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(duì)于缺乏真實(shí)實(shí)驗(yàn)裝備（或時(shí)空受限）的學(xué)校而言多了一種替代方案。以“模擬植物或動(dòng)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(guò)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(cuò)，深刻理解孟德?tīng)柤僬f(shuō)，使其在科學(xué)探究中實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jiǎn)稱(chēng)“課標(biāo)”）強(qiáng)調(diào)“教學(xué)過(guò)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(kāi)展11項(xiàng)和8項(xiàng)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，讓學(xué)生通過(guò)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(duì)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(shí)空受限的情況下，一些學(xué)校會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展概念教學(xué)和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，教師一般以視頻播放、講解實(shí)驗(yàn)的形式來(lái)代替學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，造成學(xué)生缺少動(dòng)手動(dòng)腦的機(jī)會(huì)，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(duì)于某些與數(shù)學(xué)學(xué)科交叉的實(shí)驗(yàn)，教師可以通過(guò)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(dòng)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(kāi)展“孟德?tīng)柕耐愣闺s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(duì)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(duì)“模擬植物或動(dòng)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(kāi)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(duì)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(duì)雜合子的遺傳因子在形成配子時(shí)的獨(dú)立性以及雌雄配子結(jié)合時(shí)的隨機(jī)性缺乏認(rèn)識(shí)。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(gè)學(xué)習(xí)平臺(tái)，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(wèn)卷星”匯報(bào)實(shí)驗(yàn)成果，課上參與“騰訊課堂編程模擬”探究活動(dòng)，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(dòng)物性狀分離的雜交實(shí)驗(yàn)”。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，學(xué)生在“微信群”小組中討論。小組匯總問(wèn)題后通過(guò)“問(wèn)卷星”上報(bào)，并思考、理解概念做好課上匯報(bào)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(jiǎn)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(guò)初次實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)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(wèn)題的能力。

2. 創(chuàng)意編程：特長(zhǎng)生顯神通

課前，教師調(diào)查哪些學(xué)生有信息技術(shù)特長(zhǎng)，組建創(chuàng)意編程小組，對(duì)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(jì)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(yǔ)言編程。

（二）課上編程模擬實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)匯報(bào)：學(xué)生相互評(píng)價(jià)

在“騰訊課堂”中，教師從8個(gè)小組中選擇有代表性的3個(gè)小組請(qǐng)他們匯報(bào)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果，讓其他學(xué)生指出其中問(wèn)題所在、分析并提出修改意見(jiàn)。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(duì)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(wú)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(duì)此，有學(xué)生指出代表雌雄生殖器的兩個(gè)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(duì)意見(jiàn)，“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(jì)更貼近生活”。教師對(duì)學(xué)生能夠理論聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行表?yè)P(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(shí)，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，“別的小組實(shí)驗(yàn)次數(shù)為50—100次，而這個(gè)小組實(shí)驗(yàn)只有25次，太少，性狀分離比的比值是無(wú)法確定的”。學(xué)生通過(guò)匯報(bào)交流，提高了語(yǔ)言表達(dá)能力，同時(shí)通過(guò)糾錯(cuò)，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(cuò)機(jī)會(huì)

教師引領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)基于大數(shù)據(jù)的信息編程對(duì)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(xiě)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(wèn)題如下：①若父本基因型為Aa，則精子一列應(yīng)填寫(xiě)什么？若母本的基因型為AA，則在卵細(xì)胞一列應(yīng)填寫(xiě)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(duì)存在了。如果只形成一個(gè)受精卵，那么它的基因組成是什么？⑤如果形成4個(gè)受精卵，能預(yù)測(cè)它們的基因型及所占比例嗎？⑥如果形成40個(gè)受精卵呢？400個(gè)呢？40000個(gè)呢？⑦何種情況下后代分離比會(huì)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(lèi)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(cuò)，在編程模擬的驗(yàn)證中，教師要允許學(xué)生不斷試錯(cuò)，要引導(dǎo)他們?cè)囧e(cuò)后快速驗(yàn)證。如在填充數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，教師提出問(wèn)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(dòng)探究為主動(dòng)探究，提高了批判思維能力；在互動(dòng)中，高效地理解概念、建構(gòu)概念。

3. 互動(dòng)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(cè)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(duì)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(wú)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(guò)程，而后代表型比值是在后代足夠多的情況下才會(huì)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(jì)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(gè)名詞（概念），重組知識(shí)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(wèn)題情境進(jìn)行評(píng)價(jià)：“雜合子自交滿(mǎn)足哪些條件，后代才會(huì)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(wú)致死現(xiàn)象；③雌雄配子隨機(jī)結(jié)合；④后代個(gè)體數(shù)量足夠多。學(xué)生回答問(wèn)題，接受形成性評(píng)價(jià)，可以將探究形成的知識(shí)學(xué)以致用。

三、對(duì)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(shí)空受限的情況下是否仍有必要開(kāi)展此實(shí)驗(yàn)？使用實(shí)物模擬是否能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wèn)題。

課標(biāo)強(qiáng)調(diào)，學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程是主動(dòng)參與的過(guò)程，要讓學(xué)生積極參與動(dòng)手和動(dòng)腦的活動(dòng)。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(shí)間，降低了實(shí)驗(yàn)器材要求，同時(shí)也給予學(xué)生大量試錯(cuò)的機(jī)會(huì)。教師通過(guò)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(shí)，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(chǎng)地、時(shí)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型加深學(xué)生對(duì)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(cè)、探究某種因素對(duì)生物代謝活動(dòng)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(dòng)的變化。實(shí)驗(yàn)中物質(zhì)添加的順序、相對(duì)含量、環(huán)境因素的控制等都會(huì)對(duì)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(wèn)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(huì)失去這些寶貴的機(jī)會(huì)。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(jì)與開(kāi)發(fā)是難點(diǎn)。對(duì)于信息素養(yǎng)普遍不夠高的教師群體來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)的過(guò)程只能以部分特長(zhǎng)生為主體，大部分學(xué)生無(wú)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(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，在短時(shí)間內(nèi)可以快速檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與預(yù)測(cè)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(kāi)發(fā)上。

信息時(shí)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(huì)。教師應(yīng)把握實(shí)驗(yàn)教學(xué)的適切性、時(shí)效性，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)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(kāi)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(shí)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(jì)劃項(xiàng)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(hào)：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(hào)：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(hào)：202113683）的研究成果。

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

責(zé)任編輯：祝元志