基于“性状分离比编程模拟实验”的高中生物学概念教学

王坤　王联新　刘付香

摘要： 编程模拟实验可用于高中生物学教学，对于缺乏真实实验装备（或时空受限）的学校而言多了一种替代方案。以“模拟植物或动物性状分离的杂交实验”为例，教师在概念教学中将课前家庭实验与课堂编程模拟实验结合，引导学生课前通过生活化实验初探感知概念，在课堂上模拟编程再探建构概念，建立概念体系应用概念。教师利用编程技术模拟实验，让学生在创设的情境中试错，深刻理解孟德尔假说，使其在科学探究中实现了对基因分离概念的深度学习，提升了科学探究能力和分析归纳及建模的科学思维水平。

关键词：编程模拟实验；概念教学；分离定律；性状分离比的模拟实验

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）强调“教学过程重实践”。为帮助学生理解核心概念，课标指引教师在必修1、必修2的教学中开展11项和8项实验活动，让学生通过实验探究深度学习有关概念、原理，发现规律和建构模型。这对于学生学科核心素养的发展和关键能力的提升有重要意义。在物质条件或时空受限的情况下，一些学校会通过网络开展概念教学和实验活动，教师一般以视频播放、讲解实验的形式来代替学生动手操作实验，造成学生缺少动手动脑的机会，影响教学效果。如何利用在线条件，取得理想的实验教学效果？对于某些与数学学科交叉的实验，教师可以通过编程模拟的方式，让学生积极参与实验。只要有网络和电脑，学生就可以参与编程模拟实验。笔者以“模拟植物或动物性状分离的杂交实验”为例，以编程等数字化手段辅助开展“孟德尔的豌豆杂交实验1——分离定律”概念教学。

一、编程模拟实验对概念教学的优化

在以往的线下或线上教学中，一些教师对“模拟植物或动物性状分离的杂交实验”不够重视，调查发现该实验在一些省份的开展率在50%以下。由于实验并不复杂，教师一般采用实验讲解、题目训练的方式教学，也有教师安排5—10 min让学生操作。这些教师忽略了学生对实验结果的分析、规律的总结及模型的建构。在核心概念的学习方面，学生对杂合子的遗传因子在形成配子时的独立性以及雌雄配子结合时的随机性缺乏认识。此外，学生缺少基于事实归纳概括、数学模型转化为概念模型等科学思维的锻炼，学习效果大打折扣。

为了避免以上影响，笔者为学生提供了一个学习平台，让学生课前完成家庭实验，参与微信群小组合作，使用“问卷星”汇报实验成果，课上参与“腾讯课堂编程模拟”探究活动，归纳总结，建构概念体系。基于编程模拟实验优化概念教学流程如下（如图1）。

二、教学实施

（一）课前合作实验

1.初次探究：生活化合作式

课前，教师让学生以小组为单位（每组6人），利用家中随手可得的材料，操作“模拟植物或动物性状分离的杂交实验”。对于实验中遇到的问题，学生在“微信群”小组中讨论。小组汇总问题后通过“问卷星”上报，并思考、理解概念做好课上汇报准备。

学生在家庭实验中使用了豆粒、纸牌、糖块、硬币、夹子等简单易得的材料。有的小组成员使用一样的实验材料，有的则各不相同。学生通过初次实验探究，对配子中遗传因子分离的概念有了初步的感知。这种生活化的实验大大提高了他们的探究兴趣，而合作式、探究式实验也培养了他们的合作交流与解决问题的能力。

2. 创意编程：特长生显神通

课前，教师调查哪些学生有信息技术特长，组建创意编程小组，对实验进行编程创作，实现大样本数据的快速模拟。学生设计了程序创作的思维流程图（如图2），并按照相应的流程用Python语言编程。

（二）课上编程模拟实验

1.实验汇报：学生相互评价

在“腾讯课堂”中，教师从8个小组中选择有代表性的3个小组请他们汇报实验过程及结果，让其他学生指出其中问题所在、分析并提出修改意见。第一组展示：利用眉豆和黄豆代表两种配子模拟实验。对此，立即有学生指出眉豆和黄豆形状不同、大小不一，在抽取环节无法做到等概率，该实验有漏洞。第五组展示：使用大小相同的黄豆和黑豆代表两种配子。对此，有学生指出代表雌雄生殖器的两个碗中豆子的总数不同，该实验不严谨。随后，有学生提出反对意见，“自然界中产生的雌雄配子总量本身就不同，雄配子数量远远多于雌配子，这组实验的设计更贴近生活”。教师对学生能够理论联系实际进行表扬。第六组展示实验结果，三种基因型的比例并不接近1：2：1，两种表型比例为17：8，也不符合3：1的比值。此时，有学生发现问题所在，“别的小组实验次数为50—100次，而这个小组实验只有25次，太少，性状分离比的比值是无法确定的”。学生通过汇报交流，提高了语言表达能力，同时通过纠错，还提升了批判性思维、逻辑分析的科学思维水平。

2.编程再探：给予试错机会

教师引领学生体验基于大数据的信息编程对性状分离比的模拟（如图3），在表格中精子、卵细胞两列分别填写A和a代表此生殖细胞分配得到的遗传因子。教师设置问题如下：①若父本基因型为Aa，则精子一列应填写什么？若母本的基因型为AA，则在卵细胞一列应填写什么？②模拟杂合子自交，精子中A和a的数量如何设置？可以不同吗？卵细胞呢？③精子和卵细胞各自的总量如何设置？可以不同吗？自然界中是什么情况呢？④受精环节，一精一卵结合导致遗传因子又能成对存在了。如果只形成一个受精卵，那么它的基因组成是什么？⑤如果形成4个受精卵，能预测它们的基因型及所占比例嗎？⑥如果形成40个受精卵呢？400个呢？40000个呢？⑦何种情况下后代分离比会偏离3：1而出现其他比值呢？教师引导学生推理在某种类型配子活力低、受精卵致死的情况下后代的比值，再进行编程验证。

学生可能答错，在编程模拟的验证中，教师要允许学生不断试错，要引导他们试错后快速验证。如在填充数据环节，教师提出问题：精卵细胞数量是否一定相同？精子中A和a的数量是否一定要相同？结合次数不同是否影响最终的性状分离比？在思考中，学生变被动探究为主动探究，提高了批判思维能力；在互动中，高效地理解概念、建构概念。

3. 互动生成：构建数学模型

学生尝试利用程序进行杂合子测交或其他杂交方式后代性状比例的演绎，揭示基因分离的本质，即成对的遗传因子分离而进入不同配子中，使得含有A的配子：a的配子=1：1。无论杂合子自交还是杂交，后代性状比例取决于配子产生过程，而后代表型比值是在后代足够多的情况下才会出现的概率比。随后，教师引导学生从观察杂合子自交的性状分离比到连续自交的情况，建立每一代表型和基因型比例的数学模型，培养学生逻辑推理能力、数学计算能力，帮助学生理解基因分离定律的本质。

（三）归纳与建构概念体系

教师引导学生列出本节所学新名词，并建立新的名词之间的联系，梳理概念（如图4）。学生梳理多个名词（概念），重组知识框架，以概念图的形式进行概念体系的深化应用。教师创设问题情境进行评价：“杂合子自交满足哪些条件，后代才会出现3：1的性状分离比？”学生基于实验，得出答案：①杂合子产生等量的A和a的配子；②雌雄配子无致死现象；③雌雄配子随机结合；④后代个体数量足够多。学生回答问题，接受形成性评价，可以将探究形成的知识学以致用。

三、对编程模拟实验辅助教学的思考

（一）核心素养导向的概念教学倡导探究性实验，不能纸上谈兵

分离定律是高中生物学中最难理解的概念之一，在物质条件或时空受限的情况下是否仍有必要开展此实验？使用實物模拟是否能实现对概念的深度学习？相关实验能否培养学生的推理、建模等思维？这些都是需要思考的问题。

课标强调，学生学习的过程是主动参与的过程，要让学生积极参与动手和动脑的活动。教师采用传统实验与信息技术模拟编程实验结合的方式教学。在线下的实验中，学生利用身边的材料进行操作，初步感知配子中遗传因子的分离。在课堂编程实验中，教师利用信息技术编程创设各种情境，大幅缩短了课堂实验操作的时间，降低了实验器材要求，同时也给予学生大量试错的机会。教师通过电脑运算创设大数据情境，引导学生探究杂交后代性状分离比出现3：1的条件。同时，建构数学模型，让学生深刻理解遗传因子分离的概念，实现深度学习。这种将信息技术与高中生物学实验融合的教学，突破了场地、时间、实验材料的限制，变“纸上谈兵的黑板实验”为学生真正能参与和操作的实验，这正是课标倡导的。

（二）编程模拟实验有广泛的应用场景，但要注意适用范围

高中生物学在微观的细胞领域和宏观的种群实验中，与数学、信息技术存在交叉，这为编程模拟实验提供了丰富的应用场景。例如：教材建议“制作真核细胞的结构模型”“制作DNA分子双螺旋结构模型”，教师可以使用建模软件进行立体建模，并使用3D设备打印，制作真核生物、原核生物、病毒的立体图、剖面图，DNA、RNA的空间结构模型，帮助学生进行形象化的对比分析；教材还建议“用数学方法讨论自然选择使种群的基因频率发生变化”。此外，在“哈代—温伯格定律”“使用抽样方法调查种群数量”的概念教学中，教师可以使用信息技术编程将数学与生物学科联系，通过构建数学模型加深学生对概念的理解。然而，并非所有实验都适合用编程模拟的形式实施，如物质的检测、探究某种因素对生物代谢活动的影响等，这些实验往往需要真实的生化反应或观察生命活动的变化。实验中物质添加的顺序、相对含量、环境因素的控制等都会对实验造成影响，这些因素的控制环节、实验中的意外状况、发现的新问题往往是培养学生科学探究能力的关键。如果使用编程模拟实验则会失去这些宝贵的机会。因此，要注意编程模拟实验的适用范围，避免为使用技术而使用技术。

在编程模拟实验中设计与开发是难点。对于信息素养普遍不够高的教师群体来说，开发的过程只能以部分特长生为主体，大部分学生无法参与。在面向全体学生的编程模拟实验中，教师应更加重视实验原理、思路的体现。学生通过模拟实验，在短时间内可以快速检验实验结果是否与预测一致，再不断提出新的假设，以此训练其提出假设、建构模型的能力和思维。教师不应将教学重点放在信息编程等技术的开发上。

信息时代，编程模拟实验可以给予学生平等实验探究的机会。教师应把握实验教学的适切性、时效性，加强实验教学对概念教学的支持。笔者相信，这种可以挖掘课堂深度、创设更具探究情境的教学方法是值得开发和推广的，用编程等技术手段辅助概念教学也是符合课标要求、顺应时代发展的。

注：本文系广东省教育科学规划2021年度中小学教师教育科研能力提升计划项目“中学生物学‘数字·模拟·实践’创新实验教学模式的构建与应用”（编号：2021YQJK140）、广东省2021年度中小学教师培训中心科研课题“基于核心素养的高中生物学大概念教学策略研究”（编号：GDP-2021-G006）、广州市2021年教育科学规划课题“融合人工智能技术的高中生物新教材课程的实践研究和应用”（编号：202113683）的研究成果。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 吴成军，万雪雪.人教版高中生物学必修教材实验的开课分析及修订建议[J].课程·教材·教法，2016（6）：81-86.

（作者王坤系广东省广州市第六中学一级教师；王联新系广东省广州市禺山高级中学正高级教师，特级教师；刘付香系广东省中山市实验中学高级教师）

责任编辑：祝元志