基于項目化學習（PBL）進行性狀分離比模擬實驗的探索

詹琪芳 （上海市盧灣高級中學 上海 200023）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出，“生物學課程要求學生主動地參與學習，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設、發現規律等過程中習得生物學知識，養成科學思維的習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習及創

新實踐能力”“加強學科間的橫向聯系，利于學生建立科學的生命觀，逐步形成正確的世界觀，發展生物學學科核心素養”［1］。由此可見，高中生物學注重學科間的相互聯系與科學精神的滲透，關注學生核心素養的達成，培養能適應未來發展的人。而項目化學習模式（project-based learning，簡稱PBL）作為培育科學素養的一種重要手段受到了普遍的關注并獲得了快速發展［2］。其指向問題解決能力的學習方式，通過對蘊含核心概念驅動性問題的持續探究，引發學生對真實復雜問題的思考和解決，調動所有知識、能力、品質等創造性地解決問題，形成公開可視化的成果，實現跨情境的知識遷移，切實培養學生對現實復雜問題的解決能力［3］。本文結合學生的實際認知水平，調動學生跨學科融合專業知識，以性狀分離比模擬實驗的改進為例，組織學生開展項目化學習，交流、展示項目成果，以項目激發學生的學習熱情，落實生物學學科核心素養。

1 分析實驗內涵，抓住問題本質

教材中的“性狀分離比的模擬實驗”，采用模型構建的方式驗證孟德爾的分離定律。學生通過從布袋中隨機抓取小球理解分離定律的實質，統計性狀的分離比。但該模擬實驗也存在一些不足，例如，抓取次數較多、耗時較長、統計繁瑣等。筆者在實施本節教學內容時，啟發學生思考模擬實驗的本質是什么？并以此為切入點，鼓勵學生運用發散思維改進實驗作為項目化學習的內容。

經過討論，學生一致認為“性狀分離比的模擬實驗”的核心是，雌、雄生殖器官能產生等比例的帶有等位基因的配子，且二者的結合是隨機的，這與雜合子的自交本質特征是相似的。無論如何改進，模擬實驗依據的科學本質是不能變的，變的是形式、裝置或操作等［4］。明確了不變的問題本質，學生按照自己的興趣特長組建項目小組，開展改進工作。教師需要提醒，變是為了使原有的操作更高效、現象更明顯，如果改變不能起到上述效果，需要轉變設計思路，嘗試其他改進方向。

2 嘗試分拆問題，確立任務目標

跨學科的項目化學習指向學生問題的解決能力，如果問題的解決超出了學生現有的水平，要將其轉化為與學生相關聯的驅動性問題，增加問題與學生的“黏性”，讓學生更易接受［5］。教師要帶領學生學會如何將較困難的大問題拆解，分割成容易上手的小問題，降低問題的處理門檻，學生可在積極的情感體驗中，進行具體的實施和思考，探索多樣的解決方案，培養創造性思維，提升學習的自我效能感。

對于實驗的改進，學生最初是盲目的，教師予以引導，讓學生嘗試說出原有實驗1～2 個缺點，目的是讓學生能結合實際操作進行思考、分析，自己發現需要改進的方面，同時教師給予充分的信任和鼓勵，實驗的改進很難做到完美，尤其是對經典實驗的改進，如果能改進其中的某個方面就是很大的進步。經過討論和分析，每個小組進一步確立了自己的改進目標，方向不盡相同：有的選擇縮短實驗時長，有的選擇減少主觀誤差，有的選擇精簡實驗裝置，有的選擇簡化統計過程等（圖1）。學生意識到，應用單一學科知識解決問題是難以實現的，須要糅合、運用多個學科靈活開展跨界學習實踐活動，培養高階思維能力。

圖1 分解“性狀分離比模擬實驗”中的問題示意圖

3 設計實踐活動，形成項目成果

跨學科的項目化學習指向培養具有綜合素質的問題解決者，整個過程需要學生親身體驗，需要學生帶有思考、假設、探究性質的動手、動腦的行動。在項目化學習中，學生大都扮演學科專家的角色，實踐活動更具有專業性，聚焦學科專業知識［6］。每個小組改進的方向不同，制定的目標也就不同，設計的實踐活動方案也有所差異，需要預先填寫項目報告（表1），根據擬定的方案改進實驗。本文摘選3 個具有代表性的小組的實施過程。

表1 基于項目化學習創新“性狀分離比模擬實驗”項目報告

3.1 縮短時長小組 教材中的實驗采用紙筆記錄數據，用計算器進行計算。學生首先想到用Excel 軟件替代計算器，批量計算可節約時間；實驗中抓取、放回、混勻小球的過程耗時費力，學生又想到可借助于網絡或APP 中現有的隨機程序，模擬“抓取小球”的實驗過程；后來有的學生提議運用信息課學習到的Visual Basic 語言（簡稱VB語言），自編一套實驗程序，可任意輸入抓取次數并計算比例，將實驗的過程、記錄和統計全部涵蓋，最大程度節省了實驗時間，由抓取1 000 次大約需要40 min 縮短到1 min（圖2）。從目標的設立，到模擬程序的完成，學生在不斷地假設、求證、推翻、設計、再求證的循環中形成迭代思考，最終完成了縮短時長的目標，跨學科應用知識解決問題的能力也得到了提升。

圖2 縮短時長小組的改進過程及VB 制作的模擬性狀分離比實驗程序

3.2 減少誤差小組 該小組認為用手從布袋中抓取小球，會不可避免地產生主觀誤差，如果裝置不是人為抓取，2 個布袋模擬的雌、雄生殖器官隨機產生精、卵配子，將會使實驗更加嚴謹［7］。方案①：在2 個培養皿中裝入黑、白色珠子，皿蓋上面覆蓋一層只留有一個孔的不透明紙片，雙手同時搖動，停下時觀察記錄小孔中珠子的顏色；方案②：在2 個透明罐子中各放一枚硬幣，封口，上下晃動，記錄硬幣的正、反面。2 個方案雖減少了人為誤差，但每次只能記錄一組數據。之后，學生又想到了一個可批量觀察組合的方案③：準備2 張紙條，均勻地打上方格，隨機將一些方格涂成黑色，每個方格代表含有A 或a 的配子，2 張紙條分別代表雌、雄生殖器官（圖3），將2 張紙條擺放在一起，任意拖動改變二者的相對位置，上下組合即表示精、卵的隨機結合，學生記錄多組數據，再次拖動，組合發生改變，學生再次記錄（表2）。這些改進方法均達成了盡量減少人為主觀誤差的目標。

表2 精、卵隨機結合情況統計表

圖3 代表雌、雄生殖器官的紙條

3.3 可視化統計過程小組 按照概率學理論，隨著抓取次數的增多，小球組合中代表性狀的分離比會趨于3∶1，但趨于的過程很難直觀顯示，該小組希望借助儀器模擬二者的比例動態關系曲線圖，記錄比例變化軌跡。學生請教了有關專家和技術人員，運用TI 編程圖形計算器編寫程序，外接隨機閃爍的A 和a 的彩燈，制作了實驗模擬裝置（圖4）。按照操作步驟，首先運行main（），按enter鍵開始，Speed 值表示每一次生成的基因型組合數量，默認為每次生成1 個基因型（圖5A），Cyber Number 值表示同時抓取生成的子代基因型總次數，可輸入任意數字（圖5B），進入系統后，按下相應的功能鍵對應的數字，程序開始運行或停止，例如，1-Generate 代表手動生成組合結果，2-Auto 代表系統自動生成組合結果，3-Stop 代表停止運行，4-Pause 代表暫停／繼續（圖5C），最終，獲得（AA+Aa）∶aa的比值變化曲線（圖5D）。圖示顯示的是500 次的抓取過程軌跡，可清晰地顯示，性狀分離比圍繞著3∶1 波動，但隨著次數的增多，比值逐漸趨近于3∶1。

圖4 連有TI 計算器的實驗裝置

圖5 實驗裝置操作流程顯示圖

4 展示項目成果，撰寫項目報告

項目活動結束后，每個小組都完成了項目報告，并進行了交流和展示。在形成報告的過程中，學生發揮才智和技能，跨學科處理問題的能力得到了提升；在報告交流階段，學生暢所欲言，分享理念和科學精神得以形成，這也是跨學科項目化學習中不可或缺的組成部分［8］。

5 引入表現性評價，聚焦核心素養

表現性評價要求學生 “在某種特定的真實或模擬情境中，運用先前所獲得的知識完成某項任務或解決某個問題，以考查學生知識與技能的掌握程度、問題解決、交流合作和批判性思考等多種復雜能力的發展狀況”［9］。表現性評價注重過程的評價，立足于真實或模擬的現實生活情境，關注學生的真實表現。在本次項目化學習中，教師向學生征集評價的方面和依據，讓學生參與設計評價量表，不以單一的量化標準進行評價，最終的項目成果不作為唯一的評判，而是以側重過程的表現性評價進行判定，引入多元評價方式，尋找學生的突出表現并適時提出建議，促進學生學習能力的不斷提升，落實學科核心素養（表3）。

表3 “基于項目化學習創新性狀分離比模擬實驗”評價表

6 活動反思

在展開項目化學習活動之前，很多學生先查找了相關文獻，通過查閱學習開拓了思路，有不少改進的方法，但同時也容易禁錮思維。如何在他人的工作基礎上作出自己的特色是這次項目化學習的難點，教師鼓勵學生迎難而上，開動腦筋，不墨守成規。事實證明，項目化的學習方式可充分發掘學生的潛力和智慧，由此設計出令人欣喜的作品。

生物學課程標準要求讓學生體驗科學探究的過程，學習科學研究的方法，加深對科學本質的認識，增強創新精神和實踐能力，基于項目化學習教學方式的應用可提供這樣的平臺，以不變的核心知識為出發點，啟發學生通過多學科知識的綜合應用尋求問題的最佳解決方案。在這次跨學科改進性狀分離比模擬實驗的項目化學習活動中，學生以雌、雄雜合子產生等比例不同的配子并隨機結合為內在契機，應用數學的統計運算、模型構建、VB 和TI 編程圖形計算器等技術方法，嘗試化解實驗中存在的問題，不僅增強了創新意識，也對問題的解決方式有了全新的體會。