基于大樣本的性別遺傳虛擬實驗構建：初中生物學項目教學設計

在數(shù)字化教育浪潮的推動下，生物學教學亟待革新?！读x務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）明確提出，教師應運用模擬實驗數(shù)字化資源，改進教學內容的呈現(xiàn)方式，優(yōu)化教學過程，增強教學的直觀性、生動性和豐富性^[1]。然而，傳統(tǒng)模擬實驗在教學實踐中常因樣本量小、數(shù)據(jù)偏差大、拓展性差等問題，難以助力學生深刻理解抽象的生物學概念，如“生男生女機會均等”。為解決這一問題，筆者基于JavaScript和HTML語言開發(fā)了“人的性別決定”數(shù)字化模擬實驗程序，設置提出問題、作出假設、設計實驗、控制變量、分析數(shù)據(jù)、得出結論、自主創(chuàng)新、拓展實驗等環(huán)節(jié)，促進學生基于數(shù)據(jù)對“人的性別決定”實驗探究中重要概念的理解和科學探究能力的提升，有效解決學習難點。實踐表明，該程序顯著提高了學生對生物學概念的理解，增強了科學探究能力，為初中生物學實驗教學改革提供了新思路與實踐范例。

一、基于課標的虛擬實驗教學需求與研究價值

（一）教學痛點

課標要求學生理解“兩種精子與卵細胞結合的機會相等，后代中男性和女性的比例一般為1∶ 1”，并建構次位概念“人的性別是由性染色體的組成決定的”。然而，傳統(tǒng)教學中無法進行真實實驗，一般通過抽/抓取雙色紙片、棋子或用小球等簡易教具進行模擬實驗探究。但這種方式存在諸多問題：分組實驗材料準備與展示難度大、樣本量不足、數(shù)據(jù)統(tǒng)計準確性不足及實驗拓展性欠缺等，尤其是因樣本量不足而造成的實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)明顯偏離1∶ 1這一理論預期，難以基于數(shù)據(jù)得出“生男生女概率均等”這一結論。

（二）研究價值

數(shù)字化模擬實驗是數(shù)字化教學的重要組成部分，指的是利用虛擬仿真技術、數(shù)據(jù)分析軟件或數(shù)字化實驗程序等進行的模擬實驗，不僅可以作為呈現(xiàn)生命現(xiàn)象的教學資源，還可以作為科學探究的實驗環(huán)境，促進學生構建科學知識、體驗科學過程、深化對科學本質的理解。相關研究表明，數(shù)字化模擬實驗能夠顯著提升學生的學習興趣和科學探究能力，優(yōu)化教學效果^[2]。因此，在數(shù)字化教學背景下，利用數(shù)字化技術賦能初中生物學模擬實驗教學具有重要意義^[3]。

二、數(shù)字化模擬實驗程序的設計思路

“人的性別決定”數(shù)字化模擬實驗程序基于HTML和JavaScript/TypeScript技術，采用Angular框架構建網(wǎng)頁應用，利用JavaScript中的隨機函數(shù)動態(tài)產(chǎn)生隨機值，使精卵結合的過程實現(xiàn)隨機化，可實現(xiàn)新生兒的性別模擬^[4]。實驗過程中，利用random（）這個隨機方法來模擬新生兒的性別，綜合考慮多孩家庭的比例分布以及家庭總數(shù)等變量，最終合并、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并以表格的形式進行直觀呈現(xiàn)。該程序的核心算法如圖1所示。

核心算法首先模擬每個家庭的新生兒數(shù)目，然后進行二次模擬（對每個新生兒的性別進行模擬）并匯總。模擬每個家庭的新生兒數(shù)目時，程序會產(chǎn)生一個1到100之間的隨機數(shù)rand，當隨機數(shù)的數(shù)量足夠多時，它一定會均勻分布在1到100之間，這樣，以（55，35，8，2）這個分布為例，rand值在1至55，表明當前是一孩家庭；56至90，表明當前是二孩家庭；91至98，表明當前是三孩家庭，超過98即表明當前是四孩家庭。

然后，程序采用類似算法模擬出新生兒的性別數(shù)據(jù)，生成一個0至1范圍以內的隨機數(shù)并賦值為v。以0.5為中點，v的值落入0至0.5以內的概率，以及落入0.5至1以內的概率應該是相等的。以此概率分布為理論基礎，對v進行比較，如果v≥0且vlt;0.5，表明是女孩，當v≥0.5時，表明是男孩；如當前是男孩，將boys變量的值增加1。

經(jīng)過以上兩輪模擬，便可產(chǎn)生兩個關鍵數(shù)據(jù)：新生兒總數(shù)及男孩數(shù)目，兩者相減便能得出女孩數(shù)目?！叭说男詣e決定”數(shù)字化模擬實驗程序的算法流程圖如圖2所示。

綜上所述，數(shù)字化模擬實驗離不開高效算法設計，它能夠顯著減少系統(tǒng)資源的消耗以及總模擬時間。由于當前算法的時間復雜度為O（n），空間復雜度為O（1），所以它能夠有效支持千萬乃至上億數(shù)量級的家庭樣本模擬。實際測試使用過程中，在intel-9700H的CPU上，模擬一千萬家庭時用時約1 s，一億家庭時用時約12 s，因此能夠明顯提高模擬實驗的教學效率，為初中生物學模擬實驗教學提供了較好的技術支撐。

三、數(shù)字化模擬實驗在初中生物學教學中的應用實踐

數(shù)字化模擬實驗程序為學生提供了探究環(huán)境，讓學生完整體驗“提出問題、作出假設、實施實驗、分析數(shù)據(jù)、得出結論、表達交流等”科學探究過程，促進學生對“人的性別決定”實驗探究活動中的重要概念的理解和科學探究能力的發(fā)展。

（一）提出問題，作出假設

課前教師將模擬實驗探究過程記錄表（見表1）發(fā)給學生，便于學生根據(jù)科學探究的一般步驟開展模擬實驗，并及時記錄相關數(shù)據(jù)。教師圍繞“生男生女機會均等嗎？”這一關鍵性問題，組織學生開展模擬實驗探究活動，并根據(jù)問題作出假設。

（二）設計方案，控制變量

在實驗方案設計環(huán)節(jié)，充分利用數(shù)字化資源，激發(fā)學生參與探究的熱情。教師激勵學生在實驗方案設計與實施階段發(fā)散思維，明確設計思路、實驗原理、實驗器材、實驗步驟等方面的內容，幫助學生更深入地思考和理解實驗。

首先，教師對“人的性別決定”數(shù)字化模擬實驗程序的使用進行介紹與演示，引導學生思考與討論如何設計該模擬實驗。學生訪問網(wǎng)站（https：//biodemo.ticktock.pro/）或掃描二維碼進入程序。

然后，學生按照自己的想法形成初步的實驗設計方案，并填寫在“人的性別決定”模擬實驗探究過程記錄表中，再自主運用程序進行模擬實驗。例如，有的學生設置“一孩家庭概率為100%”“家庭總數(shù)為10”，然后點擊“生成”按鈕跳轉至實驗結果頁面。此時，區(qū)域2和區(qū)域3分別顯示本輪模擬實驗的后代性別比例餅圖和本輪模擬實驗的10組家庭后代性別決定過程（含人的性別決定示意圖），區(qū)域4顯示本輪模擬實驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)顯示“輪數(shù)：1”“家庭總數(shù)：10”“子女總數(shù)：10”“男孩數(shù)（比例）：4（40%）”和“女孩數(shù)（比例）：6（60%）”。由此可知，本輪模擬實驗的10個家庭后代中男女性別比例為2∶ 3。

數(shù)字化模擬實驗程序將后代生男、生女的結果渲染成紅、藍兩色的餅圖并呈現(xiàn)各自所占比例。后代受精卵為“XX”以女孩頭像和紅色文字呈現(xiàn)，“XY”則以男孩頭像和藍色文字呈現(xiàn)，使得男女性別在圖像和色彩上有了區(qū)分，讓學生直觀感知女孩的性染色體組合為“XX”，男孩的性染色體組合為“XY”，能潛移默化地建構“人的性別是由性染色體的組成決定的”這一次位概念。

由于數(shù)字化模擬實驗程序設置樣本量大小可變，學生在探究過程中可按照自己的想法設置樣本量模擬不同的場景，從而克服了樣本量不足、數(shù)據(jù)統(tǒng)計準確性不足的困難。例如，有的學生想知道當樣本量繼續(xù)擴大至一千、一萬、十萬、百萬時會出現(xiàn)怎樣的結果，有的學生想模擬二孩、三孩、四孩等多孩家庭后代性別比例結果，教師可以鼓勵學生大膽嘗試控制變量，進行新一輪的模擬實驗。

（三）分析數(shù)據(jù)，得出結論

每一輪模擬實驗結束，程序即時生成統(tǒng)計數(shù)據(jù)。教師引導學生對每輪模擬實驗的統(tǒng)計結果進行數(shù)據(jù)分析。學生發(fā)現(xiàn)隨著樣本量的不斷擴大，后代性別比例逐漸趨于1∶ 1，因此得出“生男生女機會均等”的結論。教師組織學生回顧探究過程并展示，對探究過程與統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，促進學生科學思維發(fā)展。此時，教師引導學生基于數(shù)據(jù)分析思考“生男生女機會均等”的原理：由于男性的性染色體組成是XY，因此在生殖過程中可以產(chǎn)生兩種精子，即含有X染色體的精子和含有Y染色體的精子，這兩種精子的數(shù)目是相等的；女性的性染色體組成是XX，因此在生殖過程中只能產(chǎn)生一種含有X染色體的卵細胞。精卵結合時，兩種精子與卵細胞結合的機會均等，因此后代中男性和女性的比例一般為1∶ 1。最終，學生利用實驗數(shù)據(jù)建構概念“人的性別是由性染色體的組成決定的”。

（四）自主探究，深度拓展

為了更好地解決“生男生女機會均等嗎？”這一探究活動容易演變成驗證性實驗的問題，教師在該探究實驗結束后，鼓勵學生思考與討論自主創(chuàng)新生成新問題，如：“生男孩（女孩）的家庭下一胎一定生女孩（男孩）嗎？”“每一胎的性別是否有關聯(lián)？”引導學生繼續(xù)運用數(shù)字化實驗程序開展拓展探究實驗進行深入探究，鼓勵學生根據(jù)“人的性別決定”模擬實驗拓展探究過程記錄表開展思考討論、拓展實驗方案設計并實施、進行數(shù)據(jù)分析并得出結論，最終解決新問題。

例如，學生設置“家庭總數(shù)為1”，共模擬10輪，發(fā)現(xiàn)：生男孩的家庭下一胎有可能生男孩或女孩，而生女孩的家庭下一胎有可能生男孩或女孩，最終得出“每一胎的性別沒有關聯(lián)”的結論。教師隨后指出“如果人們單純追求生男或生女，就會打破生育的自然規(guī)律，導致人類社會性別比例失調，影響社會的穩(wěn)定和發(fā)展”，增強學生的社會責任感。最后，教師呈現(xiàn)近年來我國新增出生人口數(shù)量調查表，引導學生討論思考出生率持續(xù)下降對國家與社會發(fā)展產(chǎn)生的影響，關注人口問題，增強學生的社會責任感，凸顯生物學學科的育人價值。

四、總結與啟示

一方面，數(shù)字化技術優(yōu)化了生物學模擬實驗教學的探究過程，有利于落實生物學核心素養(yǎng)。數(shù)字化模擬實驗在數(shù)字化實驗的基礎上，借助網(wǎng)絡平臺突破傳統(tǒng)實驗的時空限制，激發(fā)潛能和創(chuàng)造力，實現(xiàn)個性化學習，從而提高實驗教學質量。數(shù)字化模擬實驗程序具有過程可視化、結果數(shù)據(jù)化、內容拓展化和資源共享化等優(yōu)點，能即時生成統(tǒng)計數(shù)據(jù)，讓學生有充裕的時間進行數(shù)字化模擬實驗方案設計與實施、數(shù)據(jù)分析和表達交流，有助于充分體驗探究過程，并基于程序生成的數(shù)據(jù)深度理解生物學原理與建構概念，落實生物學核心素養(yǎng)。數(shù)字化模擬實驗程序適用于教學中多場景多設備的重復使用，支持多人并行操作，師生可以利用臺式電腦、平板電腦、智能手機或觸摸屏電視等常用設備訪問程序，無需安裝即可使用，便于開展教學、評價與反饋。

另一方面，數(shù)字化實驗應與常規(guī)實驗教學優(yōu)勢互補^[5]，有效解決初中生物學實驗教學難點。研究表明，數(shù)字化實驗教學過度關注學生呈現(xiàn)實驗過程、結果數(shù)字化，過分強化了數(shù)字化在人的發(fā)展中的作用。因此，數(shù)字化實驗不可濫用，數(shù)字化實驗應與常規(guī)實驗教學優(yōu)勢互補，從而有效解決初中生物學實驗教學中的難點。此外，教師參與數(shù)字化實驗的開發(fā)與應用有著積極作用，不僅有助于實驗教學中實際問題的解決和數(shù)字化資源的共建共享，提升實驗教學質量；而且能有效提升教師數(shù)字素養(yǎng)，推動數(shù)字化教學進程。

筆者以“人的性別決定”教學為例，驗證了數(shù)字化模擬實驗在初中生物學教學中的有效性。未來可拓展至遺傳規(guī)律模擬、生態(tài)系統(tǒng)建模等領域，同時需關注：依據(jù)教學內容選擇數(shù)字化工具，避免技術濫用；構建區(qū)域化、校本化的數(shù)字化實驗資源共享平臺，推動教育公平。

參考文獻

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[5] 劉波，李永團，劉文成.生物學數(shù)字化實驗教學實施的困境與突破[J].教學與管理，2024（13）：59-62.

（作者趙麗麗系江蘇省南京市江寧區(qū)周崗學校理化生教研組組長、一級教師，華東師范大學生命科學學院非全日制在讀碩士研究生；張桂梅系江蘇省南京市齊武路初級中學正高級教師；張春雷系華東師范大學生命科學學院副教授）

責任編輯：祝元志