計算機模擬技術在生物實驗教學中的應用

陽彩霞，范 丹

(1.廣州城市理工學院 計算機工程學院，廣州 510800； 2.花都區實驗中學，廣州 510899)

1 生物實驗教學現狀

生物學是一門以實驗為基礎的自然學科[1]。實驗教學是高中生物課程的重要組成部分，近年來地位越來越高。《普通高中生物課程標準(2017年版)》[2](簡稱新課標)大幅增加了實驗教學內容，以求學生親歷思考和探究過程、領悟科學探究方法、掌握一系列相關技能[3]。生物實驗教學的加強，不僅有利于培養學生的動手能力，還能有效培養學生分析和解決實際問題的能力，養成積極探索科學知識的品格，促進生物科學素養的形成[4]。傳統的生物實驗教學是按照教師示范、學生模仿操作的模式進行的。這種重復、被動的實驗過程，無法激發學生學習的積極性和主動性，學生的實踐能力和創新能力不足，與新課標提出的要求不相符。生物實驗教學改革應擺脫傳統模式的束縛，倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手的學習模式，著力于培養學生動手能力、思維能力、問題分析和解決能力以及交流與合作能力，創設多種實驗教學情境，促進學生綜合能力的提升[5]。

2 計算機模擬技術及其特點

計算機模擬是運用計算機程序在計算機上模擬各種系統的實際運行過程，并通過計算了解系統隨時間變化的行為或特性。計算機模擬是在已建立的數學與邏輯模型上，通過計算機實驗，對一個系統按照一定的決策原則或作業規則，由一個狀態變換為另一個狀態的行為進行描述和分析[6]。目前，計算機模擬技術在核爆炸、地震預測、系統優化、生命科學等諸多領域廣泛應用。計算機模擬技術與生物學的結合，更是促進了新生學科——計算生物學的產生和蓬勃發展，如今計算機模擬已成為研究許多生物學問題的強有力工具。為了適應在生物教學中對超越學科本身知識和能力的要求，新課標中已明確提出要適當地將跨學科知識和技能融入實踐活動，特別是將“科學、技術、工程學和數學”STEM整合到實踐活動中[2]。將計算機模擬技術引入高中生物實驗教學中真正實現了STEM理念中的多學科融合，與新課標的宗旨有效契合。計算機模擬技術在高中生物實驗教學中的應用，可以幫助學生運用信息技術和數學學科的思維方式加深對生物知識的理解和掌握，提升學生對所學多學科知識的綜合應用能力，對于促進學生綜合素養的提高、個人的全面發展都具有積極影響[7]。因此，將計算機模擬技術引入高中生物實驗教學中具有可行性和必要性。

3 應用案例——性狀分離比實驗

3.1 性狀分離比實驗簡介

計算機模擬技術在高中生物實驗教學中應用的最佳切入點是“性狀分離比實驗”。該實驗是高中生物人教版必修《遺傳與進化》第一章第一節孟德爾的豌豆雜交實驗(一)中的教學內容。在實際操作中，通常利用乒乓球模型代替豌豆進行實物模擬實驗。該實驗能將抽象的基因分離、配子隨機結合與生物性狀之間的數量關系直觀明了地體現出來，讓學生通過親身實驗操作驗證孟德爾提出的假說，為學生認識和理解基因分離定律、基因自由組合定律、減數分裂、受精作用過程中的分離和組合情況奠定基礎。但是，實物模擬實驗也存在諸多不足，如抓取小球時的隨機性難以保證，容易出現人為誤差，重復實驗次數低時準確性不高，實驗過程繁瑣等。運用計算機模擬該實驗過程可以有效避免這些問題，還可以鍛煉學生運用信息技術解決實際問題的能力。

3.2 計算機模擬實驗

在教學中，教師可以給出計算機模擬的基本思路，然后引導學生利用所學信息技術和程序設計知識畫出流程圖并編程實現，最后可利用Excel將結果圖示化，方便與數理統計知識結論進行對比。實驗的具體實現可參考如下步驟。

3.2.1 計算機模型建立

計算機模擬的基本思路：A.給出雌配子和雄配子基因(均為Dd)。B.分別混均兩個配子后，隨機各選取一個基因出來組成合子。C.重復運行上一步，至產生N個樣本，統計其中DD，Dd，dd三種基因類型合子出現的頻數，并計算對應頻率。

3.2.2 變量與符號說明

模擬程序需要3個模擬參量和7個統計變量，如表1所示。

表1 變量與符號說明Tab.1 Descriptions of variables and symbols

3.2.3 模擬流程圖

模擬過程的流程圖如圖1所示，輸出結果為DD，Dd，dd三種基因類型合子分別出現的頻率。

圖1 性狀分離比的模擬程序流程圖Fig.1 Simulation program flow chart of character separation ratio

3.2.4 Python程序

Python是近年來非常流行的編程語言，其語法簡單、易學、易讀，容易操作[8]。這里運用Python語言編程實現性狀分離比實驗的模擬，具體代碼如下：

import random #導入random模塊

def SAM(N): #定義函數

a,b,c=0,0,0 #統計變量初始化

for i in range(1,N+1): #控制重復抽樣次數

ci=[‘D’,‘d’] #給定雌配子基因

xi=ci.copy() #給定雄配子基因

z=[] #用空列表初始化合子

random.shuffle(ci);random.shuffle(xi) #分別混均雌配子和雄配子

z.append(ci.pop());z.append(xi.pop()) #從雌配子和雄配子中各隨機選取一個基因組成合子z

if z==[‘D’,‘D’]:a=a+1 #DD型合子頻數統計

elif z==[‘d’,‘d’]:c=c+1 #dd型合子頻數統計

else:b=b+1 #Dd型合子頻數統計

m=a/N;n=b/N;s=c/N #DD,Dd,dd三類合子在抽樣中的頻率計算

return(m,n,s) #返回DD,Dd,dd三類合子在抽樣中出現的頻率

3.2.5 結果分析

給出抽樣次數N，調用上述抽樣函數SAM，即可得DD，Dd，dd三類合子在該次抽樣中出現的頻率。在N分別取10 000、100 000、1 000 000時，三次模擬實驗結果如表2所示，繪制成柱狀圖對比如圖2所示。值得注意的是，在抽樣次數不變的情形下，每次模擬結果會有所不同，但差別不大，這是抽樣誤差，屬于正常現象。從表2可以看出，隨著抽樣次數的增加，DD，Dd，dd三類合子的頻率比越來越接近孟德爾假說中的1∶2∶1，這與伯努利大數定律一致[9]。

表2 模擬實驗結果Tab.2 Simulation experiment results

圖2 不同抽樣次數下三類合子頻率圖Fig.2 Frequency diagram of three types of zygotes at different sampling times

4 結語

計算機模擬技術在生物實驗中的應用對教師和學生的要求都更高，教師需要花費更多時間翻閱信息技術學科的教材與資料，精心設計教學過程，學生也應主動學習信息技術學科知識，并將所學知識運用到生物實驗中。計算機模擬實驗在高中生物實驗教學中的應用具有重要作用，能夠培養學生運用信息技術解決問題的能力，提升學生綜合素質，促進學生全面發展。