基于“性狀分離比編程模擬實驗”的高中生物學概念教學

王坤　王聯新　劉付香

摘要： 編程模擬實驗可用于高中生物學教學，對于缺乏真實實驗裝備（或時空受限）的學校而言多了一種替代方案。以“模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗”為例，教師在概念教學中將課前家庭實驗與課堂編程模擬實驗結合，引導學生課前通過生活化實驗初探感知概念，在課堂上模擬編程再探建構概念，建立概念體系應用概念。教師利用編程技術模擬實驗，讓學生在創設的情境中試錯，深刻理解孟德爾假說，使其在科學探究中實現了對基因分離概念的深度學習，提升了科學探究能力和分析歸納及建模的科學思維水平。

關鍵詞：編程模擬實驗；概念教學；分離定律；性狀分離比的模擬實驗

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）強調“教學過程重實踐”。為幫助學生理解核心概念，課標指引教師在必修1、必修2的教學中開展11項和8項實驗活動，讓學生通過實驗探究深度學習有關概念、原理，發現規律和建構模型。這對于學生學科核心素養的發展和關鍵能力的提升有重要意義。在物質條件或時空受限的情況下，一些學校會通過網絡開展概念教學和實驗活動，教師一般以視頻播放、講解實驗的形式來代替學生動手操作實驗，造成學生缺少動手動腦的機會，影響教學效果。如何利用在線條件，取得理想的實驗教學效果？對于某些與數學學科交叉的實驗，教師可以通過編程模擬的方式，讓學生積極參與實驗。只要有網絡和電腦，學生就可以參與編程模擬實驗。筆者以“模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗”為例，以編程等數字化手段輔助開展“孟德爾的豌豆雜交實驗1——分離定律”概念教學。

一、編程模擬實驗對概念教學的優化

在以往的線下或線上教學中，一些教師對“模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗”不夠重視，調查發現該實驗在一些省份的開展率在50%以下。由于實驗并不復雜，教師一般采用實驗講解、題目訓練的方式教學，也有教師安排5—10 min讓學生操作。這些教師忽略了學生對實驗結果的分析、規律的總結及模型的建構。在核心概念的學習方面，學生對雜合子的遺傳因子在形成配子時的獨立性以及雌雄配子結合時的隨機性缺乏認識。此外，學生缺少基于事實歸納概括、數學模型轉化為概念模型等科學思維的鍛煉，學習效果大打折扣。

為了避免以上影響，筆者為學生提供了一個學習平臺，讓學生課前完成家庭實驗，參與微信群小組合作，使用“問卷星”匯報實驗成果，課上參與“騰訊課堂編程模擬”探究活動，歸納總結，建構概念體系?；诰幊棠M實驗優化概念教學流程如下（如圖1）。

二、教學實施

（一）課前合作實驗

1.初次探究：生活化合作式

課前，教師讓學生以小組為單位（每組6人），利用家中隨手可得的材料，操作“模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗”。對于實驗中遇到的問題，學生在“微信群”小組中討論。小組匯總問題后通過“問卷星”上報，并思考、理解概念做好課上匯報準備。

學生在家庭實驗中使用了豆粒、紙牌、糖塊、硬幣、夾子等簡單易得的材料。有的小組成員使用一樣的實驗材料，有的則各不相同。學生通過初次實驗探究，對配子中遺傳因子分離的概念有了初步的感知。這種生活化的實驗大大提高了他們的探究興趣，而合作式、探究式實驗也培養了他們的合作交流與解決問題的能力。

2. 創意編程：特長生顯神通

課前，教師調查哪些學生有信息技術特長，組建創意編程小組，對實驗進行編程創作，實現大樣本數據的快速模擬。學生設計了程序創作的思維流程圖（如圖2），并按照相應的流程用Python語言編程。

（二）課上編程模擬實驗

1.實驗匯報：學生相互評價

在“騰訊課堂”中，教師從8個小組中選擇有代表性的3個小組請他們匯報實驗過程及結果，讓其他學生指出其中問題所在、分析并提出修改意見。第一組展示：利用眉豆和黃豆代表兩種配子模擬實驗。對此，立即有學生指出眉豆和黃豆形狀不同、大小不一，在抽取環節無法做到等概率，該實驗有漏洞。第五組展示：使用大小相同的黃豆和黑豆代表兩種配子。對此，有學生指出代表雌雄生殖器的兩個碗中豆子的總數不同，該實驗不嚴謹。隨后，有學生提出反對意見，“自然界中產生的雌雄配子總量本身就不同，雄配子數量遠遠多于雌配子，這組實驗的設計更貼近生活”。教師對學生能夠理論聯系實際進行表揚。第六組展示實驗結果，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，有學生發現問題所在，“別的小組實驗次數為50—100次，而這個小組實驗只有25次，太少，性狀分離比的比值是無法確定的”。學生通過匯報交流，提高了語言表達能力，同時通過糾錯，還提升了批判性思維、邏輯分析的科學思維水平。

2.編程再探：給予試錯機會

教師引領學生體驗基于大數據的信息編程對性狀分離比的模擬（如圖3），在表格中精子、卵細胞兩列分別填寫A和a代表此生殖細胞分配得到的遺傳因子。教師設置問題如下：①若父本基因型為Aa，則精子一列應填寫什么？若母本的基因型為AA，則在卵細胞一列應填寫什么？②模擬雜合子自交，精子中A和a的數量如何設置？可以不同嗎？卵細胞呢？③精子和卵細胞各自的總量如何設置？可以不同嗎？自然界中是什么情況呢？④受精環節，一精一卵結合導致遺傳因子又能成對存在了。如果只形成一個受精卵，那么它的基因組成是什么？⑤如果形成4個受精卵，能預測它們的基因型及所占比例嗎？⑥如果形成40個受精卵呢？400個呢？40000個呢？⑦何種情況下后代分離比會偏離3：1而出現其他比值呢？教師引導學生推理在某種類型配子活力低、受精卵致死的情況下后代的比值，再進行編程驗證。

學生可能答錯，在編程模擬的驗證中，教師要允許學生不斷試錯，要引導他們試錯后快速驗證。如在填充數據環節，教師提出問題：精卵細胞數量是否一定相同？精子中A和a的數量是否一定要相同？結合次數不同是否影響最終的性狀分離比？在思考中，學生變被動探究為主動探究，提高了批判思維能力；在互動中，高效地理解概念、建構概念。

3. 互動生成：構建數學模型

學生嘗試利用程序進行雜合子測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，即成對的遺傳因子分離而進入不同配子中，使得含有A的配子：a的配子=1：1。無論雜合子自交還是雜交，后代性狀比例取決于配子產生過程，而后代表型比值是在后代足夠多的情況下才會出現的概率比。隨后，教師引導學生從觀察雜合子自交的性狀分離比到連續自交的情況，建立每一代表型和基因型比例的數學模型，培養學生邏輯推理能力、數學計算能力，幫助學生理解基因分離定律的本質。

（三）歸納與建構概念體系

教師引導學生列出本節所學新名詞，并建立新的名詞之間的聯系，梳理概念（如圖4）。學生梳理多個名詞（概念），重組知識框架，以概念圖的形式進行概念體系的深化應用。教師創設問題情境進行評價：“雜合子自交滿足哪些條件，后代才會出現3：1的性狀分離比？”學生基于實驗，得出答案：①雜合子產生等量的A和a的配子；②雌雄配子無致死現象；③雌雄配子隨機結合；④后代個體數量足夠多。學生回答問題，接受形成性評價，可以將探究形成的知識學以致用。

三、對編程模擬實驗輔助教學的思考

（一）核心素養導向的概念教學倡導探究性實驗，不能紙上談兵

分離定律是高中生物學中最難理解的概念之一，在物質條件或時空受限的情況下是否仍有必要開展此實驗？使用實物模擬是否能實現對概念的深度學習？相關實驗能否培養學生的推理、建模等思維？這些都是需要思考的問題。

課標強調，學生學習的過程是主動參與的過程，要讓學生積極參與動手和動腦的活動。教師采用傳統實驗與信息技術模擬編程實驗結合的方式教學。在線下的實驗中，學生利用身邊的材料進行操作，初步感知配子中遺傳因子的分離。在課堂編程實驗中，教師利用信息技術編程創設各種情境，大幅縮短了課堂實驗操作的時間，降低了實驗器材要求，同時也給予學生大量試錯的機會。教師通過電腦運算創設大數據情境，引導學生探究雜交后代性狀分離比出現3：1的條件。同時，建構數學模型，讓學生深刻理解遺傳因子分離的概念，實現深度學習。這種將信息技術與高中生物學實驗融合的教學，突破了場地、時間、實驗材料的限制，變“紙上談兵的黑板實驗”為學生真正能參與和操作的實驗，這正是課標倡導的。

（二）編程模擬實驗有廣泛的應用場景，但要注意適用范圍

高中生物學在微觀的細胞領域和宏觀的種群實驗中，與數學、信息技術存在交叉，這為編程模擬實驗提供了豐富的應用場景。例如：教材建議“制作真核細胞的結構模型”“制作DNA分子雙螺旋結構模型”，教師可以使用建模軟件進行立體建模，并使用3D設備打印，制作真核生物、原核生物、病毒的立體圖、剖面圖，DNA、RNA的空間結構模型，幫助學生進行形象化的對比分析；教材還建議“用數學方法討論自然選擇使種群的基因頻率發生變化”。此外，在“哈代—溫伯格定律”“使用抽樣方法調查種群數量”的概念教學中，教師可以使用信息技術編程將數學與生物學科聯系，通過構建數學模型加深學生對概念的理解。然而，并非所有實驗都適合用編程模擬的形式實施，如物質的檢測、探究某種因素對生物代謝活動的影響等，這些實驗往往需要真實的生化反應或觀察生命活動的變化。實驗中物質添加的順序、相對含量、環境因素的控制等都會對實驗造成影響，這些因素的控制環節、實驗中的意外狀況、發現的新問題往往是培養學生科學探究能力的關鍵。如果使用編程模擬實驗則會失去這些寶貴的機會。因此，要注意編程模擬實驗的適用范圍，避免為使用技術而使用技術。

在編程模擬實驗中設計與開發是難點。對于信息素養普遍不夠高的教師群體來說，開發的過程只能以部分特長生為主體，大部分學生無法參與。在面向全體學生的編程模擬實驗中，教師應更加重視實驗原理、思路的體現。學生通過模擬實驗，在短時間內可以快速檢驗實驗結果是否與預測一致，再不斷提出新的假設，以此訓練其提出假設、建構模型的能力和思維。教師不應將教學重點放在信息編程等技術的開發上。

信息時代，編程模擬實驗可以給予學生平等實驗探究的機會。教師應把握實驗教學的適切性、時效性，加強實驗教學對概念教學的支持。筆者相信，這種可以挖掘課堂深度、創設更具探究情境的教學方法是值得開發和推廣的，用編程等技術手段輔助概念教學也是符合課標要求、順應時代發展的。

注：本文系廣東省教育科學規劃2021年度中小學教師教育科研能力提升計劃項目“中學生物學‘數字·模擬·實踐’創新實驗教學模式的構建與應用”（編號：2021YQJK140）、廣東省2021年度中小學教師培訓中心科研課題“基于核心素養的高中生物學大概念教學策略研究”（編號：GDP-2021-G006）、廣州市2021年教育科學規劃課題“融合人工智能技術的高中生物新教材課程的實踐研究和應用”（編號：202113683）的研究成果。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 吳成軍，萬雪雪.人教版高中生物學必修教材實驗的開課分析及修訂建議[J].課程·教材·教法，2016（6）：81-86.

（作者王坤系廣東省廣州市第六中學一級教師；王聯新系廣東省廣州市禺山高級中學正高級教師，特級教師；劉付香系廣東省中山市實驗中學高級教師）

責任編輯：祝元志