大數據可視化視域下模擬孟德爾雜交實驗

（浙江省溫州市洞頭區第一中學 浙江溫州 325700）

模擬實驗是促進學生生物學學科核心素養形成的有效途徑之一，在豐富學生感性認識的同時培養其實驗探究與創新能力。孟德爾兩大遺傳定律是高中生物學《必修2·遺傳與進化》中的重要內容，其難點之一是對分離和自由組合現象進行解釋。為突破該教學難點，2019年版浙科版生物學教材安排了“模擬孟德爾雜交實驗”活動。

隨著信息時代的來臨，課堂教學方式、學習方式也發生了重大的變革。可視化作為一種新興形象化的信息表征方式，逐漸流入學科教學的各個方面。在教學過程中知識表征的可視化，有利于促進學生對知識的理解與內化、表達與交流、應用與創新。因此，下面構建可視化模擬實驗過程，并基于Excel軟件中的函數功能實現孟德爾雜交實驗模擬大數據的生成與統計，應用圖表功能實現模擬實驗結果的可視化。

1 大數據可視化視域下1對相對性狀的模擬雜交實驗

1.1 構建可視化模型

教師根據浙科版生物學教材對模擬實驗過程的文字描述，構建如圖1所示的可視化模型，從而優化教學內容使模擬過程具體化、形象化。在此基礎之上，師生共同分析可視化模型中信封、卡片、抽取卡片、結合卡片等蘊含的生物學意義，增強學生對模型和建模思想的理解，培養他們運用模型進行實驗探究的能力。如圖1所示，信封1和信封2分別表示F1中的雌、雄個體。信封中都裝有相同數量的Y、y卡片，表示F1中的雌、雄個體各自產生2種相同比例的配子。在模擬過程中，步驟（1）與（2）代表從信封中隨機抓取卡片，獲得Y或y卡片概率各為0.5，即模擬F1產生配子的過程（模擬分離定律）。步驟（3）表示將雌雄配子結合在一起，模擬受精作用。

1.2 批量生成大數據

對模擬實驗過程正確理解的基礎上，班級各小組開展模擬實驗，教師記錄并匯總各小組模擬數據。由于課堂中模擬實驗進行次數有限，模擬實驗結果也難以趨于真實的分離比。因此，教師可進一步借助Ex?cel軟件簡單函數功能批量獲取大數據，從而使實驗數據更加充足，結果更為可靠。

在Excel軟件中構建如圖2所示界面，在單元格B3 中輸入公式“=IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）&IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）”，即可獲得1個模擬數據。RAND（）函數用于生成位于[0，1）之間的隨機數字，生成的隨機數字介于[0，0.5）、[0.5，1）內的概率均為0.5。IF（條件，甲，乙）為邏輯函數，當括號內的條件滿足時返回甲值；不滿足時返回乙值。單元格B3中一共存在2個“IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）”，均表示隨機生成的數字在[0，0.5）內輸出Y，生成的隨機數字在[0.5，1）內輸出y，與模擬Yy個體產生Y、y配子的情況一致?？梢哉J為，單元格B3公式中前一個“IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）”模擬雌性個體產生的配子，后一個“IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）”模擬雄性個體產生的配子，公式中的“&”是連字符，將雌雄個體產生的配子結合在一起，即模擬受精作用產生F2。

進行批量獲得大數據時，只需選擇單元格B3右拉至單元格K3，即可完成10次模擬，緊接著選中單元格B3至K3，下拉可快速獲取更多的數據。此外，在Excel界面中可以重新定義行序，從而精準獲知每次模擬的實驗數據，如尋找第51次模擬的數據，定位第5行第1列單元格即可，從而使每一次的模擬結果都是清楚可見的。圖2為選中單元格B3至K3下拉至人為定義的第99行，從而批量產生1 000個模擬實驗數據（由于數據較多，人為定義的第6到92行數據未進行展示）。

1.3 快速統計大數據

對于上述批量獲得的大數據，還需要一種有效的方法進行快速統計。同樣，應用Excel軟件函數功能實現數據快速統計。如圖2所示，以單元格M3為例，輸入的公式為“=SUMPRODUCT（N（EXACT（B：K，"YY"）））”，可實現快速統計出B列至K列1000個模擬數據中“YY”數量的功能。在該公式中，EXACT（）是用來測試兩個字符串是否完全相同，如果它們完全相同則返回TRUE；否則返回FALSE。N（）是一個用來返回轉換為數值的函數，SUMPRODUCT（）是條件累積求和函數。整個公式的含義為在B列至K列里面，遇到與“YY”字符串完全一致的，則EXACT（）函數輸出為TRUE，N（）函數結果計1，SUMPRODUCT（）函數對此進行累加，因而實現對“YY”字符的統計。統計Yy、yY和yy的數量，只需對公式進行略微修改，就能快速統計出B列至K列里面Yy、yY和yy的數量，結果分別為257、231和256。最后，利用Sum（）求和公式獲取模擬的總次數，以驗證上述公式統計結果與左側模擬次數是否一致。

1.4 大數據可視化分析

基于獲得的大數據和統計結果，應用Excel軟件圖表工具實現結果可視化。如圖3所示，分別將表格中的二維數據以柱形圖和餅狀圖的形式進行展示（Yy、yY兩種組合方式在繪圖時都記為Yy），結果十分直觀、形象。由圖3可知，模擬實驗結果十分接近孟德爾1對相對性狀雜交實驗的分離比1∶2∶1，說明Excel軟件在“模擬孟德爾雜交實驗”活動中的應用效果佳，在教學實踐過程中具有可行性。

2 大數據可視化視域下2對相對性狀的模擬雜交實驗

2.1 構建可視化模型

對于模擬2對相對性狀的雜交實驗而言，情況更為復雜。在建構好的可視化模型中（圖4），教師需進一步分析模擬步驟的實際含義，增強學生對模擬過程的直觀體驗和認識。教學過程中，可通過創設一系列問題串的形式讓學生進行討論，①雌1和雌2分別代表什么含義？②哪些步驟模擬分離定律，哪些步驟模擬自由組合定律？③信封1中2種卡片數量與信封3中卡片數量是否一定要相等？④預計模擬結果有多少種組合方式？有多少種基因型？學生討論過程中，教師予以適當幫助和指導，進一步培養學生利用可視化模型對所學知識進行遷移、應用的能力。

2.2 批量產生大數據

2對相對性狀的模擬雜交實驗中，F2的基因型實際上是由4張卡片結合而成，因此函數里面需要有4個IF（）函數。如圖5所示，在單元格B3中輸入的公式為“=IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）&IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）&IF（RAND（）<0.5，"R"，"r"）&IF（RAND（）<0.5，"R"，"r"）”，即可得到1個模擬數據。由于2對相對性狀的模擬實驗后代會出現16種結合方式，因此該模擬實驗需要有更多的數據作為支撐，才能得到精準的性狀分離比。圖5是選中單元格B3-K3，下拉至人為定義的第479行，總共進行了4 800次模擬的數據結果（說明：由于數據較多，人為定義的18～477行數據未進行展示）。

2.3 統計大數據

在“2對相對性狀的模擬雜交實驗”課堂教學過程中，很多教師會直接簡化甚至忽略數據統計和數據展示階段，原因為統計過程極其麻煩且耗時、耗力，需將16種可能的組合方式一一統計并求和。為充分體現模擬實驗應有的價值和地位，同樣也可以應用Excel軟件函數功能解決上述問題。在單元格M3中輸入公式“=SUMPRODUCT（N（EXACT（B：K，"YYRR"）））”即可快速統計出4 800個模擬數據中“YYRR”的數量，其他組合方式的統計公式與上述N3中的公式相似，最終結果如圖5所示。利用求和Sum（）函數計算出Y_R_、yyR_、Y_rr和 yyrr的數量，分別為 2 669、894、927和310。

2.4 大數據可視化分析

基于獲得的大數據和統計結果，應用柱形圖和餅狀圖實現實驗結果可視化。如圖6所示，Y_R_、yyR_、Y_rr和yyrr的比值十分接近9∶3∶3∶1，說明模擬結果非常接近孟德爾2對相對性狀雜交實驗的性狀分離比。

3 總結

“模擬孟德爾雜交實驗”的重點是提升學生對分離定律和自由組合定律實質的理解，在進行模擬實驗教學時，學生分組操作過程仍必不可少。在學生動手操作基礎上，進一步利用Excel軟件產生大數據、統計大數據、可視化展示大數據?；诖髷祿梢暬曈蛳履M孟德爾雜交實驗，具有如下幾個優勢：①應用Excel軟件簡單函數功能快速生成大數據，進一步提升模擬實驗的科學性；②從數據生成、統計和分析等方面入手，有助于學生在課堂中體驗模擬實驗過程的完整性；③實現模擬實驗步驟、結果的可視化教學可增強模擬實驗教學的直觀性和形象性。