數(shù)字化游戲在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

游戲是一種社會文化形式。數(shù)字時代，數(shù)字化游戲發(fā)展迅猛。數(shù)字化游戲是指依托信息技術(shù)開發(fā)的，在數(shù)字化設(shè)備上運行的各類數(shù)字化軟件系統(tǒng)，包括電腦游戲、手機游戲、網(wǎng)絡(luò)游戲等^[1]。數(shù)字化游戲與教育結(jié)合，催生了數(shù)字化游戲?qū)W習(xí)（Digital Game-Based Learning，簡稱“DGBL”）。2001年，馬克·普蘭斯基在《數(shù)字化游戲?qū)W習(xí)》一書中指出，利用傳統(tǒng)的教學(xué)方法與數(shù)字化游戲，將各種形式的教育內(nèi)容結(jié)合起來，可以取得理想效果。學(xué)生以數(shù)字化游戲為載體進行學(xué)習(xí)，在游戲中解決問題、迎接挑戰(zhàn)，能獲得直接經(jīng)驗和成就感。筆者開發(fā)了一款數(shù)字化游戲“拯救抗蟲棉”，并將其用于高中生物學(xué)教學(xué)，以期增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升效果。

一、數(shù)字化游戲的教育價值和相關(guān)數(shù)字化游戲資源

近年來，數(shù)字化游戲在語言學(xué)習(xí)、計算機編程、實驗教學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。研究表明，數(shù)字化游戲能為學(xué)生提供游戲化學(xué)習(xí)環(huán)境，寓教于樂^[2]。教師基于情境式數(shù)字化游戲開展探究學(xué)習(xí)活動，能有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、滿意度及效果，尤其能促進學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度加工。此外，這種學(xué)習(xí)方式在保留記憶、發(fā)展創(chuàng)造性思維、培養(yǎng)探究實踐和問題解決能力等方面有顯著優(yōu)勢。

數(shù)字化游戲作為一種兼顧教育性與游戲性的創(chuàng)新教學(xué)方式，在高中生物學(xué)教學(xué)中有巨大的應(yīng)用價值。高中生物學(xué)中有些知識內(nèi)容所屬尺度過于微觀（如分子水平）或宏大（如生物圈水平），有些過程過于短暫（如光合作用）或漫長（如進化歷程），有些實驗因材料、設(shè)備、成本、時間和安全等原因無法在課堂上實施（如動物細胞培養(yǎng)）^[3]。教師用傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以呈現(xiàn)上述內(nèi)容，而利用數(shù)字化游戲，可以對時空進行縮放，對過程進行加快或減慢，對操作進行模擬，進而突破時空限制，生動再現(xiàn)抽象的生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律，甚至為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供身臨其境的模擬情境。

目前，可用于高中生物學(xué)教學(xué)的數(shù)字化游戲資源較少，主要包含專業(yè)性、科學(xué)性較強的數(shù)字化模擬實驗游戲和具有較強娛樂性的數(shù)字化游戲（見表1）。其中，前者的教學(xué)性強，但難度大、游戲性弱，且國內(nèi)無中文網(wǎng)頁，因此較難直接應(yīng)用于生物學(xué)教學(xué)；后者對學(xué)生的吸引力較大，但由于設(shè)計目的是娛樂而不是教學(xué)，因而主題比較有限、內(nèi)容不夠精確完整，側(cè)重玩樂體驗，難以滿足教學(xué)要求，甚至可能存在科學(xué)性問題。如果不經(jīng)篩選直接將數(shù)字化游戲用于教學(xué)，不僅會占用過多時間，而且會給學(xué)生建構(gòu)重要概念造成負面影響。因此，基于高中生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生認知水平，開發(fā)新的兼具教育性和游戲性的多主題數(shù)字化游戲很有必要。

二、數(shù)字化游戲“拯救抗蟲棉”的設(shè)計與應(yīng)用

筆者與游戲軟件工程師合作，設(shè)定高中生物學(xué)數(shù)字化游戲教學(xué)規(guī)則，采用國產(chǎn)游戲引擎Cocos Creator 3.7.2，開發(fā)了一款網(wǎng)頁游戲“拯救抗蟲棉”，并將其用于高中生物學(xué)教學(xué)。

（一）游戲主題選擇

“拯救抗蟲棉”游戲適用于必修2第4章“基因的表達”的教學(xué)。基因表達是一個微觀抽象的動態(tài)過程，涉及物質(zhì)種類較多，學(xué)生不易理解和記憶，容易喪失學(xué)習(xí)興趣。遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程是教學(xué)難點，以往教師通常使用紙片等物理模型來分別模擬轉(zhuǎn)錄和翻譯過程。傳統(tǒng)教學(xué)存在明顯的弊端：教師需要耗費較多時間制作教具、學(xué)具；學(xué)生在模擬活動過程中無法得到即時反饋。此外，兩個模擬活動缺乏聯(lián)系難以讓學(xué)生形成對基因表達過程的動態(tài)整體認識。

當今學(xué)生對數(shù)字化游戲的接受度高。教師將“拯救抗蟲棉”融入教學(xué)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索欲望。這樣，教師無需制作教具、學(xué)具，學(xué)生使用電腦即可操作。數(shù)字化游戲的每個操作環(huán)節(jié)都有即時反饋和對錯提示，有利于學(xué)生在不斷試錯過程中摒棄錯誤認識，形成正確概念。此外，動態(tài)的數(shù)字化游戲有利于學(xué)生形成整體認識，體會基因表達過程的動態(tài)性和連續(xù)性。

（二）游戲操作流程

“拯救抗蟲棉”游戲包含4個環(huán)節(jié)：情境引入—轉(zhuǎn)錄—翻譯—結(jié)果反饋。筆者在每個環(huán)節(jié)設(shè)置若干任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生完成任務(wù)并觀看游戲中的過渡動畫，逐步建立對基因表達過程的認識。

1.情境引入

（1）任務(wù)：閱讀來自抗蟲棉的求助信，明確游戲目的——找到抗蟲棉細胞中的蘇云金芽孢桿菌抗蟲蛋白基因，并成功表達抗蟲蛋白，幫助抗蟲棉抵御棉鈴蟲害。

（2）過渡動畫：棉花植株的葉片逐步放大，最終呈現(xiàn)細胞結(jié)構(gòu)。

設(shè)計意圖：基于必修2第4章首頁的引入內(nèi)容，選擇學(xué)生熟悉的抗蟲棉來創(chuàng)設(shè)真實的任務(wù)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和挑戰(zhàn)欲望；讓學(xué)生觀看由個體到細胞、宏觀到微觀的過渡動畫，增強游戲的真實感，豐富學(xué)生的視覺體驗并建立正確的尺度觀念。

2.轉(zhuǎn)錄

針對轉(zhuǎn)錄環(huán)節(jié)的教學(xué)，筆者設(shè)計了5項連續(xù)的任務(wù)（如圖1）。

（1）任務(wù)：①找到抗蟲蛋白基因所在位置；②選擇基因表達的第一個環(huán)節(jié)；③選擇轉(zhuǎn)錄所需的酶；④選擇轉(zhuǎn)錄所需的原料；⑤根據(jù)堿基互補配對原則，選擇正確的核糖核苷酸并拖到紅框內(nèi)，合成抗蟲蛋白mRNA，完成轉(zhuǎn)錄。

（2）反饋與提示：在每項任務(wù)中，學(xué)生如果選擇錯誤，會彈出提示框進行糾錯。若選擇正確，系統(tǒng)會彈出相應(yīng)提示以鞏固正確概念，同時學(xué)生會獲得黃色星星獎勵。學(xué)生每完成一項任務(wù)就會獲得1顆星星，轉(zhuǎn)錄環(huán)節(jié)所有任務(wù)成功完成后可獲得5顆星星。在任務(wù)⑤中，學(xué)生如果選擇錯誤的核糖核苷酸，則會因其不能結(jié)合到DNA模板鏈上而脫落，配對錯誤不超過3次才能獲得1顆星星。

（3）過渡動畫：轉(zhuǎn)錄合成的mRNA從DNA模板鏈上釋放。

設(shè)計意圖：檢測學(xué)生對轉(zhuǎn)錄的掌握情況，考查的知識點有基因表達環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)錄場所、所需的酶和原料，堿基互補配對原則等。在DNA模板鏈的序列設(shè)計上，采用真實的抗蟲蛋白基因中一段長度為15 bp的DNA序列，創(chuàng)設(shè)情境。在堿基結(jié)構(gòu)設(shè)計上，嘌呤為凸起，嘧啶為凹陷，用其引導(dǎo)學(xué)生認識到堿基互補配對與其結(jié)構(gòu)相關(guān)，滲透結(jié)構(gòu)與功能觀。學(xué)生完成每個任務(wù)選項的選擇后，系統(tǒng)會即時反饋和提示，幫助學(xué)生糾正錯誤觀念，建立正確概念。學(xué)生成功完成任務(wù)可獲得星星獎勵，這有利于增強游戲的趣味性和學(xué)生的成就感。游戲操作簡單，使用鼠標即可完成。在游戲界面左上角還設(shè)有提示信息用以指引學(xué)生每個任務(wù)場景的操作和要求。除過渡動畫外，對于任務(wù)場景的轉(zhuǎn)換筆者也用動畫呈現(xiàn)，幫助學(xué)生理解轉(zhuǎn)錄過程的動態(tài)性和連續(xù)性。

3.翻譯

對于翻譯環(huán)節(jié)的教學(xué)，筆者設(shè)計了4項任務(wù)和2個動畫（如圖2）。

（1）任務(wù)：①選擇翻譯場所；②點擊右框內(nèi)紫色按鈕，分別選擇正確的氨基酸和tRNA后拖到紅框中，完成翻譯；③選擇肽鏈初步加工場所；④選擇肽鏈進一步加工場所。

（2）反饋與提示：學(xué)生選擇錯誤或正確，提示同上。在任務(wù)②中，學(xué)生如果選擇錯誤的氨基酸或反密碼子，那么會因不能結(jié)合到mRNA上而脫落，全部選擇正確可獲得2顆星星，錯誤1—3個只獲得1顆星星，錯誤超過3個則不能獲得星星。學(xué)生完成翻譯環(huán)節(jié)所有任務(wù)可獲得5顆星星。

（3）過渡動畫：①mRNA通過核孔進入細胞質(zhì)；②肽鏈依次經(jīng)過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體加工后，通過囊泡運出細胞。

設(shè)計意圖：檢測學(xué)生對翻譯的掌握情況，考查的知識點有翻譯場所，所需原料、工具，mRNA上密碼子與tRNA上反密碼子及其攜帶氨基酸的對應(yīng)關(guān)系，蛋白質(zhì)的加工過程和場所等。在任務(wù)②中，搭建了氨基酸原料庫和tRNA工具庫，學(xué)生需根據(jù)mRNA上的密碼子信息分別選擇正確的氨基酸和tRNA反密碼子。任務(wù)難度較大，旨在測評學(xué)生對密碼子與反密碼子及氨基酸對應(yīng)關(guān)系的理解，幫助學(xué)生在試錯過程中建立正確認識。為降低難度，節(jié)省操作時間，氨基酸原料庫和tRNA工具庫中均只設(shè)置10個選項。

4. 結(jié)果反饋

任務(wù)：學(xué)生查看轉(zhuǎn)錄和翻譯環(huán)節(jié)的得分，并閱讀來自抗蟲棉的感謝信。

設(shè)計意圖：學(xué)生查看得分，分析基因表達過程中存在的問題，進行評價。星級獎勵和感謝致信給學(xué)生帶來成就感，會增強游戲的趣味性。

（三）“拯救抗蟲棉”數(shù)字化游戲在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.“拯救抗蟲棉”數(shù)字化游戲適用的課型

“拯救抗蟲棉”可應(yīng)用于必修2第4章第1節(jié)“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成”的新授課，在學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程并初步建立“基因的表達”概念模型的基礎(chǔ)上，教師可利用此游戲引導(dǎo)學(xué)生自主評價并對概念模型進行完善。教師還可利用此游戲開展高三復(fù)習(xí)課的教學(xué)，讓學(xué)生參與游戲以喚醒和鞏固相關(guān)概念，從而減少課堂上對相關(guān)知識內(nèi)容的重復(fù)學(xué)習(xí)。

2.借助“拯救抗蟲棉”數(shù)字化游戲開展新授課教學(xué)

筆者將“拯救抗蟲棉”融入“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成”新授課的教學(xué)中，按“游戲準備—互動與檢驗—評價與總結(jié)”的思路（如圖3），開展數(shù)字化游戲教學(xué)。

（1）游戲準備

在數(shù)字化游戲教學(xué)模式下，學(xué)生游戲前需做好知識準備和游戲啟動準備。

如何做好知識準備？筆者帶領(lǐng)學(xué)生對布拉奇特（Brachet）的洋蔥根尖和變形蟲實驗、戈爾茨坦（Goldstein）和普勞特（Plaut）的變形蟲核移植實驗等資料進行分析，讓學(xué)生探尋基因與蛋白質(zhì)間的信使物質(zhì)。筆者提供布倫納（Brenner）和梅瑟森（Meselson）的噬菌體侵染細菌實驗、馬莫（Marmur）等的噬菌體侵染枯草芽孢桿菌實驗等資料讓學(xué)生分析并觀看視頻，使其了解轉(zhuǎn)錄過程。之后，學(xué)生閱讀科學(xué)史資料，了解遺傳密碼破譯的過程，厘清氨基酸和密碼子的對應(yīng)關(guān)系；分析圖文，掌握翻譯工具tRNA的結(jié)構(gòu)與功能，深化認識；觀看動畫，自主學(xué)習(xí)翻譯及翻譯后的蛋白質(zhì)加工過程。

在游戲啟動準備階段，筆者介紹“拯救抗蟲棉”游戲，明示目標、規(guī)則、操作注意事項及結(jié)果，保證游戲能順利進行后向?qū)W生電腦發(fā)送游戲。

（2）互動和檢驗

游戲過程中，學(xué)生自主在電腦上操作，點擊或拖曳鼠標進行交互，并利用準備階段所掌握的知識和技能完成任務(wù)。學(xué)生相互交流有利于喚起準備階段時所學(xué)的新內(nèi)容，起到鞏固和加深記憶的作用。此階段，教師不要打斷學(xué)生游戲，以免分散學(xué)生注意力、破壞游戲氛圍。教師可觀察了解學(xué)生游戲進展，控制游戲時間，并在學(xué)生有需要時給予提示和幫助。

（3）評價與總結(jié)

游戲結(jié)束后，學(xué)生根據(jù)不同環(huán)節(jié)的得分情況進行自我評價，總結(jié)游戲得失，交流體會。最后，筆者引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)游戲重點并與準備階段所學(xué)知識進行融合，完善“基因的表達”概念模型。

3.教學(xué)效果與學(xué)生反饋

筆者將“拯救抗蟲棉”數(shù)字化游戲與“基因的表達”知識內(nèi)容有機融合，開展數(shù)字化游戲教學(xué)。從課堂教學(xué)效果來看，學(xué)2m4rW/kiMcOSoqdrxPPGQQ==生參與度較高，課堂氛圍融洽，效果較好。課后，筆者以調(diào)查問卷方式收集并分析學(xué)生對數(shù)字化游戲教學(xué)的評價信息（見表2）。

調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對數(shù)字化游戲教學(xué)給予肯定評價。96.6%的學(xué)生認為能提高學(xué)習(xí)興趣；98.9%的學(xué)生認為有助于更好地理解基因表達的微觀、抽象過程；88.5%的學(xué)生認為能糾正一些錯誤認識，其中最主要的兩點是“認為tRNA上反密碼子決定氨基酸的種類”和“不清楚翻譯后蛋白質(zhì)加工的過程和場所”；90.7%的學(xué)生認為有助于建立整體聯(lián)系；所有學(xué)生希望以后能有更多的數(shù)字化游戲融入生物學(xué)教學(xué)中。

三、數(shù)字化游戲教學(xué)展望

教師開展數(shù)字化游戲教學(xué)應(yīng)以人為本，讓學(xué)生在輕松、愉快、積極的環(huán)境下學(xué)習(xí)，挖掘?qū)W生自身的潛能，提升主觀能動性，以提高課堂教學(xué)質(zhì)量。實踐證明，數(shù)字化游戲教學(xué)在增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，糾正學(xué)生錯誤認識，直觀呈現(xiàn)微觀、連續(xù)、動態(tài)的生命活動過程等方面均具有顯著優(yōu)勢。學(xué)生對數(shù)字化游戲?qū)W習(xí)的接受度很高，他們迫切希望有更多的數(shù)字化游戲融入生物學(xué)課堂。

數(shù)字化游戲教學(xué)前景廣闊。筆者開發(fā)的“拯救抗蟲棉”數(shù)字化游戲可應(yīng)用于“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成”的新授課和復(fù)習(xí)課教學(xué)，此類以數(shù)字化游戲再現(xiàn)微觀、抽象生命現(xiàn)象的教學(xué)模式也可應(yīng)用于其他章節(jié)的教學(xué)，如必修2第3章第2節(jié)“DNA的結(jié)構(gòu)”和第3節(jié)“DNA的復(fù)制”、選擇性必修3第3章第2節(jié)“基因工程的基本操作程序”等。此外，數(shù)字化游戲也適于一些尺度過于宏大或過程過于漫長的知識內(nèi)容的教學(xué)，如種群的數(shù)量變化、生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、群落的演替、生物的進化等。未來，需要進一步開發(fā)更多的數(shù)字化游戲用于高中生物學(xué)教學(xué)。

《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》在教學(xué)建議中指出，要充分利用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)效率，學(xué)校和教師要重視信息化環(huán)境下的學(xué)習(xí)，積極開發(fā)和利用信息技術(shù)課程資源，改進教學(xué)方式。數(shù)字化游戲教學(xué)是一種符合信息時代特點、響應(yīng)課標要求的創(chuàng)新教學(xué)方式。融入數(shù)字化游戲的高中生物學(xué)教學(xué)在數(shù)字時代一定會綻放獨特的光彩。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點實驗室、人民教育出版社人教數(shù)字教育研究院2022年度重點課題“基于數(shù)字資源與技術(shù)的生物學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新實踐研究”（課題編號：RJA0222002）的階段性研究成果。

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（作者左亞男系北京匯文中學(xué)教師；郭世純系清華大學(xué)研究生；李霞系北京市東城區(qū)教育科學(xué)研究院正高級教師）

責任編輯：祝元志