使用图形化编程软件制作动态课件直观演示桦尺蛾数量变化

杨汉文 张小勇

图形化编程软件具有计算、画图、播放声音等功能，可以用于制作教学课件，为课堂注入新活力。笔者以2019年出版的人教版《生物学必修2遗传与进化》（以下称《必修2》）探究·实践项目“探究自然选择对种群基因频率变化的影响”为例，按照基于流程图拟定编程思路—建立并导入素材—建立变量并确定关系式—根据流程图与变量关系式编写程序的流程，制作带有计算功能与绘制曲线图功能的课件，用于动态计算基因频率并绘制种群数量曲线图。

一、图形化编程软件简介

常见的图形化编程软件有编程猫、慧编程、Mind+等。它们具有简单易学、内容丰富、成果直观的特点，深受儿童喜爱。下面以Mind+为例进行介绍，该软件的实时模式为图形化编程。实时模式下，软件界面包括五个主要区域：①菜单栏，包含模块区、造型区和声音区;②编程区，从模块区拖动出的指令在编程区连接;③舞台展示区，角色、背景和变量都在此显示;④角色区，支持导入、编辑角色;⑤舞台编辑区，可用于导入和编辑舞台。

该软件的主要用户群体是儿童，编程逻辑与一般（成人）编程不同。应用该软件编程可以简单分成以下三步：使用舞台背景区建立舞台;使用角色区建立角色;使用编程区，给予角色指令，让角色在舞台上根据指令做出动作（动作包含计算、运动、绘图等）。利用该软件编程，不需要写代码，将模块区的“指令积木”拖动至编程区，便可像搭积木一样连接指令。指令会按照自上而下的顺序运行。

二、确定编程思路，绘制流程图

（一）基于教材的編程思路

根据《必修2》第113页的情境示例^[1]，在无污染时，树干长满浅色地衣，浅色桦尺蛾（以下称浅色蛾）占70%。遭受污染后，树干变黑，不利于浅色蛾生存。浅色个体当年减少10%，黑色个体当年增加10%。

（二）基于真实情境的扩展编程思路

为改善展示效果，促进学生思考，教师在编程训练中引入真实情境：英国国会于1956年颁布了《清洁空气法案》，此举对黑色桦尺蛾（以下称黑色蛾）的比例产生了巨大影响。多个地区收集的数据显示，随着法案的实施，树干重新长出浅色地衣，黑色个体的比例逐年下降。例如，在利物浦南部的威勒尔，黑色个体的比例从1970年的约90%下降到1995年的不到20%^[2]。

以威勒尔的数据为例计算：无污染时，黑色个体当年减少5.84%，浅色个体当年增加8.67%。此比例数值增减可用编程的方式呈现。

（三）绘制流程图

绘制流程图有助于梳理编程思路。在流程图中，菱形表示分支节点，其他步骤则用矩形替代^[3]。根据前面的分析，笔者画出流程图（如图1）。

①开始（椭圆）：已知第1世代SS：Ss：ss=1：2：7，根据比例假设SS、Ss、ss的数量分别为10、20、70，可计算出基因频率（虽然计算基因频率不需要个体数量，但是为了展示种群数量变化，这里使用假设数值的方法计算）。②判定（菱形）：按背景颜色的不同，分B和C两条分支路径。③执行（矩形）：点击“↑”键，走B1路径，背景变黑色，黑色蛾增加，浅色蛾减少;点击“↓”键，走C1路径，背景变浅色，浅色蛾增加，黑色蛾减少。④循环：数量增减后通过B2或C2路径返回菱形，重新判断下一年的背景颜色。⑤重置：按空格键回到开始，数值被重置。

三、制作软件

（一）建立角色与背景

1.准备角色与背景的素材

使用Photoshop软件，将《必修2》第113页的两幅插图中的黑色与浅色桦尺蛾抠出，得到黑色蛾素材和浅色蛾素材;使用Photoshop软件的图章功能，修改第113页插图，得到浅色背景素材（长满地衣的浅色树干）和黑色背景素材（黑色树干）。

2.导入角色与绘制角色

选中角色区中的“上传角色”，选中黑色蛾素材与浅色蛾素材，点击导入素材，得到角色“黑色蛾”和角色“浅色蛾”。复制“黑色蛾”角色，得到“黑色蛾2”角色。点击造型，使用绘制功能，在黑色蛾两个角色中央写上“SS”和“Ss”，浅色蛾写上“ss”。修改角色名称，得到“黑色蛾SS”“黑色蛾Ss”和“浅色蛾ss”三个角色。

3.导入背景

在舞台区“选择一个背景”中点击上传背景，导入浅色背景素材与黑色背景素材，得到黑色背景和浅色背景。

（二）建立变量

在计算机中，变量像计算机内存中的一个盒子，可以存放一个值。大部分编程语言建立变量时对变量名有命名规则，而在软件中，变量名字可以使用中文、英文或数字任意设定。根据教材内容，笔者在左边程序指令区中选择变量板块，点击“建立一个变量”，根据程序需求，建立以下变量：SS初始数量，Ss初始数量，ss初始数量，SS个体数（百只），Ss个体数（百只），ss个体数（百只），种群数量，SS基因频率，Ss基因频率，ss基因频率，S基因频率，S基因频率，世代数。如何建立变量，可在编程时根据需求逐个新建。为方便展示，这里一次性全部列出。

（三）根据变量和条件，构建公式

建立变量后，还需要确定变量之间的关系。在计算机语言中，“=”左边是变量，“=”右边是赋值语句（即公式），“=”右边数量关系式或者变量赋值给“=”左边的变量。例如，设变量a、b、c，让a=1+1，b=a+2，c=b，则a=2，b=4，c=4。根据教材第113页的数字化问题情境，建立各变量间数量关系（见表1）。

（四）编写计算程序

由公式可知，只要有了SS、Ss和ss的初始数量，其他变量都可得出准确数字，所有表达式均成立。首先，结合流程图和表格中的公式，拖动模块区的指令模块并连接。然后，根据教材给出比例SS：Ss：ss=1 ： 2 ： 7，设SS、Ss、ss的数量分别为10、20、70。最后，设定按下空格时重置数值;设定按下“上”键时，背景变黑;按下“下”键时，背景变白。

（五）编写绘制曲线图程序

1.原理

软件的舞台区自带x=-240～240，y=-180 ～180的坐标系，支持曲线图的绘制。程序扩展中附带画笔功能，用户可以调用“落笔”程序指令。角色“落笔”后运动到相应坐标，它的运动轨迹会在舞台上呈现。此轨迹即为曲线图。

2.设置

为了让学生清楚地看到数量变化，了解自然选择下种群数量变化特点，教师选择绘制SS、Ss和ss每年的数量变化曲线。因为需要三个画笔来绘制这三条曲线，教师新建三个角色“SS”“Ss”“ss”作为三个画笔，新建变量“x坐标”供编程使用。下面以SS为例讲述如何编程，先用y（轴）为SS数量，用x（轴）代表世代数。令y=SS数量（百只），x=x坐标。

3.逻辑

y即SS每年的数量，已在前面的计算程序里算出，只要让y=SS个体数（百个）即可完成绘制程序。每过一代，x往右移动2（即x坐标+2），借此可以画出美观的曲线。

4.编程

操作时需要注意：不管是按“↑”（黑色背景）还是按“↓”（浅色背景），都将笔粗细设定为1，将笔颜色设定为紫色（为了便于区分，SS为紫色，Ss为粉红色，ss为红色）。落笔，画笔移动到[x坐标，SS数量（百只）]且这一轮程序执行后，x坐标+2。按下“空格”时，对数值进行重置：画笔移到（0，SS初始数量），擦除绘画痕迹，并将x坐标设为0。同理，选定“Ss”和“ss”角色，可以编写另外两条曲线的程序。

（六）界面优化

隐藏不必要的变量：对于建立的变量系统（默认）会在舞台上显示。舞台空间有限，只保留课堂展示所需变量即可：各基因型的数量及基因型频率、S与s基因的频率、世代数（如图2）。

调整角色与变量位置：将角色和变量移动到舞台的左侧和下侧，空出右上侧，避免画笔绘制曲线时被遮挡。

添加说明：选择背景，使用图文功能，在背景上画出墨绿色方框，并添加项目的使用说明。

四、编程结果

图2呈现的是1～16世代为黑色背景、17～37世代为浅色背景时桦尺蛾的数量变化曲线。只要进行简单的按键操作，程序会自动计算出基因频率与基因型频率、数量。表格2汇总了1～9、16、37世代的计算结果。

从表格2可以发现，1～4世代，黑色蛾增加数小于浅色蛾减少数，种群整体数量处于下降趋势;5～6世代，适应环境的黑色蛾数量逐渐超过浅色蛾，种群数量进入持平状态;从第7世代开始，种群数量进入增长状态。

观察表格中16、37世代的数据可知，在环境污染的条件下，仅需15年，第1世代占70%的ss基因型频率，在第16世代时就仅剩10%。即使第17世代环境恢复了，也需要21年，直到第37世代，ss基因型频率才恢复至70%。这与现实情况相似：生态环境因污染被破坏后，需要投入巨大的经济与人力成本，花费漫长的时间才能恢复如初。

五、制作辅助教學课件的优点

（一）演示过程灵活化

在生物学课堂上，优质的动画资源可以帮助学生学习，网上有很多优秀的3D动画与PPT动画，教师不再需要自制视觉类的演示资源。但这些动画是设定好的，无法在课堂上展示更多样的结果。教师应用该软件将数量关系公式化，使演算变得灵活可变;通过查阅文献，根据真实情境设定数值，可以突破传统教学中变量单一的局限。

（二）节省课堂时间，展示直观结果，引导扩展思考

执教此课例时，通常接近期末，课时不足，课堂时间有限。教材给出的探究任务“表格填空”是简单的乘除法运算，计算量大，非常耗时。教师使用新制课件不仅可以快速得出答案，而且可以算出多种结果，引导学生扩展思考。比如，重复按“上”键，会发现种群数量呈指数型爆发式增长，远超环境容纳量，同时S的基因频率上升后会停留在0.666……无法再提高。教师直观演示更容易让学生质疑教材上的数学模型，从而引导他们指出数学模型的不足之处，并尝试对模型进行修正^[4]，有利于培养批判性思维与建模能力。

（三）可作为综合实践活动项目

因为许多学校没有生物园，或实验室仪器数量不足，往往难以开展综合实践活动。目前大部分学校配有计算机房。图形化编程软件容易上手，教师可以图形化编程软件编程为主题开展综合实践活动。在活动中，学生以小组为单位，组内设置素材制作员和编程人员，一起制作教学项目。上课时，教师要注意运用屏幕监控学生制作时有无错漏。活动结束后，教师可以将优秀作品用于教学演示。

此课件的制作步骤与方法，适用于血糖平衡、生态系统平衡等存在多个变量的课程。

参考文献

[1] 朱正威，赵占良.普通高中教科书生物学必修2遗传与进化[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2] Michael E N， Majerus. Industrial Melanism in the Peppered Moth， Biston betularia： An Excellent Teaching Example of Darwinian Evolution in Action.[J]. Evolution： Education and Outreach，2009（1）：63-74.

[3] [美]阿尔·斯维加特.Python编程快速上手——让烦琐工作自动化.2版[M].王海鹏，译.北京：人民邮电出版社，2021.

[4] 钟金鑫，邓美英，樊立立.基于模型构建的“探究自然选择对种群基因频率变化的影响”的教学设计[J].生物学教学，2020（2）：39-42.

（作者杨汉文系四川师范大学生命科学学院研究生;张小勇系四川师范大学生命科学学院教授）

责任编辑：祝元志