xué)知識相結(jié)合來制作游戲。這種方法能夠讓學(xué)生深入探索生物學(xué)領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生的問題解決能力。由此可見，在課堂中利用Scratch編程軟件設(shè)計教育游戲開展教學(xué)，既能讓學(xué)生在游戲中實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標，也能讓學(xué)生在一定程度上做到跨學(xué)科學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

四、結(jié)語

筆者以“性狀分離比的模擬實驗”為例，通過“Scratch啟蒙”APP自主編程，設(shè)計了一款與該模擬實驗過程相對應(yīng)的教育游戲。實踐發(fā)現(xiàn)，“Scratch啟蒙”APP能夠以簡單的編程操作設(shè)計出符合教學(xué)內(nèi)容的教育游戲，有效彌補了原模擬實驗中的不足，從而協(xié)助教師更好地達成教學(xué)目標。同時，學(xué)生也能從中養(yǎng)成較基礎(chǔ)的編程思維。將教育游戲引入實驗課堂這一教學(xué)形式，能夠提高學(xué)生參與課堂的興趣，在一定程度上提升教學(xué)效果。但是，并非所有的實驗教學(xué)都適合使用教育游戲，教師在設(shè)計教育游戲的過程中也要考慮學(xué)生的認知能力，過度使用或者使用不當，很可能會適得其反，導(dǎo)致學(xué)生對實驗內(nèi)容失去原有的興趣。因此，在推廣教育游戲應(yīng)用于實驗教學(xué)時，需合理設(shè)計，以使其教育效益最大化。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 卞地詩，陳飛揚，韓天舒.游戲教育的中外實踐比較及啟示[J].數(shù)字教育，2021（5）：86-92.

[2] 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（3）：42-43.

[3] 中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[4] 許凡.利用Python改進性狀分離比模擬實驗[J].生物學(xué)通報，2021（6）：35-37.

（責(zé)任編輯 羅 艷）