仿真技術在高中生物學教學中的應用

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

摘：要：本文以“性狀分離比的模擬實驗”相關內容為例，利用仿真技術模擬生物在生殖過程中雌、雄配子的隨機結合過程，旨在通過模擬實驗幫助學生理解遺傳因子的分離、配子的隨機結合與性狀之間的數量關系，體驗孟德爾的假說，深入理解性狀分離比知識，以期幫助教師豐富生物學教學模式，提高學生的學習興趣和課堂學習效率。

生物學是一門以實驗為基礎，研究生命現象和生命活動規律的學科。然而，在實際研究中，由于客觀條件的限制，有時無法直接對研究對象開展實物操作。教師可以采取模擬實驗的方式解決這一問題。首先，教師需要梳理與總結已有的事實經驗和科學理論；然后，尋找合適的替代物來替換研究對象，從而模擬研究對象的實際狀況；最后，對替代物進行實驗操作，幫助學生更好地認識研究對象。“性狀分離比的模擬實驗\"是人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》（以下簡稱“教材\"第1章第1節“孟德爾的豌豆雜交實驗（一）\"中“探究·實踐\"欄目的內容，該實驗通過模擬生物在生殖過程中雌、雄配子的隨機結合，探究雌、雄配子隨機結合與性狀之間的數量關系。在統計學中，樣本數量越大，誤差越小，而仿真實驗可以顯著提高樣本數量，從而減小實驗誤差。]

1教材內容分析

教材中用甲、乙兩個小桶分別模擬雌、雄生殖器官，用甲、乙兩個小桶內的彩球模擬雌、雄配子，用不同彩球的隨機組合模擬生物在生殖過程中雌、雄配子的隨機結合。該模擬實驗將抽象且難以直觀感知到的遺傳因子具象化為實物彩球，幫助學生從本質上理解遺傳因子的分離、配子的隨機結合與性狀之間的數量關系，體驗孟德爾的假說，同時為學生學習“孟德爾的豌豆雜交實驗（二）\"的內容奠定基礎。筆者發現，在實驗實施過程中，除了學生個性差異較大導致課堂控制難度增大外，該模擬實驗還存在以下

問題（見表1）。

2仿真技術

仿真技術作為一種借助計算機并依據建模開展科學模擬實驗的技術手段，能夠通過精確的數值運算和疑難問題求解構建呈現系統行為或過程的仿真模型。“虛擬仿真技術\"通常是指“模擬技術\"或“模擬決策技術”，此技術能夠運用虛擬手段、仿真技術以及相似原理構建與實驗研究對象相一致的應用環境模型，并通過特殊裝置將人“投射”至該虛擬化環境模型中，以此完成人與環境的交互和特定活動，從而達到間接研究實驗原型的目的。

在當今社會的諸多領域中，仿真技術的蹤跡已隨處可見，教育領域亦身處其中。將前沿科學技術合理地融入教師的教學活動中，特別是應用在實驗教學方面時，仿真技術能夠彰顯出其顯著優勢。教師可以利用仿真技術構建虛擬實驗場景，以此完成在現實條件下無法開展的實驗。這種創新教學模式不僅能使生物學教學的形式更加多元，還能激發教師對現代信息技術的探索與開發潛能。教師在秉持傳統教學理念的基礎上應用仿真技術對教學進行升華和創新，極大程度地豐富了生物學教學模式，提高了學生的學習興趣，實現了理論知識教學與實驗教學的協同發展。

3仿真實驗描述

3.1仿真實驗原理

配子組合模擬過程如下： ① 首先，教師運用偽代碼定義一組[0，999]的數字表示一系列配子，其中偶數代表含有顯性基因（以“D\"表示）的配子，奇數代表含有隱性基因（以“d”表示）的配子，以此確保含有顯性基因D和隱性基因d的兩種配子數目相同； ② 隨后，運行偽代碼隨機獲取兩個數字，將其組合到一起，模擬配子的隨機結合（如果隨機獲取的兩個數字都是偶數，表示生成的子代基因型為DD；如果都是奇數，表示生成的子代基因型為dd，如果一個為偶數，另一個為奇數，表示生成的子代基因型為Dd）；③ 多次運行如圖1所示偽代碼模擬配子的隨機結合，并統計基因型DD、Dd、dd出現的次數。

3.2仿真實驗結果

筆者運用上述偽代碼進行仿真實驗，得到了偽代碼分別運行100次、200次、500次所獲取的統計結果（見表2、表3、表4）。從仿真實驗結果看，隨著運行次數的增加， DD：Dd：dd 的比例關系不斷趨近1：2：1 ，且性狀分離比不斷趨近 3：1 。

4仿真實驗優勢

與教材中所呈現的傳統模擬實驗相比，采用仿真實驗具有以下多方面優勢。

4.1顯著提升課堂效率

仿真實驗能夠有效規避因搬運實驗器材所造成的諸多不便。教師借助計算機程序實施顯性基因和隱性基因的隨機抽取操作，從根本上避免了學生個人主觀意愿對實驗結果準確性的影響，減小了實驗誤差。此外，仿真實驗避免了傳統模擬實驗中重復抽取彩球30次以上的環節，在節約課堂時間的同時，避免了因實驗環節較長而引發課堂紀律混亂的狀況，減輕了教師的工作量和負擔。

4.2高度契合統計學原理

仿真實驗程序中的樣本數據可以根據教學需求進行靈活調整，其重復次數也能夠輕松超越教材中規定的30次，并在極短時間內完成幾百次、幾千次甚至上萬次的重復實驗。龐大的重復次數與統計學原理高度契合，使實驗所得的性狀分離比數值不斷接近理論數值 3：1 ，有助于學生更直觀、深入地理解性狀分離比知識，為后續學習“孟德爾的豌豆雜交實驗（二）\"奠定基礎。

4.3深度豐富教學內容

仿真實驗能夠顯著豐富教學內容。教師使用編程語言代替實物操作，不僅可以提高學生對生物學的學習興趣，還能夠激發其對編程語言的學習熱情，促進了跨學科知識的融合與協同發展。

5仿真實驗面臨的挑戰和展望

虛擬仿真實驗是一種能夠促進教學目標達成的教學模式，其具有驗證性、仿真性和交互性特點，是當前教學改革長期努力的方向，也是課程發展的新趨勢。2相較于傳統實驗，仿真實驗更加靈活、高效，學生可以獲得較為直觀的學習體驗。教師在教學中充分利用計算機仿真實驗，可以有效彌補傳統實驗教學在時間和空間方面存在的不足，從而提高教學效果。相關領域未來的研究工作應該聚焦仿真實驗軟件的質量以及教師對仿真實驗的接納認可程度等方面。同時，教師應積極探討提高仿真實驗在高中生物學教學中普及應用比例的有效策略與創新路徑。

參考文獻

[1祝燕飛.“性狀分離比模擬實驗”教具的改進與應用J」生物學通報，2022，57（3）：42-43.

[2]徐益苗，趙曉燕.“NB生物初中版”構建生物學教學體驗環境[J].生物學教學，2018，43（10）：34-35.