大數(shù)據(jù)可視化視域下模擬孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)

（浙江省溫州市洞頭區(qū)第一中學(xué) 浙江溫州 325700）

模擬實(shí)驗(yàn)是促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成的有效途徑之一，在豐富學(xué)生感性認(rèn)識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)其實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新能力。孟德爾兩大遺傳定律是高中生物學(xué)《必修2·遺傳與進(jìn)化》中的重要內(nèi)容，其難點(diǎn)之一是對(duì)分離和自由組合現(xiàn)象進(jìn)行解釋。為突破該教學(xué)難點(diǎn)，2019年版浙科版生物學(xué)教材安排了“模擬孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)”活動(dòng)。

隨著信息時(shí)代的來臨，課堂教學(xué)方式、學(xué)習(xí)方式也發(fā)生了重大的變革。可視化作為一種新興形象化的信息表征方式，逐漸流入學(xué)科教學(xué)的各個(gè)方面。在教學(xué)過程中知識(shí)表征的可視化，有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與內(nèi)化、表達(dá)與交流、應(yīng)用與創(chuàng)新。因此，下面構(gòu)建可視化模擬實(shí)驗(yàn)過程，并基于Excel軟件中的函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)?zāi)M大數(shù)據(jù)的生成與統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用圖表功能實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視化。

1 大數(shù)據(jù)可視化視域下1對(duì)相對(duì)性狀的模擬雜交實(shí)驗(yàn)

1.1 構(gòu)建可視化模型

教師根據(jù)浙科版生物學(xué)教材對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)過程的文字描述，構(gòu)建如圖1所示的可視化模型，從而優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容使模擬過程具體化、形象化。在此基礎(chǔ)之上，師生共同分析可視化模型中信封、卡片、抽取卡片、結(jié)合卡片等蘊(yùn)含的生物學(xué)意義，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)模型和建模思想的理解，培養(yǎng)他們運(yùn)用模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的能力。如圖1所示，信封1和信封2分別表示F1中的雌、雄個(gè)體。信封中都裝有相同數(shù)量的Y、y卡片，表示F1中的雌、雄個(gè)體各自產(chǎn)生2種相同比例的配子。在模擬過程中，步驟（1）與（2）代表從信封中隨機(jī)抓取卡片，獲得Y或y卡片概率各為0.5，即模擬F1產(chǎn)生配子的過程（模擬分離定律）。步驟（3）表示將雌雄配子結(jié)合在一起，模擬受精作用。

1.2 批量生成大數(shù)據(jù)

對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)過程正確理解的基礎(chǔ)上，班級(jí)各小組開展模擬實(shí)驗(yàn)，教師記錄并匯總各小組模擬數(shù)據(jù)。由于課堂中模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行次數(shù)有限，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果也難以趨于真實(shí)的分離比。因此，教師可進(jìn)一步借助Ex?cel軟件簡(jiǎn)單函數(shù)功能批量獲取大數(shù)據(jù)，從而使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加充足，結(jié)果更為可靠。

在Excel軟件中構(gòu)建如圖2所示界面，在單元格B3 中輸入公式“=IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）&IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）”，即可獲得1個(gè)模擬數(shù)據(jù)。RAND（）函數(shù)用于生成位于[0，1）之間的隨機(jī)數(shù)字，生成的隨機(jī)數(shù)字介于[0，0.5）、[0.5，1）內(nèi)的概率均為0.5。IF（條件，甲，乙）為邏輯函數(shù)，當(dāng)括號(hào)內(nèi)的條件滿足時(shí)返回甲值；不滿足時(shí)返回乙值。單元格B3中一共存在2個(gè)“IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）”，均表示隨機(jī)生成的數(shù)字在[0，0.5）內(nèi)輸出Y，生成的隨機(jī)數(shù)字在[0.5，1）內(nèi)輸出y，與模擬Yy個(gè)體產(chǎn)生Y、y配子的情況一致。可以認(rèn)為，單元格B3公式中前一個(gè)“IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）”模擬雌性個(gè)體產(chǎn)生的配子，后一個(gè)“IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）”模擬雄性個(gè)體產(chǎn)生的配子，公式中的“&”是連字符，將雌雄個(gè)體產(chǎn)生的配子結(jié)合在一起，即模擬受精作用產(chǎn)生F2。

進(jìn)行批量獲得大數(shù)據(jù)時(shí)，只需選擇單元格B3右拉至單元格K3，即可完成10次模擬，緊接著選中單元格B3至K3，下拉可快速獲取更多的數(shù)據(jù)。此外，在Excel界面中可以重新定義行序，從而精準(zhǔn)獲知每次模擬的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如尋找第51次模擬的數(shù)據(jù)，定位第5行第1列單元格即可，從而使每一次的模擬結(jié)果都是清楚可見的。圖2為選中單元格B3至K3下拉至人為定義的第99行，從而批量產(chǎn)生1 000個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（由于數(shù)據(jù)較多，人為定義的第6到92行數(shù)據(jù)未進(jìn)行展示）。

1.3 快速統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù)

對(duì)于上述批量獲得的大數(shù)據(jù)，還需要一種有效的方法進(jìn)行快速統(tǒng)計(jì)。同樣，應(yīng)用Excel軟件函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速統(tǒng)計(jì)。如圖2所示，以單元格M3為例，輸入的公式為“=SUMPRODUCT（N（EXACT（B：K，"YY"）））”，可實(shí)現(xiàn)快速統(tǒng)計(jì)出B列至K列1000個(gè)模擬數(shù)據(jù)中“YY”數(shù)量的功能。在該公式中，EXACT（）是用來測(cè)試兩個(gè)字符串是否完全相同，如果它們完全相同則返回TRUE；否則返回FALSE。N（）是一個(gè)用來返回轉(zhuǎn)換為數(shù)值的函數(shù)，SUMPRODUCT（）是條件累積求和函數(shù)。整個(gè)公式的含義為在B列至K列里面，遇到與“YY”字符串完全一致的，則EXACT（）函數(shù)輸出為TRUE，N（）函數(shù)結(jié)果計(jì)1，SUMPRODUCT（）函數(shù)對(duì)此進(jìn)行累加，因而實(shí)現(xiàn)對(duì)“YY”字符的統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)Yy、yY和yy的數(shù)量，只需對(duì)公式進(jìn)行略微修改，就能快速統(tǒng)計(jì)出B列至K列里面Yy、yY和yy的數(shù)量，結(jié)果分別為257、231和256。最后，利用Sum（）求和公式獲取模擬的總次數(shù)，以驗(yàn)證上述公式統(tǒng)計(jì)結(jié)果與左側(cè)模擬次數(shù)是否一致。

1.4 大數(shù)據(jù)可視化分析

基于獲得的大數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，應(yīng)用Excel軟件圖表工具實(shí)現(xiàn)結(jié)果可視化。如圖3所示，分別將表格中的二維數(shù)據(jù)以柱形圖和餅狀圖的形式進(jìn)行展示（Yy、yY兩種組合方式在繪圖時(shí)都記為Yy），結(jié)果十分直觀、形象。由圖3可知，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近孟德爾1對(duì)相對(duì)性狀雜交實(shí)驗(yàn)的分離比1∶2∶1，說明Excel軟件在“模擬孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)”活動(dòng)中的應(yīng)用效果佳，在教學(xué)實(shí)踐過程中具有可行性。

2 大數(shù)據(jù)可視化視域下2對(duì)相對(duì)性狀的模擬雜交實(shí)驗(yàn)

2.1 構(gòu)建可視化模型

對(duì)于模擬2對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)而言，情況更為復(fù)雜。在建構(gòu)好的可視化模型中（圖4），教師需進(jìn)一步分析模擬步驟的實(shí)際含義，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)模擬過程的直觀體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)。教學(xué)過程中，可通過創(chuàng)設(shè)一系列問題串的形式讓學(xué)生進(jìn)行討論，①雌1和雌2分別代表什么含義？②哪些步驟模擬分離定律，哪些步驟模擬自由組合定律？③信封1中2種卡片數(shù)量與信封3中卡片數(shù)量是否一定要相等？④預(yù)計(jì)模擬結(jié)果有多少種組合方式？有多少種基因型？學(xué)生討論過程中，教師予以適當(dāng)幫助和指導(dǎo)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生利用可視化模型對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行遷移、應(yīng)用的能力。

2.2 批量產(chǎn)生大數(shù)據(jù)

2對(duì)相對(duì)性狀的模擬雜交實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)2的基因型實(shí)際上是由4張卡片結(jié)合而成，因此函數(shù)里面需要有4個(gè)IF（）函數(shù)。如圖5所示，在單元格B3中輸入的公式為“=IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）&IF（RAND（）<0.5，"Y"，"y"）&IF（RAND（）<0.5，"R"，"r"）&IF（RAND（）<0.5，"R"，"r"）”，即可得到1個(gè)模擬數(shù)據(jù)。由于2對(duì)相對(duì)性狀的模擬實(shí)驗(yàn)后代會(huì)出現(xiàn)16種結(jié)合方式，因此該模擬實(shí)驗(yàn)需要有更多的數(shù)據(jù)作為支撐，才能得到精準(zhǔn)的性狀分離比。圖5是選中單元格B3-K3，下拉至人為定義的第479行，總共進(jìn)行了4 800次模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果（說明：由于數(shù)據(jù)較多，人為定義的18～477行數(shù)據(jù)未進(jìn)行展示）。

2.3 統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù)

在“2對(duì)相對(duì)性狀的模擬雜交實(shí)驗(yàn)”課堂教學(xué)過程中，很多教師會(huì)直接簡(jiǎn)化甚至忽略數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)展示階段，原因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)過程極其麻煩且耗時(shí)、耗力，需將16種可能的組合方式一一統(tǒng)計(jì)并求和。為充分體現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)有的價(jià)值和地位，同樣也可以應(yīng)用Excel軟件函數(shù)功能解決上述問題。在單元格M3中輸入公式“=SUMPRODUCT（N（EXACT（B：K，"YYRR"）））”即可快速統(tǒng)計(jì)出4 800個(gè)模擬數(shù)據(jù)中“YYRR”的數(shù)量，其他組合方式的統(tǒng)計(jì)公式與上述N3中的公式相似，最終結(jié)果如圖5所示。利用求和Sum（）函數(shù)計(jì)算出Y_R_、yyR_、Y_rr和 yyrr的數(shù)量，分別為 2 669、894、927和310。

2.4 大數(shù)據(jù)可視化分析

基于獲得的大數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，應(yīng)用柱形圖和餅狀圖實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化。如圖6所示，Y_R_、yyR_、Y_rr和yyrr的比值十分接近9∶3∶3∶1，說明模擬結(jié)果非常接近孟德爾2對(duì)相對(duì)性狀雜交實(shí)驗(yàn)的性狀分離比。

3 總結(jié)

“模擬孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)”的重點(diǎn)是提升學(xué)生對(duì)分離定律和自由組合定律實(shí)質(zhì)的理解，在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生分組操作過程仍必不可少。在學(xué)生動(dòng)手操作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用Excel軟件產(chǎn)生大數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù)、可視化展示大數(shù)據(jù)。基于大數(shù)據(jù)可視化視域下模擬孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)，具有如下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：①應(yīng)用Excel軟件簡(jiǎn)單函數(shù)功能快速生成大數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升模擬實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性；②從數(shù)據(jù)生成、統(tǒng)計(jì)和分析等方面入手，有助于學(xué)生在課堂中體驗(yàn)?zāi)M實(shí)驗(yàn)過程的完整性；③實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)步驟、結(jié)果的可視化教學(xué)可增強(qiáng)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀性和形象性。