利用Python改進(jìn)性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)

許 凡 （深圳第二外國語學(xué)校 廣東深圳 518110）

模擬實(shí)驗(yàn)是一種常用的科學(xué)探究方法。通過對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行模擬并建立模型，在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，進(jìn)而揭示研究對(duì)象的本質(zhì)與活動(dòng)規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分析

性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中活動(dòng)建議“模擬植物或動(dòng)物性狀分離的雜交實(shí)驗(yàn)”，是人教版教材必修2《遺傳與進(jìn)化》模塊中第1 章“遺傳因子的發(fā)現(xiàn)”中的重要實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生通過模擬實(shí)驗(yàn)從感性上認(rèn)識(shí)遺傳因子的分離、配子的隨機(jī)結(jié)合與性狀之間的數(shù)量關(guān)系，通過體驗(yàn)孟德爾的假說深刻理解性狀分離比產(chǎn)生的原因及條件，從而突破分離定律的本質(zhì)這一教學(xué)重難點(diǎn)［1］。

該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)器材僅為顏色不同的乒乓球與塑料小桶，易于準(zhǔn)備，但在實(shí)際教學(xué)過程中，更多教師選擇用動(dòng)畫或講解的方法完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而非讓學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)雖操作簡單，但若希望實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)正確的性狀分離比，則需要加大抽取次數(shù)以確保樣本量足夠大，這會(huì)增加耗時(shí)；且該實(shí)驗(yàn)中雌、雄配子隨機(jī)結(jié)合是模擬實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。但人為抓取很難保證隨機(jī)性［2］。

2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案

原理：原實(shí)驗(yàn)中以2個(gè)小桶分別模擬雌、雄生殖器官，顏色不同的乒乓球模擬基因型不同的雌、雄配子，再通過隨機(jī)抽取并組合模擬雌、雄配子的隨機(jī)結(jié)合。從數(shù)學(xué)的角度上看，雌、雄生殖器官相當(dāng)于2 個(gè)集合，雌、雄配子的基因型即集合中的元素，若設(shè)計(jì)一段Python 語言，每次運(yùn)行均可隨機(jī)從2 個(gè)集合中各抽取1 個(gè)元素并進(jìn)行組合，便能完整模擬該過程。

Python 是一種跨平臺(tái)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言。是一個(gè)高層次的結(jié)合了解釋性、編譯性、互動(dòng)性和面向?qū)ο蟮哪_本語言，常被用于軟件開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)爬蟲、科學(xué)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)等領(lǐng)域。且Python語言易于解讀，即使對(duì)編程一無所知，學(xué)生也可合理猜測代碼的含義并進(jìn)行簡單修改。本文嘗試?yán)肞ython 解釋器軟件編寫源代碼，使學(xué)生在課堂上可通過變更實(shí)驗(yàn)參數(shù)，快速獲得模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)配置：Python 解釋器有針對(duì)Linux、Windows、OS X 系統(tǒng)的版本可從http://python.org/免費(fèi)下載。本節(jié)課所用程序運(yùn)算量較小，只要能安裝系統(tǒng)的電腦均可順利運(yùn)行。但一般的Python 解釋器界面比較單一，推薦下載“海龜編輯器”供上課使用（https://python.codemao.cn/）。

方法步驟：利用編程類軟件（如“海龜編輯器”）編輯Python 語言，輸入如圖1程序后，保存為“*.py”格式文件。在課堂上學(xué)生只需要點(diǎn)擊運(yùn)行，即可出現(xiàn)雌、雄配子每次隨機(jī)結(jié)合的基因型，并統(tǒng)計(jì)出各種基因型出現(xiàn)的次數(shù)（圖2），且每次運(yùn)行都是獨(dú)立事件，會(huì)獲得不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 利用Python 模擬豌豆雜交實(shí)驗(yàn)（一）

圖2 運(yùn)行程序后呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 改進(jìn)方案優(yōu)勢(shì)分析

3.1 快速獲得可靠結(jié)果，提高課堂效率 學(xué)生利用Python 進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需1 s 便能快速獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相較小球抽取的方法更加便捷，且電腦操作可保證隨機(jī)性。

3.2 學(xué)生可隨意修改樣本量 教師可將提供給學(xué)生的文件中的樣本量設(shè)置為10，當(dāng)學(xué)生運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)結(jié)果不符合3:1 時(shí)，教師再引導(dǎo)學(xué)生思考樣本量大小對(duì)于該實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度的影響。學(xué)生對(duì)程序文件進(jìn)行簡單修改后，可更改樣本量。具體操作方法為：將程序文件中“for i in range(1,11)”的數(shù)字進(jìn)行更改，即將“11”改為“樣本量+1”。若期望樣本量為100，則修改為“101”。經(jīng)筆者測試，即使將樣本量修改為10 000 后，也僅需3 s 即可出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.3 修改集合元素，利于學(xué)生自主學(xué)習(xí) 經(jīng)改進(jìn)后，操作時(shí)間極大縮短，實(shí)驗(yàn)的原理也更加清晰，教師可在此基礎(chǔ)上將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行延伸，探究基因連鎖現(xiàn)象與自由組合定律的本質(zhì)［3］。

在完成上述實(shí)驗(yàn)后，教師可提問：若A/a所在染色體上存在另一對(duì)等位基因B/b，且A和B在同一染色體上，如何修改程序模擬該個(gè)體自交后代性狀分離比？學(xué)生通過討論可得出結(jié)論：修改2個(gè)集合的元素，即將集合{A，a}修改為{AB，ab}。

進(jìn)一步提問：若A/a與B/b2對(duì)等位基因位于非同源染色體上，如何模擬非等位基因的自由組合與自交后代的性狀分離比？學(xué)生首先需要修改程序模擬非等位基因自由組合的過程（圖3），再模擬4 種配子結(jié)合的過程（程序見圖4）。

圖3 利用Python 模擬非等位基因自由組合過程

圖4 利用Python 模擬豌豆雜交實(shí)驗(yàn)（二）

學(xué)生在思考問題的同時(shí)便完成了知識(shí)的遷移，修改程序并運(yùn)行獲得相應(yīng)結(jié)果可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感，并具有高度自我效能感，使其有信心挑戰(zhàn)更多的遺傳學(xué)問題。

4 結(jié)語

隨著高中教學(xué)改革的逐步推進(jìn)，如何提高高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量成為當(dāng)前高中生物學(xué)教學(xué)面臨的又一挑戰(zhàn)。在新媒體背景下，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ叫枰饾u走進(jìn)高中課堂，如何科學(xué)利用新媒體技術(shù)推動(dòng)中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新發(fā)展，也是亟待教師思考的問題［4］。本文通過引進(jìn)Python語言模擬性狀分離比實(shí)驗(yàn)，可充分發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性，教師僅需在課前準(zhǔn)備好最初的編程語言，在課上對(duì)語言進(jìn)行簡單的講解、疑問解答，學(xué)生通過合作與討論，邊操作邊思考，邊討論邊嘗試，通過問題的深入與知識(shí)的遷移，學(xué)生對(duì)微觀的遺傳規(guī)律及本質(zhì)理解得更加透徹。

此外，當(dāng)前學(xué)科之間的交融愈發(fā)明顯，例如，在本節(jié)課Python 語言的編寫過程中，既要求學(xué)生正確理解生物學(xué)科孟德爾遺傳定律，也需要運(yùn)用高中數(shù)學(xué)“算法與程序框圖”的邏輯能力；既體現(xiàn)注重改造創(chuàng)新的技術(shù)型，又體現(xiàn)了注重項(xiàng)目改造開發(fā)的工程型，是STEM 教育（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）理念的具體應(yīng)用，提高學(xué)生聯(lián)系各學(xué)科知識(shí)及處理問題的能力。