基于NetLogo的中学生物学仿真模型开发及其在教学中的应用

摘 要：本文以“基因频率的变化”模型为例，介绍基于NetLogo的中学生物学仿真模型开发过程，利用模型与建模的方法，通过该仿真模型实时显示的数据构建数学模型，旨在呈现信息技术应用在教学中所形成的高效课堂。

关键词：NetLogo；仿真模型；编程建模；基因频率

文章编号：1003-7586（2024）10-0069-03

中图分类号：G633.91

文献标识码：B

NetLogo是一个用来对复杂系统进行仿真的可编程建模环境。它自带一个丰富的模型库，其中有30余个与生物学相关的仿真模型，可直接运行^［1］，但若要开展模型库中没有的活动，则需教师编程建模后再用于教学。^［2］下面笔者以“基因频率的变化”模型为例，对仿真模型开发的过程及其在教学中的应用进行简单介绍。

1 “基因频率的变化”仿真模型开发

利用NetLogo软件开发仿真模型的具体流程如图1所示。

1.1 内容选取

“基因频率的变化”是人教版普通高中教科书《生物学·必修2·遗传与进化》（以下简称“教材”）第6章第3节的内容，《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》明确要求对本内容开展“用数学方法讨论自然选择使种群的基因频率发生变化”的活动。教材中对应的活动能够培养学生的逻辑思维和计算能力，但对高中阶段的学生而言较复杂。另外，通过计算假设的数据来分析“基因频率的变化”，难以让学生较直观地感受大自然对种群的选择作用。因此，教师可以尝试用计算机仿真模型来提升教学效果。

1.2 模型构建

在构建计算机仿真模型之前，教师应先从教学内容出发，构建物理模型或数学模型，构建过程中应抓住本质，为之后的精准构建仿真模型提供保证。

结合教材内容，“基因频率的变化”可构建两个模型。一是数学模型：个体自由交配遵循分离定律。即产生配子时，基因型为Ss的个体产生数量相等的S和s配子，基因型为SS的个体只产生S配子，基因型为ss的个体只产生s配子。二是物理模型：适应黑褐色背景环境的黑色个体被留下，浅色个体被淘汰，自然选择对种群的个体产生影响。

1.3 仿真设计

教材中“探究自然选择对种群基因频率变化的影响”的数字化情境若同时考虑两种模型，计算比较烦琐，难以在课堂上短时间内完成，此时计算机仿真模拟就成为一个最佳选择。

教师应结合教学需要，将构建好的数学模型或物理模型转变为能用计算机软件构建的仿真模型。计算机仿真模型设计包括界面、情境、参数和功能等多个方面的设计。“基因频率的变化”仿真模型需要实现两方面功能：①种群的个体间能自由交配产生后代；②自然选择对种群的个体进行淘汰。且能设置选择作用的强度，从而模拟出更丰富的数据结果。

1.4 技术实现

运行计算机软件及编程语言可以创造出能实现一定情境变化的计算机仿真模型。“基因频率的变化”模型基于NetLogo软件，利用Java语言实现模型的对应功能。

1.5 测试修正

教师运行已编好的仿真模型，将模型得出的数据与真实情境得出的结果进行对比，直到修改无误。

2 “基因频率的变化”仿真模型在教学中的应用

2.1 资料分析，巩固旧知，熟悉模型

教师展示资料一：英国的曼彻斯特地区有一种桦尺蛾，19世纪中叶以前，桦尺蛾几乎都是浅色型。19世纪时，曼彻斯特地区的树干上长满了浅色的地衣，随着工业的发展，工厂排出的煤烟使地衣难以生存，结果树皮裸露并被熏成黑褐色。到20世纪中叶，黑色型桦尺蛾占比超过95%。

教师提出问题：黑色个体为什么越来越多？请尝试用达尔文自然选择学说进行解释。

学生小组讨论后得出：树皮变成黑褐色后，浅色型桦尺蛾不易躲避天敌，数量逐渐减少，而黑色型桦尺蛾与树皮颜色相近，可以躲避天敌，数量相对浅色型桦尺蛾有所增加。

教师指导学生用NetLogo计算机仿真模型中自带的“自然选择模型”进行操作。

设计意图：学生对自然选择学说产生直观感受，巩固教材上一节中的解释模型。学生动手操作计算机自带的模型，可熟悉操作平台，为接下来的仿真模拟操作奠定基础。

2.2 创设情境，引出主题，进入新课

教师展示资料二：1848年，科学家在该地区首次发现了黑色型桦尺蛾。进一步的研究表明，桦尺蛾的体色受一对等位基因S和s控制，黑色（S）对浅色（s）是显性。

教师为学生讲解：首次发现的黑色个体很可能是基因变异的结果，其基因型很可能是Ss。若周围环境为黑色，自然选择会使该基因型存活留下，但这一有利变异的个体终究会死亡，只有通过与群体中的其他个体进行交配繁殖，有利基因（S）才能传递下去并逐代积累，最终扩大黑色个体在群体中的比例。可见，生物的进化是以群体为单位发生的，这个群体就被称为“种群”。

教师指导学生操作仿真模型平台，设定桦尺蛾个体数为简单的“三黑七浅”（其中黑设置为一个SS和两个Ss），在命令中心输入指令让桦尺蛾的尺寸增大，以便观察和计数。

教师引导学生总结出种群的概念：生活在一定区域的同种生物全部个体的集合。通过这样的仿真模拟，教师可将种群概念中的三要素（空间是同一区域、组成是同种生物、数量是全部个体）直观呈现。鉴于对进化的研究应该以种群为单位，且种群中有利基因S可世代传递，教师就可以顺其自然地引入基因库、基因型频率、基因频率这三个概念。

教师请学生根据前面给出的“三黑七浅”数据，计算相关的基因型频率和基因频率，并提出问题：如果三个黑色个体的基因型变为“两个SS和一个Ss”，那还是不是原来的种群？要求学生再次计算基因频率并说明原因。

学生根据基因库和基因频率的不同，得出两个种群不相同的结论。

设计意图：教师用简单情境引出种群概念，再通过与计算机的交互让学生体验概念的生成，并从本质上理解种群。依靠计算机界面结合具体数据进行计算，掌握计算方法的同时，还能对基因库和基因频率这两个附属概念的内涵产生更深刻的理解。

2.3 利用仿真模型进行“用数学方法讨论基因频率的变化”模拟

教师展示资料三：1870年，有学者调查曼彻斯特地区的桦尺蛾，得到的基因型比例数据跟上文中给出的比例类似，SS占10%、Ss占20%、ss占70%，只是种群的总数量更大。

教师提出问题：“若这些桦尺蛾自由交配，根据分离定律，子一代的基因型频率和基因频率分别是多少？子二代又是多少？”同时请预测第一百代的基因型频率和基因频率情况。

学生小组讨论并用数学方法得出前二代的结果，并预测子一百代的情况。

教师指导学生进行相关仿真软件模拟操作，发现计算结果与模拟操作结果相近。

师生共同总结得出遗传平衡定律的数学模型，这是理想条件下的情况。实际情况中，已知浅色个体在逐渐淘汰，ss的基因型频率以及s的基因频率不可能保持不变。

设计意图：教师引导学生从“雌雄亲代所产配子的种类及比例”角度计算两代的基因型频率，这一过程非常重要，它既是对遗传定律内容的巩固，也是理解并记忆遗传平衡定律数学公式的最佳方式。利用计算机模拟结果验证学生预测但未计算的子一百代结果，再次展现了计算机仿真模拟的优势，也让学生有了获得感。

2.4 利用仿真模型进行“探究自然选择对种群基因频率变化的影响”模拟

教师指导学生在仿真模型操作平台上设置环境选择作用的强度，浅色个体每年淘汰10%（不同小组可以设置不同强度），黑色个体每年增加10%，模拟每年淘汰后再经过自由交配得到的下一代数量、基因型频率及基因频率。

经仿真模型模拟计算得出，在自然选择的作用下，种群的S基因频率不断提高，s基因频率不断下降，发生了定向改变，导致生物朝着一定的方向不断进化。

教师继续提出问题：除了自然选择，是否还有别的因素会改变基因频率？

在学生小组讨论后，教师引导学生回顾首次发现的黑色个体，S基因从无到有是基因突变的结果，可见基因突变会改变基因频率。教师继续创设情境，师生共同分析另外几种情况，总结遗传平衡定律成立的五个前提。

设计意图：学生根据设定的数据，与仿真模型进行交互活动，各组间的结果虽不同但结论相同，都得出了基因频率的定向改变导致生物进化这一结论。该过程能够培养学生应用计算机工具解决实际问题的能力，发展学生的科学思维，同时避免“先淘汰再自由交配再淘汰”这一烦琐的手工计算过程。

3 总结

NetLogo从数据表征、图形表征和语言表征三个角度反映了环境对种群基因频率的影响，有助于学生解决实际问题；学生能够通过程序控制多个变量，有目的地实现对仿真系统的控制；操作者在进行操作时，还能即时获取数据及动态曲线图。

本例中运用NetLogo计算机仿真模型，让学生在课堂上身临其境地感受到自然选择对种群的影响，帮助学生形成进化与适应的生命观念。学生自主运行该模型，设置不同的参数进行探究，基因型频率和基因频率的变化以曲线图的方式直观呈现，可以帮助数据处理能力和总结归纳能力略有欠缺的学生更好地理解自然选择对种群的作用。另外，利用仿真模型进行人机交互，可以在探究的过程中激发学生思维，有利于学生科学思维以及科学探究能力的培养。

最后，本例中所呈现的情境贯穿课堂教学的始终，串联起了本节内容的所有概念和相关活动，提升了教学效果。

参考文献

［1］杨宇杰，刘佳璐，郑晓蕙.基于NetLogo的计算机建模在中学生物学教学中的应用［J］.生物学教学，2015，40（2）：10-12.

［2］孙杰.NetLogo生物学仿真实验室的搭建［J］.生物学教学，2021，46（6）：31-32.