利用Python改进性状分离比模拟实验

许 凡 （深圳第二外国语学校 广东深圳 518110）

模拟实验是一种常用的科学探究方法。通过对研究对象进行模拟并建立模型，在模型的基础上进行研究，进而揭示研究对象的本质与活动规律。

1 实验内容分析

性状分离比的模拟实验是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中活动建议“模拟植物或动物性状分离的杂交实验”，是人教版教材必修2《遗传与进化》模块中第1 章“遗传因子的发现”中的重要实验。该实验旨在让学生通过模拟实验从感性上认识遗传因子的分离、配子的随机结合与性状之间的数量关系，通过体验孟德尔的假说深刻理解性状分离比产生的原因及条件，从而突破分离定律的本质这一教学重难点［1］。

该实验的实验器材仅为颜色不同的乒乓球与塑料小桶，易于准备，但在实际教学过程中，更多教师选择用动画或讲解的方法完成实验教学，而非让学生完成实验。因为本实验虽操作简单，但若希望实验结果出现正确的性状分离比，则需要加大抽取次数以确保样本量足够大，这会增加耗时；且该实验中雌、雄配子随机结合是模拟实验成功的关键。但人为抓取很难保证随机性［2］。

2 改进后的实验方案

原理：原实验中以2个小桶分别模拟雌、雄生殖器官，颜色不同的乒乓球模拟基因型不同的雌、雄配子，再通过随机抽取并组合模拟雌、雄配子的随机结合。从数学的角度上看，雌、雄生殖器官相当于2 个集合，雌、雄配子的基因型即集合中的元素，若设计一段Python 语言，每次运行均可随机从2 个集合中各抽取1 个元素并进行组合，便能完整模拟该过程。

Python 是一种跨平台的计算机程序设计语言。是一个高层次的结合了解释性、编译性、互动性和面向对象的脚本语言，常被用于软件开发、网络爬虫、科学计算和统计等领域。且Python语言易于解读，即使对编程一无所知，学生也可合理猜测代码的含义并进行简单修改。本文尝试利用Python 解释器软件编写源代码，使学生在课堂上可通过变更实验参数，快速获得模拟实验数据。

计算机配置：Python 解释器有针对Linux、Windows、OS X 系统的版本可从http://python.org/免费下载。本节课所用程序运算量较小，只要能安装系统的电脑均可顺利运行。但一般的Python 解释器界面比较单一，推荐下载“海龟编辑器”供上课使用（https://python.codemao.cn/）。

方法步骤：利用编程类软件（如“海龟编辑器”）编辑Python 语言，输入如图1程序后，保存为“*.py”格式文件。在课堂上学生只需要点击运行，即可出现雌、雄配子每次随机结合的基因型，并统计出各种基因型出现的次数（图2），且每次运行都是独立事件，会获得不同的实验结果。

图1 利用Python 模拟豌豆杂交实验（一）

图2 运行程序后呈现的实验结果

3 改进方案优势分析

3.1 快速获得可靠结果，提高课堂效率 学生利用Python 进行模拟实验时，只需1 s 便能快速获得实验结果，相较小球抽取的方法更加便捷，且电脑操作可保证随机性。

3.2 学生可随意修改样本量 教师可将提供给学生的文件中的样本量设置为10，当学生运行后发现结果不符合3:1 时，教师再引导学生思考样本量大小对于该实验准确度的影响。学生对程序文件进行简单修改后，可更改样本量。具体操作方法为：将程序文件中“for i in range(1,11)”的数字进行更改，即将“11”改为“样本量+1”。若期望样本量为100，则修改为“101”。经笔者测试，即使将样本量修改为10 000 后，也仅需3 s 即可出现实验结果。

3.3 修改集合元素，利于学生自主学习 经改进后，操作时间极大缩短，实验的原理也更加清晰，教师可在此基础上将实验进行延伸，探究基因连锁现象与自由组合定律的本质［3］。

在完成上述实验后，教师可提问：若A/a所在染色体上存在另一对等位基因B/b，且A和B在同一染色体上，如何修改程序模拟该个体自交后代性状分离比？学生通过讨论可得出结论：修改2个集合的元素，即将集合{A，a}修改为{AB，ab}。

进一步提问：若A/a与B/b2对等位基因位于非同源染色体上，如何模拟非等位基因的自由组合与自交后代的性状分离比？学生首先需要修改程序模拟非等位基因自由组合的过程（图3），再模拟4 种配子结合的过程（程序见图4）。

图3 利用Python 模拟非等位基因自由组合过程

图4 利用Python 模拟豌豆杂交实验（二）

学生在思考问题的同时便完成了知识的迁移，修改程序并运行获得相应结果可提高学生学习的成就感，并具有高度自我效能感，使其有信心挑战更多的遗传学问题。

4 结语

随着高中教学改革的逐步推进，如何提高高中生物学实验教学质量成为当前高中生物学教学面临的又一挑战。在新媒体背景下，数字化实验模式需要逐渐走进高中课堂，如何科学利用新媒体技术推动中学生物学实验教学创新发展，也是亟待教师思考的问题［4］。本文通过引进Python语言模拟性状分离比实验，可充分发挥学生的能动性，教师仅需在课前准备好最初的编程语言，在课上对语言进行简单的讲解、疑问解答，学生通过合作与讨论，边操作边思考，边讨论边尝试，通过问题的深入与知识的迁移，学生对微观的遗传规律及本质理解得更加透彻。

此外，当前学科之间的交融愈发明显，例如，在本节课Python 语言的编写过程中，既要求学生正确理解生物学科孟德尔遗传定律，也需要运用高中数学“算法与程序框图”的逻辑能力；既体现注重改造创新的技术型，又体现了注重项目改造开发的工程型，是STEM 教育（科学、技术、工程、数学）理念的具体应用，提高学生联系各学科知识及处理问题的能力。