大数据可视化视域下模拟孟德尔杂交实验

（浙江省温州市洞头区第一中学 浙江温州 325700）

模拟实验是促进学生生物学学科核心素养形成的有效途径之一，在丰富学生感性认识的同时培养其实验探究与创新能力。孟德尔两大遗传定律是高中生物学《必修2·遗传与进化》中的重要内容，其难点之一是对分离和自由组合现象进行解释。为突破该教学难点，2019年版浙科版生物学教材安排了“模拟孟德尔杂交实验”活动。

随着信息时代的来临，课堂教学方式、学习方式也发生了重大的变革。可视化作为一种新兴形象化的信息表征方式，逐渐流入学科教学的各个方面。在教学过程中知识表征的可视化，有利于促进学生对知识的理解与内化、表达与交流、应用与创新。因此，下面构建可视化模拟实验过程，并基于Excel软件中的函数功能实现孟德尔杂交实验模拟大数据的生成与统计，应用图表功能实现模拟实验结果的可视化。

1 大数据可视化视域下1对相对性状的模拟杂交实验

1.1 构建可视化模型

教师根据浙科版生物学教材对模拟实验过程的文字描述，构建如图1所示的可视化模型，从而优化教学内容使模拟过程具体化、形象化。在此基础之上，师生共同分析可视化模型中信封、卡片、抽取卡片、结合卡片等蕴含的生物学意义，增强学生对模型和建模思想的理解，培养他们运用模型进行实验探究的能力。如图1所示，信封1和信封2分别表示F1中的雌、雄个体。信封中都装有相同数量的Y、y卡片，表示F1中的雌、雄个体各自产生2种相同比例的配子。在模拟过程中，步骤（1）与（2）代表从信封中随机抓取卡片，获得Y或y卡片概率各为0.5，即模拟F1产生配子的过程（模拟分离定律）。步骤（3）表示将雌雄配子结合在一起，模拟受精作用。

1.2 批量生成大数据

对模拟实验过程正确理解的基础上，班级各小组开展模拟实验，教师记录并汇总各小组模拟数据。由于课堂中模拟实验进行次数有限，模拟实验结果也难以趋于真实的分离比。因此，教师可进一步借助Ex⁃cel软件简单函数功能批量获取大数据，从而使实验数据更加充足，结果更为可靠。

在Excel软件中构建如图2所示界面，在单元格B3 中输入公式“=IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）&IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）”，即可获得1个模拟数据。RAND（）函数用于生成位于[0，1）之间的随机数字，生成的随机数字介于[0，0.5）、[0.5，1）内的概率均为0.5。IF（条件，甲，乙）为逻辑函数，当括号内的条件满足时返回甲值；不满足时返回乙值。单元格B3中一共存在2个“IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）”，均表示随机生成的数字在[0，0.5）内输出Y，生成的随机数字在[0.5，1）内输出y，与模拟Yy个体产生Y、y配子的情况一致。可以认为，单元格B3公式中前一个“IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）”模拟雌性个体产生的配子，后一个“IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）”模拟雄性个体产生的配子，公式中的“&”是连字符，将雌雄个体产生的配子结合在一起，即模拟受精作用产生F2。

进行批量获得大数据时，只需选择单元格B3右拉至单元格K3，即可完成10次模拟，紧接着选中单元格B3至K3，下拉可快速获取更多的数据。此外，在Excel界面中可以重新定义行序，从而精准获知每次模拟的实验数据，如寻找第51次模拟的数据，定位第5行第1列单元格即可，从而使每一次的模拟结果都是清楚可见的。图2为选中单元格B3至K3下拉至人为定义的第99行，从而批量产生1 000个模拟实验数据（由于数据较多，人为定义的第6到92行数据未进行展示）。

1.3 快速统计大数据

对于上述批量获得的大数据，还需要一种有效的方法进行快速统计。同样，应用Excel软件函数功能实现数据快速统计。如图2所示，以单元格M3为例，输入的公式为“=SUMPRODUCT（N（EXACT（B：K，"YY"）））”，可实现快速统计出B列至K列1000个模拟数据中“YY”数量的功能。在该公式中，EXACT（）是用来测试两个字符串是否完全相同，如果它们完全相同则返回TRUE；否则返回FALSE。N（）是一个用来返回转换为数值的函数，SUMPRODUCT（）是条件累积求和函数。整个公式的含义为在B列至K列里面，遇到与“YY”字符串完全一致的，则EXACT（）函数输出为TRUE，N（）函数结果计1，SUMPRODUCT（）函数对此进行累加，因而实现对“YY”字符的统计。统计Yy、yY和yy的数量，只需对公式进行略微修改，就能快速统计出B列至K列里面Yy、yY和yy的数量，结果分别为257、231和256。最后，利用Sum（）求和公式获取模拟的总次数，以验证上述公式统计结果与左侧模拟次数是否一致。

1.4 大数据可视化分析

基于获得的大数据和统计结果，应用Excel软件图表工具实现结果可视化。如图3所示，分别将表格中的二维数据以柱形图和饼状图的形式进行展示（Yy、yY两种组合方式在绘图时都记为Yy），结果十分直观、形象。由图3可知，模拟实验结果十分接近孟德尔1对相对性状杂交实验的分离比1∶2∶1，说明Excel软件在“模拟孟德尔杂交实验”活动中的应用效果佳，在教学实践过程中具有可行性。

2 大数据可视化视域下2对相对性状的模拟杂交实验

2.1 构建可视化模型

对于模拟2对相对性状的杂交实验而言，情况更为复杂。在建构好的可视化模型中（图4），教师需进一步分析模拟步骤的实际含义，增强学生对模拟过程的直观体验和认识。教学过程中，可通过创设一系列问题串的形式让学生进行讨论，①雌1和雌2分别代表什么含义？②哪些步骤模拟分离定律，哪些步骤模拟自由组合定律？③信封1中2种卡片数量与信封3中卡片数量是否一定要相等？④预计模拟结果有多少种组合方式？有多少种基因型？学生讨论过程中，教师予以适当帮助和指导，进一步培养学生利用可视化模型对所学知识进行迁移、应用的能力。

2.2 批量产生大数据

2对相对性状的模拟杂交实验中，F2的基因型实际上是由4张卡片结合而成，因此函数里面需要有4个IF（）函数。如图5所示，在单元格B3中输入的公式为“=IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）&IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）&IF（RAND（）<0.5，"R"，"r"）&IF（RAND（）<0.5，"R"，"r"）”，即可得到1个模拟数据。由于2对相对性状的模拟实验后代会出现16种结合方式，因此该模拟实验需要有更多的数据作为支撑，才能得到精准的性状分离比。图5是选中单元格B3-K3，下拉至人为定义的第479行，总共进行了4 800次模拟的数据结果（说明：由于数据较多，人为定义的18～477行数据未进行展示）。

2.3 统计大数据

在“2对相对性状的模拟杂交实验”课堂教学过程中，很多教师会直接简化甚至忽略数据统计和数据展示阶段，原因为统计过程极其麻烦且耗时、耗力，需将16种可能的组合方式一一统计并求和。为充分体现模拟实验应有的价值和地位，同样也可以应用Excel软件函数功能解决上述问题。在单元格M3中输入公式“=SUMPRODUCT（N（EXACT（B：K，"YYRR"）））”即可快速统计出4 800个模拟数据中“YYRR”的数量，其他组合方式的统计公式与上述N3中的公式相似，最终结果如图5所示。利用求和Sum（）函数计算出Y_R_、yyR_、Y_rr和 yyrr的数量，分别为 2 669、894、927和310。

2.4 大数据可视化分析

基于获得的大数据和统计结果，应用柱形图和饼状图实现实验结果可视化。如图6所示，Y_R_、yyR_、Y_rr和yyrr的比值十分接近9∶3∶3∶1，说明模拟结果非常接近孟德尔2对相对性状杂交实验的性状分离比。

3 总结

“模拟孟德尔杂交实验”的重点是提升学生对分离定律和自由组合定律实质的理解，在进行模拟实验教学时，学生分组操作过程仍必不可少。在学生动手操作基础上，进一步利用Excel软件产生大数据、统计大数据、可视化展示大数据。基于大数据可视化视域下模拟孟德尔杂交实验，具有如下几个优势：①应用Excel软件简单函数功能快速生成大数据，进一步提升模拟实验的科学性；②从数据生成、统计和分析等方面入手，有助于学生在课堂中体验模拟实验过程的完整性；③实现模拟实验步骤、结果的可视化教学可增强模拟实验教学的直观性和形象性。