Scratch创意编程在生物模拟实验中的运用

叶培毅

摘 要：基于构建高效课堂，提高初中生物实验教学有效性的目的，针对模拟实验的特点，分析应用Scratch编程于生物模拟实验中的优势。以“模拟保护色形成过程”实验为例，围绕“模型”实验的结论要便于类推回“原型”的原则，详细介绍程序设计的主要步骤和注意点。通过增强模拟实验结果的直观性，最大限度地弥补模拟实验“非真实性”的不足，让学生能够在最短的时间内高效完成科学探索过程，学会在实验中获取证据，并对数据进行理性分析，掌握核心概念，发展生物学核心素养。

关键词：生物实验;Scratch;创意编程;模拟实验

随着编程教育课程在中小学的逐步推广，Scratch作为一种低门槛且功能齐全的编程软件已得到广泛使用。通过设置丰富的背景和角色，让学生以拖曳积木式基础模块的方式来编写程序，可以制作出交互式的游戏、动画、脚本等。学生在学习编程的过程中，经常利用其来编写一些科学探索类的小程序，不仅能提高编程水平，还可以对已有的学科知识、概念进行深化学习与探索创新[1]。中学生物课中的模拟实验与其他科学探究活动一样，是提高学生科学素养和获取生物知识的重要途径，是受各种因素制约而无法直接开展的“非真实性”实验。因此这些模拟实验特别适合与Scratch编程结合起来，达到构建高效课堂，提高实验教学有效性的目的。

一、Scratch应用于生物模拟实验的优势

生物模拟实验不是真实的实验，是通过创建与“原型”相似的“模型”对象，并对其进行实验和研究，得出直接结论后再运用类比推理的方式实现“模型”到“原型”的类推，得出最终的结论[2]。模拟实验应该尽量贴近“原型”，让学生通过观察和操作“模型”来形成概念认知的基础，在观察、操作、探索与发现的过程中，加以比较、综合、联想和概括，通过类比的形式构建知识，提升生物学核心素养。Scratch丰富的功能使其具有明显的优势，可以最大限度地弥补模拟实验“非真实性”的不足，通过仿真的实验条件进行连贯的实验操作、计算或互动体验后，完整地展示一个科学探索的过程，增强模拟实验结果的直观性，有利于学生将“模型”实验的结论类推回“原型”。

二、“模拟保护色的形成过程”探究活动分析

“模拟保护色的形成过程”实验是人教版生物八年级下册《生物进化的原因》一节中的内容。让学生通过探究活动，认识并推测出保护色的形成过程，分析生物进化的原因，了解保护色的形成是自然选择的结果。教材中用英国曼彻斯特地区两种桦尺蛾数量随着环境变化而改变的真实事例入手，用大彩纸或布块模拟“生存环境”，用各色小纸片模拟环境中不同体色的某种“猎物”;让学生分组模拟“捕食者”去捕食“猎物”，通过统计存活的个体数，找出哪种体色的“猎物”最适宜在该“环境”中生存，验证对曼彻斯特地区1850—1950年間桦尺蛾体色变化原因的猜想，为学生更好地理解自然选择学说做铺垫。

按照教材的分组活动方案，存在如实验准备烦琐、操作不便、记录与安放下一代个体时无效时间消耗过多、“捕猎者”受主观因素影响容易刻意选择等问题，最终不仅实验的准确性受到影响，也不利于教师进行指导与评价。而通过编程模拟实验，就能快捷有效地完成探究活动，避免出现上述问题。

三、“模拟保护色的形成过程”模拟实验的开发实例

1.任务目标

学生在了解原型、提出假设的基础上开展探究活动，模拟探究保护色的形成过程。

2.作品说明

用黄、蓝、绿、红四种不同颜色的小圆点代表同一种生物（以某种昆虫为例）不同体色的变异个体。操作者代表“捕食者”，可以对这种“猎物”昆虫进行捕食（点击小圆点），“捕食者”的捕食是随机性的。当存活的个体数减少到一定数量后，设置剩余的个体会通过繁衍使昆虫的总数维持稳定状态，并进入下一代。经过五代后，看看最后剩下的所有昆虫中，哪种体色的昆虫个体存活数最大。实验程序的初始页面如图1所示。

3.开发步骤

变量设置：针对各主要元素，首先设置好“黄”“蓝”“绿”“红”“总数”“代”6个变量，再设置“变暗”这一变量（赋值为0或1），使各角色被点击时（“变量”=1），可以变暗消失。增加“背景颜色”变量，利用滑杆来改变环境的颜色，研究在不同颜色环境下保护色的变化。

角色编程：在任一角色中，将全部小圆点（昆虫个体）“总数”这一变量的初始值设置为40，其中“黄”“蓝”“绿”“红”四个角色对应的初始值均为10。以体色为“红”色的角色为例，编写如图2所示程序，让其在舞台背景上克隆出10个红色小圆点。接下来如图3所示，设置“红”色小圆点作为克隆体启动时，随机分布在背景的不同位置，且不碰到舞台边缘或与其他小圆点重叠。利用“变暗”这一变量，当捕猎者点击任一红色小圆点（捕食），即小圆点此时检测到鼠标指针并按下鼠标后，变量“变暗”的值为1，则该小圆点被删除，并播放一个声音“啵”以增加效果。相应的，变量“红”及变量“总数”的值减少1，之后剩余的所有小圆点重新在背景中随机位置出现。重复执行至第5代实验结束。其他“黄”“蓝”“绿”三个角色的操作与“红”角色相同，只需将程序复制过去，并将变量“红”相应更改为“黄”“蓝”或“绿”即可。

在舞台背景中，设置点击绿旗时开始，选择所需背景颜色后进入第1代捕食实验。随着实验进行，各种颜色小圆点的总数减少至不足30时，广播“计数”，并将“代数”增加1进入下一代。为了增加捕食效果，利用“变暗”这一变量，在背景中设置点击任意小圆点后，剩余的所有小圆点也跟着消失，1.5秒后“变暗”变量恢复为0，此时剩余小圆点再次于随机位置重新出现。程序编写如图4所示。

仍以体色为“红”色的角色为例，当接收到“计数”后，将剩余的红色小圆点按数量*1.3倍克隆（即繁殖出的新一代个体），如图5所示。使四种体色的昆虫总数恢复到40左右。循环上述步骤至第五代。其余“黄”“蓝”“绿”三个角色程序编写与“红”这一角色相同，只需复制过去并将变量“红”进行相应更改即可。将编写好的程序运行及调试，看看是否符合预期。

四、Scratch创意编程与生物教学融合的策略和展望

与一般的模拟实验的设计相同，编写相关程序开展模拟实验同样包括了解原型、提出假设、建立模型、实验与概念建构等几个主要步骤。利用Scratch编写模拟实验时应首先注重实验的有效性，注重其蕴含的思维过程，避免成为仅仅是活跃课堂气氛的小游戏。要尽可能降低编程难度，做到清晰简洁，结果明确且有利于展示、评价和交流。教师应该着重引导学生在实验后对实验结果及数据进行分析对比，解释原型，建构概念。

相较于之前的版本，Scratch3.0支持中文输入，可以在电脑、平板、手机等各种终端設备上使用，添加和改进了一些积木块，将不同种类的积木块根据颜色归类等，有更丰富的造型与拓展。但是Scratch2.0仍具有可以直接录制视频和更方便生成可执行的exe文件，具有资源共享的优势，因此教师可以根据实际情况选择使用。将模拟实验的相关编程作品运用于课堂实验教学除了可以丰富教学内容，增强实验教学有效性外，还能体现信息技术与生物学科的融合，拓宽学生视野。以本实验的开发为例，因涉及的编程内容较为简单，没有复杂的算法、数据结构和模块扩展，学生经过信息技术课3～5课时的Scratch课程学习，同学间相互交流与协作，基本上就能理解、改编或开发出类似的作品。

因此，将创意编程与科学探索结合起来，可以让学生在Scratch编程学习中融合生物科学知识，在教师指导下快速实现一个模拟实验的制作与探究，不仅能激发兴趣、学习更多知识和技能，还能提升学生整体的科学素养，获得成就感[3]。

参考文献：

[1]徐益苗，赵晓燕.Scratch软件在初中生物学STEM教育中的应用[J].生物学教学，2018，43（3）：42-43.

[2]高雁.初中生物模拟实验的内涵、价值及实施[J].江苏教育，2016（35）：50-51，55.

[3]王强.创意编程与科学探索的巧妙结合：谈创意编程展评活动科学探索类作品[J].中国科技教育，2018（3）：19-21.

注：本文系福建省教育科学“十三五”规划2019年度立项课题“基于人工智能技术的STEAM教育——微造物坊的实践与研究”（立项批准号：FJJKXB19-502）阶段性成果;厦门市集美区教育科研“十三五”规划2019年度立项课题“科学与工程、技术整合在初中生物实验教学设计中的实践研究”（19088）项目相关成果。