TPACK理论下生物模拟实验的信息化思考

姚舒 广东省深圳市新安中学（集团）高中部

邹小新 朱巧莹 广东省深圳市新安中学（集团）燕川中学

●引言

教师的知识水平、教学能力、技术能力，以及它们三者之间相互渗透、灵活实现的能力共同决定课堂效果，因此，教师信息化教学能力发展和提升一直是教育信息化的“最后一公里”。[1]教师信息化教学能力的表征一直是研究热点，而TPACK理论（整合技术的学科教学知识）是目前国际认可度较高、用以描述信息化时代教师知识结构的理论模型。[2]通过提升教师的TPACK水平可以有效提升教师的信息化教学能力。

T P A C K 即整合技术的学科教学知识（technological pedagogical content knowledge)，是指对学科内容知识（content knowledge，简称CK）、教学法知识（pedagogicalknowledge，简称PK）和技术知识（technological knowledge，简称TK）的有机整合，这三者是动态平衡的关系。[3]同时，它们交叉融合形成TPACK的另外四个衍生成分，即技术-教学知识（PCK）、技术-学科知识（TPK）、教学-学科知识（TCK）与技术-教学-学科知识（TPACK）。具体如图1所示。

图1 TPACK的组成结构[4]

生物学科教学的TPACK理论应用探索已有许多实践研究，但大多存在信息技术水平融合深度不足的问题。孙霞[5]对高中生物教师TPACK教学知识现状进行研究，发现高中生物教师的TPACK水平不高，在TPACK理论七个构成维度中，仅学科内容知识、教学法知识和学科教学知识水平较高，而技术知识、整合技术的学科内容知识、整合技术的教学法知识和整合技术的学科教学知识都亟待提高。教师在生物实验教学中依赖传统的教学方法，对信息技术使用的熟练度和对新技术的开发性不够，导致教学效率和质量难以适应教学信息化进程的要求。

因此，笔者基于TPACK框架的生物实验教学思路，将信息技术深度融合到生物学实验的教学内容体系中，通过对“如何运用信息化促进生物学模拟实验开展的案例”进行呈现和反思，分析如何利用TPACK理论构建模型指导教师加强信息化在生物学模拟实验中的应用，以期为生物学科实验中TPACK理论及信息技术应用提供指导，从而促进生物学科教师TPACK融合能力提升。

●生物模拟实验

生物实验作为高中生物学教学的重要组成部分，是高中生物学核心素养培养的重要途径。生物模拟实验是在实验室里创造条件，模拟自然环境、自然现象及演变过程，间接研究真实原型的结构、形态、特征和运动规律的方法。[6]生物学课程标准要求进行模拟实验，即通过模拟实验探究膜的透性、模拟植物或动物性状分离的杂交实验，除此以外，还有大量的实践活动也可以通过模拟实验深入探讨其内在过程。

●生物模拟实验信息化教学案例

1.桦尺蠖种群基因频率变化的模拟实验

人教版必修2第6章第2节“种群基因组成的变化与物种的形成”对有关科学探究素养目标的要求是：能用数学方法分析种群基因频率的变化与进化的关系。在以往的教学中教师通常会展示教材中的假设，进行基因频率和基因型频率的计算，计算过程较复杂，会占用较长的时间，且学生容易陷入计算中而忽视“自然选择对种群基因频率变化的影响”这一重要概念。因此，如果可以让学生模拟自然选择的过程，并将计算难度降低，则会让学生对种群基因频率变化的概念理解得更为深入。

基于以上考虑，教学互动小游戏的制作成为笔者研究的重点内容。通过查阅资料可知，可通过图形化编程完成“桦尺蠖捕食”的小游戏制作，具体操作如下。

（1）初步设计界面

按照教材材料中的假设情境，1870年，桦尺蠖种群基因型频率为SS（黑）10%、Ss（黑）20%、ss（白）70%，假设其数量分别为10个、20个、70个，设定游戏界面中桦尺蠖的数量。

（2）获取图片材料

网络下载图片后使用抠图软件获取黑、白桦尺蠖的抠图；网络搜索黑色树皮的背景图片；分别将白色、黑色桦尺蠖添加到角色库，将黑色树皮图片添加到背景库。

（3）设置变量

点击背景舞台，在模块中添加3个变量，即黑色SS、黑色Ss、白色ss，分别设置初始值为10个、20个、70个，如图2所示。

图2 不同桦尺蠖变量设置

点击角色库的白色桦尺蠖，设置事件：当角色被点击时，“白色ss增加-1”。点击角色库的黑色桦尺蠖，设置事件：当角色被点击时，“黑色SS增加-1”。点击角色库的黑色桦尺蠖副本，设置事件：当角色被点击时，“黑色Ss增加-1”。为了增加游戏的趣味性，设置让桦尺蠖可以在3分钟内缓慢移动，如图3所示。分别复制对象到相应的个数，在背景上排列均匀，就可以运行了，如图4所示。

图3 事件设置

图4 运行背景

（4）进一步改进

在桦尺蠖种群基因频率的变化实验中，还可以加入出生率、死亡率的变量，将其出生率、死亡率、迁入率和迁出率设定为一定时间内发生的定值，以增加该模拟实验的真实性。

2.性状分离比的计算机模拟实验

关于性状分离比的模拟实验，教材中让准备两个小桶，分别标记甲、乙，模拟雌雄生殖器官，并准备两种大小相同、颜色不同的彩球各20个，模拟雌雄配子。分别从甲、乙中随机取一个球，然后组合在一起，模拟生物在生殖过程中，雌雄配子的随机结合。这一模拟实验需要的材料较多，且实验过程需要重复做30次，花费时间较长。

为了更快、更好地模拟该实验，可以利用Excel表格来完成。在表格中插入两列字母，每一列字母的个数可以足够多，但是需要保证D∶d=1∶1，进而在第三列运用函数：=INDIRECT (＂m＂ &RANDBETWEEN(1，n))，其中，m为抽取字母的列（A/B/C等），n为该列中数据的抽取范围。这样，就得到两列随机抽取的字母，也就是模拟“配子”，即精子和卵细胞的基因型。为了使数据足够多，可以尽可能多地得到“抽取的精子、卵细胞”，进而精子和卵细胞结合形成足够多的“受精卵”，即子代的基因型，用函数=m1&n1，就可以将精子、卵细胞列的字母组合为DD、Dd、dD、dd，进而用查找函数，分别统计DDDddd的个数并计算比例。

3.自由组合定律计算机模拟实验

自由组合定律的计算机模拟实验和上个实验有相似之处，不同点在于需要先设定两列不同的数据，即第一列的Y∶y=1∶1，第二列的R∶r=1∶1，将每列数据随机排列，在第三列、第四列运用上述相同函数，改变参数，分别得到Yy、Rr这两对等位基因随机抽取的结果，再在第五列用函数=m1&n1，得到YyRr基因型个体所形成的配子种类以及比例。其间，需要让学生理解如此设计的含义，及每一列数据的意义。

●生物模拟实验信息化教学的行动模型

想要真正进行信息技术与学科的融合，就必须在教学实践中尊重教育规律，将促进学生深度学习并提升学生的核心素养作为信息化教学的根本目标。教师对TPACK知识的学习和应用应遵循的步骤是：充分掌握教学的学科内容—应用适当的教学法—了解并选择与学科内容相关的技术—将信息技术深度融合到教学中。具体如图5所示。

图5 生物模拟实验信息化教学的行动模型

1.深刻理解模拟实验的相关内容知识

种群基因组成的变化包含了种群和种群基因库的概念、种群基因频率的变化以及自然选择对种群基因频率变化的影响探究，其中，“自然选择对种群基因频率变化的影响”需要学生进行探究实践，而这其中的重点是“为什么自然选择会对种群基因频率产生影响”。

2.选择模拟实验的教学法

如果直接给出教材中的数据（每年减少10%），学生就会缺少对“为什么自然选择会对种群基因频率产生影响”的直观感受。通过小游戏，学生可以模拟桦尺蠖的天敌对桦尺蠖进行捕食的过程。在捕食过程中，通过变量的变化，可以直接得出天敌在进行捕食时，对黑色桦尺蠖的SSSs基因型并没有直接的选择，而是对黑色的表现型进行了选择和捕食，因而在自然选择过程中，直接受选择的是表型，而不是基因型。

3.选择模拟实验信息化教学中涉及的技术

查阅资料可知，可以通过图形化编程软件来进行小游戏的设计，图形化编程相对于Phython、C++等门槛较低，但是，它对于大多数非信息专业的教师来说仍然具有一定难度，这就需要教师与信息或通用技术教师合作，克服在技术应用中遇到的困难。此外，还可以运用Excel软件来完成某些随机抽取数据的模拟，也可以选择网络模拟实验平台来完成生物模拟实验。

4.融合信息技术改变学生的学习方式

每个小组不固定的实验数据，使得探究实践更加开放。通过归纳不同的数据，学生可以更好地内化“自然选择会对种群基因频率变化产生影响”这一概念。通过计算机软件的辅助，能在几秒钟内获得随机数据，从而大大缩减模拟实验的时间，让每个学生都有自主探索的机会。生物学核心素养要求学生提升科学探究、科学思维素养，教师通过信息技术改变学生探究方式，降低学生参与探究的难度，提升了学生的参与比例。

●生物学模拟实验信息化教学实践的反思

1.教师的信息素养是核心

教师的信息素养十分有限，不能支撑日常的信息化教学，这是因为：①已有的信息化案例研究较少；②很难花费太多时间、精力去做开创性的工作。而如果有足够的资源供教师选择，则会有更多的教师参与信息化教学。

2.合理选用信息技术

如果教师在课例的教学设计过程中发现不需要信息技术的支持也可以获得良好的教学效果，就不需要硬搬、套用信息技术。信息技术的应用应是解决传统技术无法解决的问题，并且能提高教学效率。

3.改变课堂结构是核心

为了真正使传统的课堂教学结构由“以教师为中心”转变为“主导—主体相结合”，教师可以在学科教学法中多做尝试，以改变学生的学习方式，真正促进学生素养的形成。

4.增强信息化教学资源构建力度

过多依赖一线教师进行信息教学资源的开发不够现实，而且这样开发的教学资源也不成系统。若依赖社会力量或者相关科研机构，则可以在顶层设计时将信息化教学资源的储备作为与课程设计、教材编写同步完成的一项任务。