葉培毅

摘 要：基于構(gòu)建高效課堂，提高初中生物實驗教學(xué)有效性的目的，針對模擬實驗的特點，分析應(yīng)用Scratch編程于生物模擬實驗中的優(yōu)勢。以“模擬保護(hù)色形成過程”實驗為例，圍繞“模型”實驗的結(jié)論要便于類推回“原型”的原則，詳細(xì)介紹程序設(shè)計的主要步驟和注意點。通過增強模擬實驗結(jié)果的直觀性，最大限度地彌補模擬實驗“非真實性”的不足，讓學(xué)生能夠在最短的時間內(nèi)高效完成科學(xué)探索過程，學(xué)會在實驗中獲取證據(jù)，并對數(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：生物實驗;Scratch;創(chuàng)意編程;模擬實驗

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)模塊的方式來編寫程序，可以制作出交互式的游戲、動畫、腳本等。學(xué)生在學(xué)習(xí)編程的過程中，經(jīng)常利用其來編寫一些科學(xué)探索類的小程序，不僅能提高編程水平，還可以對已有的學(xué)科知識、概念進(jìn)行深化學(xué)習(xí)與探索創(chuàng)新[1]。中學(xué)生物課中的模擬實驗與其他科學(xué)探究活動一樣，是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和獲取生物知識的重要途徑，是受各種因素制約而無法直接開展的“非真實性”實驗。因此這些模擬實驗特別適合與Scratch編程結(jié)合起來，達(dá)到構(gòu)建高效課堂，提高實驗教學(xué)有效性的目的。

一、Scratch應(yīng)用于生物模擬實驗的優(yōu)勢

生物模擬實驗不是真實的實驗，是通過創(chuàng)建與“原型”相似的“模型”對象，并對其進(jìn)行實驗和研究，得出直接結(jié)論后再運用類比推理的方式實現(xiàn)“模型”到“原型”的類推，得出最終的結(jié)論[2]。模擬實驗應(yīng)該盡量貼近“原型”，讓學(xué)生通過觀察和操作“模型”來形成概念認(rèn)知的基礎(chǔ)，在觀察、操作、探索與發(fā)現(xiàn)的過程中，加以比較、綜合、聯(lián)想和概括，通過類比的形式構(gòu)建知識，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，可以最大限度地彌補模擬實驗“非真實性”的不足，通過仿真的實驗條件進(jìn)行連貫的實驗操作、計算或互動體驗后，完整地展示一個科學(xué)探索的過程，增強模擬實驗結(jié)果的直觀性，有利于學(xué)生將“模型”實驗的結(jié)論類推回“原型”。

二、“模擬保護(hù)色的形成過程”探究活動分析

“模擬保護(hù)色的形成過程”實驗是人教版生物八年級下冊《生物進(jìn)化的原因》一節(jié)中的內(nèi)容。讓學(xué)生通過探究活動，認(rèn)識并推測出保護(hù)色的形成過程，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事例入手，用大彩紙或布塊模擬“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”，通過統(tǒng)計存活的個體數(shù)，找出哪種體色的“獵物”最適宜在該“環(huán)境”中生存，驗證對曼徹斯特地區(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)說做鋪墊。

按照教材的分組活動方案，存在如實驗準(zhǔn)備煩瑣、操作不便、記錄與安放下一代個體時無效時間消耗過多、“捕獵者”受主觀因素影響容易刻意選擇等問題，最終不僅實驗的準(zhǔn)確性受到影響，也不利于教師進(jìn)行指導(dǎo)與評價。而通過編程模擬實驗，就能快捷有效地完成探究活動，避免出現(xiàn)上述問題。

三、“模擬保護(hù)色的形成過程”模擬實驗的開發(fā)實例

1.任務(wù)目標(biāo)

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

2.作品說明

用黃、藍(lán)、綠、紅四種不同顏色的小圓點代表同一種生物（以某種昆蟲為例）不同體色的變異個體。操作者代表“捕食者”，可以對這種“獵物”昆蟲進(jìn)行捕食（點擊小圓點），“捕食者”的捕食是隨機性的。當(dāng)存活的個體數(shù)減少到一定數(shù)量后，設(shè)置剩余的個體會通過繁衍使昆蟲的總數(shù)維持穩(wěn)定狀態(tài)，并進(jìn)入下一代。經(jīng)過五代后，看看最后剩下的所有昆蟲中，哪種體色的昆蟲個體存活數(shù)最大。實驗程序的初始頁面如圖1所示。

3.開發(fā)步驟

變量設(shè)置：針對各主要元素，首先設(shè)置好“黃”“藍(lán)”“綠”“紅”“總數(shù)”“代”6個變量，再設(shè)置“變暗”這一變量（賦值為0或1），使各角色被點擊時（“變量”=1），可以變暗消失。增加“背景顏色”變量，利用滑桿來改變環(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（昆蟲個體）“總數(shù)”這一變量的初始值設(shè)置為40，其中“黃”“藍(lán)”“綠”“紅”四個角色對應(yīng)的初始值均為10。以體色為“紅”色的角色為例，編寫如圖2所示程序，讓其在舞臺背景上克隆出10個紅色小圓點。接下來如圖3所示，設(shè)置“紅”色小圓點作為克隆體啟動時，隨機分布在背景的不同位置，且不碰到舞臺邊緣或與其他小圓點重疊。利用“變暗”這一變量，當(dāng)捕獵者點擊任一紅色小圓點（捕食），即小圓點此時檢測到鼠標(biāo)指針并按下鼠標(biāo)后，變量“變暗”的值為1，則該小圓點被刪除，并播放一個聲音“?！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重新在背景中隨機位置出現(xiàn)。重復(fù)執(zhí)行至第5代實驗結(jié)束。其他“黃”“藍(lán)”“綠”三個角色的操作與“紅”角色相同，只需將程序復(fù)制過去，并將變量“紅”相應(yīng)更改為“黃”“藍(lán)”或“綠”即可。

在舞臺背景中，設(shè)置點擊綠旗時開始，選擇所需背景顏色后進(jìn)入第1代捕食實驗。隨著實驗進(jìn)行，各種顏色小圓點的總數(shù)減少至不足30時，廣播“計數(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)置點擊任意小圓點后，剩余的所有小圓點也跟著消失，1.5秒后“變暗”變量恢復(fù)為0，此時剩余小圓點再次于隨機位置重新出現(xiàn)。程序編寫如圖4所示。

仍以體色為“紅”色的角色為例，當(dāng)接收到“計數(shù)”后，將剩余的紅色小圓點按數(shù)量*1.3倍克?。捶敝吵龅男乱淮鷤€體），如圖5所示。使四種體色的昆蟲總數(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”三個角色程序編寫與“紅”這一角色相同，只需復(fù)制過去并將變量“紅”進(jìn)行相應(yīng)更改即可。將編寫好的程序運行及調(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

與一般的模擬實驗的設(shè)計相同，編寫相關(guān)程序開展模擬實驗同樣包括了解原型、提出假設(shè)、建立模型、實驗與概念建構(gòu)等幾個主要步驟。利用Scratch編寫模擬實驗時應(yīng)首先注重實驗的有效性，注重其蘊含的思維過程，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，做到清晰簡潔，結(jié)果明確且有利于展示、評價和交流。教師應(yīng)該著重引導(dǎo)學(xué)生在實驗后對實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，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，因此教師可以根據(jù)實際情況選擇使用。將模擬實驗的相關(guān)編程作品運用于課堂實驗教學(xué)除了可以豐富教學(xué)內(nèi)容，增強實驗教學(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。以本實驗的開發(fā)為例，因涉及的編程內(nèi)容較為簡單，沒有復(fù)雜的算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模塊擴展，學(xué)生經(jīng)過信息技術(shù)課3～5課時的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，可以讓學(xué)生在Scratch編程學(xué)習(xí)中融合生物科學(xué)知識，在教師指導(dǎo)下快速實現(xiàn)一個模擬實驗的制作與探究，不僅能激發(fā)興趣、學(xué)習(xí)更多知識和技能，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.初中生物模擬實驗的內(nèi)涵、價值及實施[J].江蘇教育，2016（35）：50-51，55.

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

注：本文系福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度立項課題“基于人工智能技術(shù)的STEAM教育——微造物坊的實踐與研究”（立項批準(zhǔn)號：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年度立項課題“科學(xué)與工程、技術(shù)整合在初中生物實驗教學(xué)設(shè)計中的實踐研究”（19088）項目相關(guān)成果。