基于高中生物學課程標準的信息技術編程輔助高中生物學實驗教學模式初探

王坤

摘要：以高中生物學課程標準的教育理念為指導思想，利用建模的科學思維，將信息技術編程與高中生物學探究類實驗和模擬類實驗進行有機整合，以樣方法、分離定律性狀分離比的模擬、自由組合定律性狀分離比的模擬、自然選擇對種群基因頻率影響四個實驗為例，通過生生及師生之間的互動討論，聚焦概念學習的同時，提升學生的科學思維和探究能力。

關鍵詞：高中生物學課程標準 信息技術編程 實驗教學模式

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

信息技術編程是現代信息技術的重要內容。隨著課改的推進和深化，信息技術編程越來越廣泛地走入到教學中，特別是在一些高中實驗室無法觸及到的領域，如將其與信息技術編程緊密結合，不僅使學習內容更加形象直觀，還能有效提升學生的科學思維和探究能力。

教材中在講解重要概念時，設置了多個模擬或探究實驗，教師可利用信息編程技術創設各種情境，將概念模型轉化為數學模型，使抽象概念具體化，讓學生將被動接受轉化為主動探究，在科學探究中達到重要概念的深度學習。下面以樣方法、分離定律性狀分離比的模擬、自由組合定律性狀分離比的模擬、自然選擇對種群基因頻率影響4個實驗為例，介紹信息技術編程輔助實驗教學的模式。

1樣方法

樣方法是人教版生物學必修3教科書中種群密度的估測方法之一。由于調查活動費時費力，學生極少有機會去野外真正進行操作，教師大都采用講授的形式，并未充分利用此方法來鍛煉學生的科學思維和探究能力。教師設計小程序，可以充分模擬樣方法的隨機取樣和計算平均值的過程。這樣有利于學生掌握種群密度調查的基本原理，感受利用生物學知識來解決現實生活中的問題，切實提高學生的科學素養。

設計思路：

①學生設置填充數據的最大值和最小值以及數據總量，程序計算輸出總體平均值。

②學生輸入隨機取值數量，每值只能取樣一次，程序計算平均值。

③重復幾次（每次取值均數量大于上次），重復上述過程。

程序運行結果展示如圖1所示。

教師引導學生思考：如何使樣本的平均值更接近總體平均值？

對于利用小程序的教學方法，教師應著重于生生及師生之間的討論以及對實際問題的探討，并借此培養學生分析問題和解決實際問題的能力。

2分離定律性狀分離比的模擬實驗

孟德爾遺傳定律是生物教學中的重要內容之一，也是后續伴性遺傳和變異、進化的基礎，同時也是培養學生探究能力的極好題材。而學生由于對數學排列組合和概率的基礎掌握不牢固，在學習中也形成一些錯誤的前概念。例如，一對雜合黑豚鼠產仔4只，4只鼠仔的表現型比例是多少？常有學生回答為三黑一白。這反映出學生對基因分離定律中涉及有關子代基因型、表現型的概率并未理解透徹。

教師借助程序模擬性狀分離比，運用建模的科學思維，將抽象的遺傳因子的分離和配子的隨機組合之間的數量關系直觀的體現出來。程序設計思路如下：

（1）表格分為兩列，分別代表雌雄生殖器官，在兩列中分別填充A和a代表卵細胞和精子的基因，A和a的數量由學生輸入。

教師鼓勵學生進行批判性思維：①兩列中的數據總量必須相等嗎？為什么？②每列中A和a的數量必須相等嗎？為什么？③如果某種類型的配子死亡，則A和a的數量如何調整？

（2）隨機各取一個精卵細胞形成組合，學生輸入抽取次數，每個精卵細胞被抽取后，不影響下次被抽取。統計出現AA、Aa、aa的次數比。

教師提出問題：為什么A和a被抽取后，可再次被抽取？

（3）多次重復取樣（每次抽取次數均大于上次），重復上述運算過程。

程序運行結果展示如圖2、圖3所示。

受取值樣本大小的影響，在模擬實驗中會出現“數據明顯偏離理論預期”的情況。教師比較多次取值的情況，引導學生總結出實驗結果中AA、Aa、aa出現的概率，并且認識到1：2：1、3：1這樣一些比例是一種概率比，只有當取值量很大時才會出現。另外，教師還可以設置特殊配子致死的情境，讓學生分析后代基因型比值偏離的情況。學生通過演繹推理，在進一步鞏固知識的同時，培養批判性思維。

3自由組合定律性狀分離比的模擬實驗

教材中僅對分離定律的性狀分離比進行了模擬，而對于更高難度的“自由組合定律”，教師也可以通過程序設計展開分離比的模擬實驗。程序設計思路如下：

（1）表格分為兩列，分別代表雌雄生殖器官，在兩列中分別填充AB、Ab、aB和ab代表卵細胞和精子的基因，各種配子的數量由學生輸入。

教師引導學生思考：①兩列中的數據總量必須相等嗎？為什么？②每列中AB、Ab、aB和ab的數量必須相等嗎？為什么？③如果某種類型配子死亡，則相應數量做何調整？

（2）隨機各取一個精卵細胞形成組合，學生輸入抽取次數，每個精卵細胞被抽取后，不影響下次被抽取，程序自動統計出現的各種組合及比例。

教師提出問題：為什么配子被抽取后，下次還可被抽取？

（3）多次重復取樣（每次抽取次數均大于上次），重復上述運算過程。

程序統計出現的各種組合及比例如圖4、圖5所示。

實驗完成后，教師引導學生思考：①一共出現了幾種基因型？②統計AA：Aa aa數值，統計BB：Bb：bb的數值，思考等位基因之間是否遵循分離定律？③當取值次數足夠大時，A-B-：A-bb：aaB_：aabb的比值是多少？④兩對非等位基因之間是否遵循自由組合定律？

教師抓住實驗的關鍵性問題，采用互動生成式提出問題串，鼓勵學生主動地討論、分析、最終解決問題。對于實驗的結果，教師可以引導學生大膽地猜測思考，有效地激發學生探究的欲望，使整個教學過程中滲透著對學生科學思維和科學探究能力的培養，體現高中新課程的教學理念。

4自然選擇對種群基因頻率影響的模擬

本實驗是人教版生物必修2教科書進化部分的探究實驗，旨在讓學生理解進化與基因頻率變化的關系，掌握自然選擇對基因頻率產生的定向改變，及熟練換算基因頻率與基因型頻率。但在真實的情境中，無法直接觀察種群多代性狀的改變，更無法推算基因頻率及基因型頻率。筆者將其與信息編程相結合，改變概念的呈現方式，借由學生的真實參與，理解進化本質，提升科學思維。設計思路如下：

（1）由學生填充AA、Aa的基因型頻率（圖6），系統自動運算得到艦的基因型頻率和A、a的基因頻率。學生思考：①三種基因型頻率之間有何關系？②如何由基因型頻率計算當代的基因頻率？

（2）學生填充淘汰的性狀及比例。

學生思考：①為什么淘汰的是性狀而不是基因？②若淘汰率為0，基因頻率的變化情況如何？

（3）多次運行自然選擇的程序，學生可以隨時更改淘汰的性狀及比例（圖7），觀察自然選擇對基因頻率造成的影響。

學生思考：①為什么可以隨時更改淘汰的性狀及比例？②若連續淘汰顯性，則對A基因頻率有何影響？

教師將探究實驗構建為數學模型，讓學生深刻地理解進化的本質和自然選擇作用的機制，感受自然選擇引起基因頻率變化進而導致進化的過程。同時，利用哈代一溫伯格定律預測無自然選擇壓力情況下，基因頻率及基因型頻率的變化，在促進學生構建知識網絡的同時，提升科學思維。

5總結

信息技術編程與高中生物實驗教學的有機整合，為學生的動手實踐提供了更多機會，學生可以體會到學科的樂趣，還可以調動積極性，彌補客觀條件的不足。但這種教學方法對教師和學生提出了更高的要求，教師和學生都必須具備一定的信息素養才能靈活的設計和使用。這種可以拓寬課堂教學廣度、打破教學條件限制的新型教學模式是值得發展和推廣的。