基于高中生物学课程标准的信息技术编程辅助高中生物学实验教学模式初探

王坤

摘要：以高中生物学课程标准的教育理念为指导思想，利用建模的科学思维，将信息技术编程与高中生物学探究类实验和模拟类实验进行有机整合，以样方法、分离定律性状分离比的模拟、自由组合定律性状分离比的模拟、自然选择对种群基因频率影响四个实验为例，通过生生及师生之间的互动讨论，聚焦概念学习的同时，提升学生的科学思维和探究能力。

关键词：高中生物学课程标准 信息技术编程 实验教学模式

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

信息技术编程是现代信息技术的重要内容。随着课改的推进和深化，信息技术编程越来越广泛地走入到教学中，特别是在一些高中实验室无法触及到的领域，如将其与信息技术编程紧密结合，不仅使学习内容更加形象直观，还能有效提升学生的科学思维和探究能力。

教材中在讲解重要概念时，设置了多个模拟或探究实验，教师可利用信息编程技术创设各种情境，将概念模型转化为数学模型，使抽象概念具体化，让学生将被动接受转化为主动探究，在科学探究中达到重要概念的深度学习。下面以样方法、分离定律性状分离比的模拟、自由组合定律性状分离比的模拟、自然选择对种群基因频率影响4个实验为例，介绍信息技术编程辅助实验教学的模式。

1样方法

样方法是人教版生物学必修3教科书中种群密度的估测方法之一。由于调查活动费时费力，学生极少有机会去野外真正进行操作，教师大都采用讲授的形式，并未充分利用此方法来锻炼学生的科学思维和探究能力。教师设计小程序，可以充分模拟样方法的随机取样和计算平均值的过程。这样有利于学生掌握种群密度调查的基本原理，感受利用生物学知识来解决现实生活中的问题，切实提高学生的科学素养。

设计思路：

①学生设置填充数据的最大值和最小值以及数据总量，程序计算输出总体平均值。

②学生输入随机取值数量，每值只能取样一次，程序计算平均值。

③重复几次（每次取值均数量大于上次），重复上述过程。

程序运行结果展示如图1所示。

教师引导学生思考：如何使样本的平均值更接近总体平均值？

对于利用小程序的教学方法，教师应着重于生生及师生之间的讨论以及对实际问题的探讨，并借此培养学生分析问题和解决实际问题的能力。

2分离定律性状分离比的模拟实验

孟德尔遗传定律是生物教学中的重要内容之一，也是后续伴性遗传和变异、进化的基础，同时也是培养学生探究能力的极好题材。而学生由于对数学排列组合和概率的基础掌握不牢固，在学习中也形成一些错误的前概念。例如，一对杂合黑豚鼠产仔4只，4只鼠仔的表现型比例是多少？常有学生回答为三黑一白。这反映出学生对基因分离定律中涉及有关子代基因型、表现型的概率并未理解透彻。

教师借助程序模擬性状分离比，运用建模的科学思维，将抽象的遗传因子的分离和配子的随机组合之间的数量关系直观的体现出来。程序设计思路如下：

（1）表格分为两列，分别代表雌雄生殖器官，在两列中分别填充A和a代表卵细胞和精子的基因，A和a的数量由学生输入。

教师鼓励学生进行批判性思维：①两列中的数据总量必须相等吗？为什么？②每列中A和a的数量必须相等吗？为什么？③如果某种类型的配子死亡，则A和a的数量如何调整？

（2）随机各取一个精卵细胞形成组合，学生输入抽取次数，每个精卵细胞被抽取后，不影响下次被抽取。统计出现AA、Aa、aa的次数比。

教师提出问题：为什么A和a被抽取后，可再次被抽取？

（3）多次重复取样（每次抽取次数均大于上次），重复上述运算过程。

程序运行结果展示如图2、图3所示。

受取值样本大小的影响，在模拟实验中会出现“数据明显偏离理论预期”的情况。教师比较多次取值的情况，引导学生总结出实验结果中AA、Aa、aa出现的概率，并且认识到1：2：1、3：1这样一些比例是一种概率比，只有当取值量很大时才会出现。另外，教师还可以设置特殊配子致死的情境，让学生分析后代基因型比值偏离的情况。学生通过演绎推理，在进一步巩固知识的同时，培养批判性思维。

3自由组合定律性状分离比的模拟实验

教材中仅对分离定律的性状分离比进行了模拟，而对于更高难度的“自由组合定律”，教师也可以通过程序设计展开分离比的模拟实验。程序设计思路如下：

（1）表格分为两列，分别代表雌雄生殖器官，在两列中分别填充AB、Ab、aB和ab代表卵细胞和精子的基因，各种配子的数量由学生输入。

教师引导学生思考：①两列中的数据总量必须相等吗？为什么？②每列中AB、Ab、aB和ab的数量必须相等吗？为什么？③如果某种类型配子死亡，则相应数量做何调整？

（2）随机各取一个精卵细胞形成组合，学生输入抽取次数，每个精卵细胞被抽取后，不影响下次被抽取，程序自动统计出现的各种组合及比例。

教师提出问题：为什么配子被抽取后，下次还可被抽取？

（3）多次重复取样（每次抽取次数均大于上次），重复上述运算过程。

程序统计出现的各种组合及比例如图4、图5所示。

实验完成后，教师引导学生思考：①一共出现了几种基因型？②统计AA：Aa aa数值，统计BB：Bb：bb的数值，思考等位基因之间是否遵循分离定律？③当取值次数足够大时，A-B-：A-bb：aaB_：aabb的比值是多少？④两对非等位基因之间是否遵循自由组合定律？

教师抓住实验的关键性问题，采用互动生成式提出问题串，鼓励学生主动地讨论、分析、最终解决问题。对于实验的结果，教师可以引导学生大胆地猜测思考，有效地激发学生探究的欲望，使整个教学过程中渗透着对学生科学思维和科学探究能力的培养，体现高中新课程的教学理念。

4自然选择对种群基因频率影响的模拟

本实验是人教版生物必修2教科书进化部分的探究实验，旨在让学生理解进化与基因频率变化的关系，掌握自然选择对基因频率产生的定向改变，及熟练换算基因频率与基因型频率。但在真实的情境中，无法直接观察种群多代性状的改变，更无法推算基因频率及基因型频率。笔者将其与信息编程相结合，改变概念的呈现方式，借由学生的真实参与，理解进化本质，提升科学思维。设计思路如下：

（1）由学生填充AA、Aa的基因型频率（图6），系统自动运算得到舰的基因型频率和A、a的基因频率。学生思考：①三种基因型频率之间有何关系？②如何由基因型频率计算当代的基因频率？

（2）学生填充淘汰的性状及比例。

学生思考：①为什么淘汰的是性状而不是基因？②若淘汰率为0，基因频率的变化情况如何？

（3）多次运行自然选择的程序，学生可以随时更改淘汰的性状及比例（图7），观察自然选择对基因频率造成的影响。

学生思考：①为什么可以随时更改淘汰的性状及比例？②若连续淘汰显性，则对A基因频率有何影响？

教师将探究实验构建为数学模型，让学生深刻地理解进化的本质和自然选择作用的机制，感受自然选择引起基因频率变化进而导致进化的过程。同时，利用哈代一温伯格定律预测无自然选择压力情况下，基因频率及基因型频率的变化，在促进学生构建知识网络的同时，提升科学思维。

5总结

信息技术编程与高中生物实验教学的有机整合，为学生的动手实践提供了更多机会，学生可以体会到学科的乐趣，还可以调动积极性，弥补客观条件的不足。但这种教学方法对教师和学生提出了更高的要求，教师和学生都必须具备一定的信息素养才能灵活的设计和使用。这种可以拓宽课堂教学广度、打破教学条件限制的新型教学模式是值得发展和推广的。