利用Scratch設計的教育游戲改進生物實驗教學

［摘 要］在教育質量與教育創新的雙重驅動下，可嘗試將教育游戲引入生物實驗課堂，以彌補傳統教學存在的不足。文章以“性狀分離比的模擬實驗”為例，使用Scratch編程軟件設計教育游戲，并將教育游戲引入中學生物實驗教學中，以期為教師提供新穎的教學形式，有效激發學生的學習動機和強化學生的學習效果。

［關鍵詞］Scratch；教育游戲；生物實驗；性狀分離比

［中圖分類號］ G633.91 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-6058（2024）26-0077-04

黨的二十大報告對辦好人民滿意的教育作出了重要部署，強調要“推進教育數字化”。習近平總書記在主持中共中央政治局第五次集體學習時指出：“教育數字化是我國開辟教育發展新賽道和塑造教育發展新優勢的重要突破口。”當今，人們對教育質量的要求越來越高，對教育形式也提出了“創新”的要求。教育游戲是“教育數字化”的產物之一。賀拉斯在文藝功能論中提出“寓教于樂”的觀點，肯定了游戲教育的積極意義，為游戲教育提供了早期的理論支撐[1]。教師將教育游戲應用到課堂中，并在符合教學要求的前提下進行正確引導，可激發學生的學習動機和強化學生的學習效果。中學生物實驗中，為節約時間、降低成本、保障安全，通常進行模擬實驗，但并非所有模擬實驗都能最大化課堂效益。為此，筆者建議教師嘗試采用教育游戲來改進效益不佳的實驗，如難以模擬或教育游戲能更快、更有效地達到教學目標的實驗。

基于上述思考，筆者以“性狀分離比的模擬實驗”為例，將實驗方案從傳統的模擬實驗變為教育游戲形式，運用Scratch編程軟件進行設計，并將其應用到教學中。

一、結合實驗背景設計游戲

Scratch是一款由美國麻省理工學院開發的面向兒童和青少年的編程軟件。在該軟件中，編程指令以一種清晰、直觀的方式來呈現，只需要像搭積木一樣將這些指令組織在一起即可完成編程任務[2]。當前，可用于設計教育游戲的編程軟件有很多，如Python、C++和Java等。然而，大部分生物教師的信息技術素養尚存在不足，若要使用專業編程軟件設計教育游戲，往往需要投入大量時間來提升自身的信息技術素養。相比之下，Scratch編程軟件操作簡單、易于上手，為沒有編程基礎的中學生物教師提供了一個理想的選擇。鑒于此，筆者結合“性狀分離比的模擬實驗”的實驗背景來對游戲進行設計，并利用Scratch編程軟件對游戲進行編程。

（一）“性狀分離比的模擬實驗”的實驗背景

《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020年修訂）》中的活動建議提到了“模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗”，而“性狀分離比的模擬實驗”是人教版教材必修2《遺傳與進化》模塊第1章“遺傳因子的發現”中的重要實驗。該實驗旨在讓學生通過模擬實驗從感性上認識遺傳因子的分離、配子的隨機結合以及它們與性狀之間的數量關系，從而體驗孟德爾的假說，深刻理解性狀分離比產生的原因及條件，進而突破分離定律的本質這一教學重難點[3-4]。

在進行該模擬實驗時，教師通常向甲和乙兩個塑料小桶分別裝入20個大小相同、顏色不同的小彩球，再讓學生分別從兩個桶內隨機抽取一個彩球，并用筆和紙記錄下來，重復抽取30次。本實驗操作簡單，所用材料也極易獲取。但若希望實驗結果出現理想的性狀分離比，則需要加大抽取次數以確保樣本量足夠大。然而，抽取次數過多時，學生在計數過程中難免會出現錯誤，從而無法保證實驗結果的準確性和有效性。且該實驗中雌、雄配子隨機結合是模擬實驗成功的關鍵，而人為抽取很難保證隨機性。鑒于上述原因，在實際教學過程中，許多教師選擇用觀看視頻或講解的方式來完成該實驗的教學，而非讓學生親手操作，說明該模擬實驗的實際利用率并不高。

（二）游戲設計思路

筆者通過設計游戲來優化并彌補教材中原有實驗的不足。游戲設計思路如下：首先，利用Scratch編程軟件中的循環指令和能夠確保隨機性的條件指令來設計游戲，以克服原模擬實驗中人為抽取小彩球存在的難以保證隨機性的問題；其次，設計比較簡單、有趣的角色來替代原模擬實驗中的實驗材料，并融入趣味元素以激發學生的學習興趣；最后，設計的游戲應操作簡單、耗時短，從而使學生能夠親自參與，改變以往大部分學生只能通過熒幕去觀看他人的操作來驗證孟德爾假說的狀況。

（三）游戲編程介紹

筆者根據上述設計思路，對游戲進行編程設計（Scratch編程軟件有多種版本，筆者所選用的版本為iOS系統運行的“Scratch啟蒙”APP）。筆者設計了兩個游戲背景。第一個背景用于展示該游戲的游戲規則（如圖1）；第二個背景為“Scratch啟蒙”APP素材庫中的“Hearts”背景（如圖2），從美學的視角出發，該背景更能吸引學生的注意力，激發學生參與課堂的興趣。

筆者在游戲中共使用了17個角色，當中有3個角色為筆者個人上傳的角色素材。這3個角色素材分別命名為“游戲失敗”“游戲勝利”和“Button5”，而其余均為“Scratch啟蒙”APP素材庫中的角色（如圖3）。其中，“抽取蘋果”和“抽取西瓜”是該游戲的關鍵所在。筆者為它們設計了兩個大小不同、標簽各異的造型，對應的是教材中原模擬實驗的師生在彩球上用記號筆做標記的行為，旨在通過游戲表現出雜交實驗中相對性狀的物種。在游戲操作過程中，學生也可以根據自己的喜好在編程界面更換自己喜歡的游戲角色。

“事件”“外觀”“偵測”和“控制”類別指令是控制該游戲運行的主要指令。“事件”類別指令主要有“點擊”“廣播”和“接收廣播”。“事件”類別指令通常是觸發其他指令的前提，一旦接收到這些指令，就會觸發角色、背景或者音效的出現、變換等反應。“外觀”類別指令主要用于角色和舞臺背景的隱藏、顯示以及替換。“偵測”類別指令主要用于檢測角色、舞臺以及系統狀態等信息。該游戲主要會運用到“響度”和“計時器”兩種偵測指令。“控制”類別指令主要用于控制角色或者舞臺背景執行命令。

二、教學應用

（一）教育游戲的安裝

對于擁有先進教學設備的學校，教師可以提前指導學生在課前將“Scratch啟蒙”APP下載并安裝到他們的課堂電子設備上。這樣，當課程進行到相關內容時，學生就可以直接打開并應用該軟件。而對于那些無法為學生提供個人設備的學校，教師可以利用智能白板（如希沃白板）在課堂上安裝后統一呈現。隨后，教師可以親自操作或挑選個別學生來演示游戲，讓其他學生在觀看和互動中達到共同學習的目的。

（二）教育游戲操作過程

在課堂上，教師讓學生對“高莖豌豆和矮莖豌豆雜交實驗的分析圖解”進行討論之后，提出：孟德爾的假說還可以通過一個實驗游戲來進一步驗證。接下來，教師可以組織學生或者指導學生利用智能白板打開“Scratch啟蒙”APP進行操作，具體過程如下：

第一步，點擊舞臺左上方的綠旗，使游戲界面回到最初始的“游戲規則”背景，讓學生觀看游戲的大致操作流程以及注意事項。

第二步，點擊“游戲開始”按鈕，舞臺背景隨之切換，出現游戲規則中所描述的角色——蘋果、西瓜和禮物盒等。筆者用水果（蘋果、西瓜）來替代教材中原模擬實驗的小彩球，用禮物盒來替代小桶。

第三步，根據屏幕提示，點擊“將水果裝進禮物盒”按鈕，此過程對應模擬實驗中分別把大小相同、顏色不同的20個彩球標記后放入甲、乙兩個小桶的過程。

第四步，點擊“抽蘋果”按鈕，兩種不同造型的蘋果就會在舞臺上隨機出現。

第五步，學生大聲喊“停”，此時蘋果停止變換造型。第四步和第五步對應模擬實驗中學生抽取彩球的過程。（抽取西瓜的操作同上述抽取蘋果的第四步和第五步相似）

第六步，點擊“NEXT”按鈕，進入下一關。該過程對應模擬實驗中讓學生下一次抽取彩球的過程。

在游戲中，第四步和第五步是最為關鍵的步驟，主要運用“循環”控制指令和“響度”變量指令。當環境響度大于某一設定值時，循環結束。學生喊“停”就是為了使當時的環境響度大于95分貝。學生需要重復以上六個操作步驟，使變量框“關卡數”的值為30，并在規定時間200秒內完成所有操作。滿足這兩個條件即可判斷為“游戲勝利”，系統會在一秒后停止所有腳本。若超過200秒或關卡數沒達到30，則在舞臺上顯示角色“游戲失敗”，系統會在一秒后停止所有腳本。為了最大限度地節約課堂時間，并且讓學生在操作過程中感受到一定的挑戰，激發學生完成游戲的興趣，筆者運用了“計時器”變量指令以及“條件”控制指令來為游戲設定時間限制。考慮到學生每次操作的時間在6秒左右，因此將操作的總時間限制在200秒內。

（三）游戲結果與交流討論

在完成上述所有操作后，教師進一步引導學生深入思考。教師向學生提問：“我們所得到的字母組合有哪些？”學生通過仔細查看游戲界面，可以發現只有DD、Dd、dd三種組合。

隨后，教師繼續提問：“那么每種組合的數量是多少？”學生可以通過觀察游戲界面上的“DD”“Dd”和“dd”變量積木中的數字來獲得答案并作答。這一過程能夠幫助學生更好地理解基因組合的多樣性以及性狀分離比的原理。

接著，教師讓學生將所獲得的數據進行計算，得出DD、Dd、dd三種組合之間的數量比。最后，教師再次提問：“依據我們計算得出的數量比，你認為孟德爾的豌豆雜交實驗中子二代出現3∶1的性狀分離比是偶然的嗎？”學生回答：“子二代出現3∶1的性狀分離比并非偶然。”

在師生討論過程中，學生通過游戲呈現的結果來回答問題，并通過計算，親自驗證了性狀分離比。教師將游戲結果與教材知識相聯系，讓學生通過游戲能夠獲得相應的生物知識，這在一定程度上提升了學生解答問題的自信心。這種自我效能感使學生未來面對學習中的挑戰時更有信心，為其成長奠定堅實的基礎。

三、優勢分析

（一）Scratch編程軟件簡單易行

在Scratch編程過程中，教師首先需要規劃好游戲的舞臺布局和角色背景的數量，然后根據教學創意和需求，精心設計游戲的各個環節。Scratch編程的獨特之處在于，它不需要像Python、C++或Java等傳統編程軟件那樣，要求用戶花費大量時間和精力去學習復雜的編程語言。Scratch更注重的是邏輯和算法思維，讓教師能夠通過直觀的積木式指令來快速構建游戲。這種簡單而直觀的設計方式，不僅降低了編程設計的門檻，還使得設計過程變得輕松而有趣。

（二）教育游戲便捷有趣

在原模擬實驗操作過程中，需要準備足夠多的樣本量來確保實驗的準確性，而游戲不需要像模擬實驗那樣龐大的樣本量，只需要兩種不一樣的蘋果和兩種不一樣的西瓜就能夠保證結果的準確性和隨機性。通過“控制”類別指令能夠隨機抽取水果，并且所使用的水果角色大小不一，因此抽取過程中既能保證每一次抽取的隨機性，又便于識別所抽取的水果種類。原模擬實驗中，學生每抽取一次小球都需要將“抽取結果”與“抽取次數”用紙筆記錄。而在游戲的第六步點擊進入下一關時，“抽取結果”以及“抽取次數”都能夠由系統自動記錄在所顯示的變量框當中，彌補了原模擬實驗過程中可能出現的計數誤差。

此外，該游戲設計的特點還在于游戲操作時的趣味性。筆者將其設計為聲控游戲，可以增加學生的參與感和游戲的互動性，還通過添加音效，讓學生在點擊屏幕按鈕時擁有更加真實的體驗感。這樣的設計鼓勵學生親自參與游戲、自主探究并驗證孟德爾的假說，進一步強化了學生在課堂中的主體地位。

（三）利于學生的跨學科學習

能夠獨立使用課堂電子設備的學生，在操作過程中不僅可以作為玩家，還可以在編程界面上進行簡單的編程操作，從而逐步形成編程思維，并培養跨學科的思維方式。若學生能夠熟練運用Scratch編程軟件，可以將自己的創意與生物學知識相結合來制作游戲。這種方法能夠讓學生深入探索生物學領域，激發學生的學習積極性和創造性，提高學生的問題解決能力。由此可見，在課堂中利用Scratch編程軟件設計教育游戲開展教學，既能讓學生在游戲中實現學習目標，也能讓學生在一定程度上做到跨學科學習，從而培養學生的綜合素質。

四、結語

筆者以“性狀分離比的模擬實驗”為例，通過“Scratch啟蒙”APP自主編程，設計了一款與該模擬實驗過程相對應的教育游戲。實踐發現，“Scratch啟蒙”APP能夠以簡單的編程操作設計出符合教學內容的教育游戲，有效彌補了原模擬實驗中的不足，從而協助教師更好地達成教學目標。同時，學生也能從中養成較基礎的編程思維。將教育游戲引入實驗課堂這一教學形式，能夠提高學生參與課堂的興趣，在一定程度上提升教學效果。但是，并非所有的實驗教學都適合使用教育游戲，教師在設計教育游戲的過程中也要考慮學生的認知能力，過度使用或者使用不當，很可能會適得其反，導致學生對實驗內容失去原有的興趣。因此，在推廣教育游戲應用于實驗教學時，需合理設計，以使其教育效益最大化。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 卞地詩，陳飛揚，韓天舒.游戲教育的中外實踐比較及啟示[J].數字教育，2021（5）：86-92.

[2] 徐益苗，趙曉燕.Scratch軟件在初中生物學STEM教育中的應用[J].生物學教學，2018（3）：42-43.

[3] 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[M].北京：人民教育出版社，2020.

[4] 許凡.利用Python改進性狀分離比模擬實驗[J].生物學通報，2021（6）：35-37.

（責任編輯 羅 艷）