使用圖形化編程軟件制作動態課件直觀演示樺尺蛾數量變化

楊漢文 張小勇

圖形化編程軟件具有計算、畫圖、播放聲音等功能，可以用于制作教學課件，為課堂注入新活力。筆者以2019年出版的人教版《生物學必修2遺傳與進化》（以下稱《必修2》）探究·實踐項目“探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響”為例，按照基于流程圖擬定編程思路—建立并導入素材—建立變量并確定關系式—根據流程圖與變量關系式編寫程序的流程，制作帶有計算功能與繪制曲線圖功能的課件，用于動態計算基因頻率并繪制種群數量曲線圖。

一、圖形化編程軟件簡介

常見的圖形化編程軟件有編程貓、慧編程、Mind+等。它們具有簡單易學、內容豐富、成果直觀的特點，深受兒童喜愛。下面以Mind+為例進行介紹，該軟件的實時模式為圖形化編程。實時模式下，軟件界面包括五個主要區域：①菜單欄，包含模塊區、造型區和聲音區;②編程區，從模塊區拖動出的指令在編程區連接;③舞臺展示區，角色、背景和變量都在此顯示;④角色區，支持導入、編輯角色;⑤舞臺編輯區，可用于導入和編輯舞臺。

該軟件的主要用戶群體是兒童，編程邏輯與一般（成人）編程不同。應用該軟件編程可以簡單分成以下三步：使用舞臺背景區建立舞臺;使用角色區建立角色;使用編程區，給予角色指令，讓角色在舞臺上根據指令做出動作（動作包含計算、運動、繪圖等）。利用該軟件編程，不需要寫代碼，將模塊區的“指令積木”拖動至編程區，便可像搭積木一樣連接指令。指令會按照自上而下的順序運行。

二、確定編程思路，繪制流程圖

（一）基于教材的編程思路

根據《必修2》第113頁的情境示例^[1]，在無污染時，樹干長滿淺色地衣，淺色樺尺蛾（以下稱淺色蛾）占70%。遭受污染后，樹干變黑，不利于淺色蛾生存。淺色個體當年減少10%，黑色個體當年增加10%。

（二）基于真實情境的擴展編程思路

為改善展示效果，促進學生思考，教師在編程訓練中引入真實情境：英國國會于1956年頒布了《清潔空氣法案》，此舉對黑色樺尺蛾（以下稱黑色蛾）的比例產生了巨大影響。多個地區收集的數據顯示，隨著法案的實施，樹干重新長出淺色地衣，黑色個體的比例逐年下降。例如，在利物浦南部的威勒爾，黑色個體的比例從1970年的約90%下降到1995年的不到20%^[2]。

以威勒爾的數據為例計算：無污染時，黑色個體當年減少5.84%，淺色個體當年增加8.67%。此比例數值增減可用編程的方式呈現。

（三）繪制流程圖

繪制流程圖有助于梳理編程思路。在流程圖中，菱形表示分支節點，其他步驟則用矩形替代^[3]。根據前面的分析，筆者畫出流程圖（如圖1）。

①開始（橢圓）：已知第1世代SS：Ss：ss=1：2：7，根據比例假設SS、Ss、ss的數量分別為10、20、70，可計算出基因頻率（雖然計算基因頻率不需要個體數量，但是為了展示種群數量變化，這里使用假設數值的方法計算）。②判定（菱形）：按背景顏色的不同，分B和C兩條分支路徑。③執行（矩形）：點擊“↑”鍵，走B1路徑，背景變黑色，黑色蛾增加，淺色蛾減少;點擊“↓”鍵，走C1路徑，背景變淺色，淺色蛾增加，黑色蛾減少。④循環：數量增減后通過B2或C2路徑返回菱形，重新判斷下一年的背景顏色。⑤重置：按空格鍵回到開始，數值被重置。

三、制作軟件

（一）建立角色與背景

1.準備角色與背景的素材

使用Photoshop軟件，將《必修2》第113頁的兩幅插圖中的黑色與淺色樺尺蛾摳出，得到黑色蛾素材和淺色蛾素材;使用Photoshop軟件的圖章功能，修改第113頁插圖，得到淺色背景素材（長滿地衣的淺色樹干）和黑色背景素材（黑色樹干）。

2.導入角色與繪制角色

選中角色區中的“上傳角色”，選中黑色蛾素材與淺色蛾素材，點擊導入素材，得到角色“黑色蛾”和角色“淺色蛾”。復制“黑色蛾”角色，得到“黑色蛾2”角色。點擊造型，使用繪制功能，在黑色蛾兩個角色中央寫上“SS”和“Ss”，淺色蛾寫上“ss”。修改角色名稱，得到“黑色蛾SS”“黑色蛾Ss”和“淺色蛾ss”三個角色。

3.導入背景

在舞臺區“選擇一個背景”中點擊上傳背景，導入淺色背景素材與黑色背景素材，得到黑色背景和淺色背景。

（二）建立變量

在計算機中，變量像計算機內存中的一個盒子，可以存放一個值。大部分編程語言建立變量時對變量名有命名規則，而在軟件中，變量名字可以使用中文、英文或數字任意設定。根據教材內容，筆者在左邊程序指令區中選擇變量板塊，點擊“建立一個變量”，根據程序需求，建立以下變量：SS初始數量，Ss初始數量，ss初始數量，SS個體數（百只），Ss個體數（百只），ss個體數（百只），種群數量，SS基因頻率，Ss基因頻率，ss基因頻率，S基因頻率，S基因頻率，世代數。如何建立變量，可在編程時根據需求逐個新建。為方便展示，這里一次性全部列出。

（三）根據變量和條件，構建公式

建立變量后，還需要確定變量之間的關系。在計算機語言中，“=”左邊是變量，“=”右邊是賦值語句（即公式），“=”右邊數量關系式或者變量賦值給“=”左邊的變量。例如，設變量a、b、c，讓a=1+1，b=a+2，c=b，則a=2，b=4，c=4。根據教材第113頁的數字化問題情境，建立各變量間數量關系（見表1）。

（四）編寫計算程序

由公式可知，只要有了SS、Ss和ss的初始數量，其他變量都可得出準確數字，所有表達式均成立。首先，結合流程圖和表格中的公式，拖動模塊區的指令模塊并連接。然后，根據教材給出比例SS：Ss：ss=1 ： 2 ： 7，設SS、Ss、ss的數量分別為10、20、70。最后，設定按下空格時重置數值;設定按下“上”鍵時，背景變黑;按下“下”鍵時，背景變白。

（五）編寫繪制曲線圖程序

1.原理

軟件的舞臺區自帶x=-240～240，y=-180 ～180的坐標系，支持曲線圖的繪制。程序擴展中附帶畫筆功能，用戶可以調用“落筆”程序指令。角色“落筆”后運動到相應坐標，它的運動軌跡會在舞臺上呈現。此軌跡即為曲線圖。

2.設置

為了讓學生清楚地看到數量變化，了解自然選擇下種群數量變化特點，教師選擇繪制SS、Ss和ss每年的數量變化曲線。因為需要三個畫筆來繪制這三條曲線，教師新建三個角色“SS”“Ss”“ss”作為三個畫筆，新建變量“x坐標”供編程使用。下面以SS為例講述如何編程，先用y（軸）為SS數量，用x（軸）代表世代數。令y=SS數量（百只），x=x坐標。

3.邏輯

y即SS每年的數量，已在前面的計算程序里算出，只要讓y=SS個體數（百個）即可完成繪制程序。每過一代，x往右移動2（即x坐標+2），借此可以畫出美觀的曲線。

4.編程

操作時需要注意：不管是按“↑”（黑色背景）還是按“↓”（淺色背景），都將筆粗細設定為1，將筆顏色設定為紫色（為了便于區分，SS為紫色，Ss為粉紅色，ss為紅色）。落筆，畫筆移動到[x坐標，SS數量（百只）]且這一輪程序執行后，x坐標+2。按下“空格”時，對數值進行重置：畫筆移到（0，SS初始數量），擦除繪畫痕跡，并將x坐標設為0。同理，選定“Ss”和“ss”角色，可以編寫另外兩條曲線的程序。

（六）界面優化

隱藏不必要的變量：對于建立的變量系統（默認）會在舞臺上顯示。舞臺空間有限，只保留課堂展示所需變量即可：各基因型的數量及基因型頻率、S與s基因的頻率、世代數（如圖2）。

調整角色與變量位置：將角色和變量移動到舞臺的左側和下側，空出右上側，避免畫筆繪制曲線時被遮擋。

添加說明：選擇背景，使用圖文功能，在背景上畫出墨綠色方框，并添加項目的使用說明。

四、編程結果

圖2呈現的是1～16世代為黑色背景、17～37世代為淺色背景時樺尺蛾的數量變化曲線。只要進行簡單的按鍵操作，程序會自動計算出基因頻率與基因型頻率、數量。表格2匯總了1～9、16、37世代的計算結果。

從表格2可以發現，1～4世代，黑色蛾增加數小于淺色蛾減少數，種群整體數量處于下降趨勢;5～6世代，適應環境的黑色蛾數量逐漸超過淺色蛾，種群數量進入持平狀態;從第7世代開始，種群數量進入增長狀態。

觀察表格中16、37世代的數據可知，在環境污染的條件下，僅需15年，第1世代占70%的ss基因型頻率，在第16世代時就僅剩10%。即使第17世代環境恢復了，也需要21年，直到第37世代，ss基因型頻率才恢復至70%。這與現實情況相似：生態環境因污染被破壞后，需要投入巨大的經濟與人力成本，花費漫長的時間才能恢復如初。

五、制作輔助教學課件的優點

（一）演示過程靈活化

在生物學課堂上，優質的動畫資源可以幫助學生學習，網上有很多優秀的3D動畫與PPT動畫，教師不再需要自制視覺類的演示資源。但這些動畫是設定好的，無法在課堂上展示更多樣的結果。教師應用該軟件將數量關系公式化，使演算變得靈活可變;通過查閱文獻，根據真實情境設定數值，可以突破傳統教學中變量單一的局限。

（二）節省課堂時間，展示直觀結果，引導擴展思考

執教此課例時，通常接近期末，課時不足，課堂時間有限。教材給出的探究任務“表格填空”是簡單的乘除法運算，計算量大，非常耗時。教師使用新制課件不僅可以快速得出答案，而且可以算出多種結果，引導學生擴展思考。比如，重復按“上”鍵，會發現種群數量呈指數型爆發式增長，遠超環境容納量，同時S的基因頻率上升后會停留在0.666……無法再提高。教師直觀演示更容易讓學生質疑教材上的數學模型，從而引導他們指出數學模型的不足之處，并嘗試對模型進行修正^[4]，有利于培養批判性思維與建模能力。

（三）可作為綜合實踐活動項目

因為許多學校沒有生物園，或實驗室儀器數量不足，往往難以開展綜合實踐活動。目前大部分學校配有計算機房。圖形化編程軟件容易上手，教師可以圖形化編程軟件編程為主題開展綜合實踐活動。在活動中，學生以小組為單位，組內設置素材制作員和編程人員，一起制作教學項目。上課時，教師要注意運用屏幕監控學生制作時有無錯漏。活動結束后，教師可以將優秀作品用于教學演示。

此課件的制作步驟與方法，適用于血糖平衡、生態系統平衡等存在多個變量的課程。

參考文獻

[1] 朱正威，趙占良.普通高中教科書生物學必修2遺傳與進化[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2] Michael E N， Majerus. Industrial Melanism in the Peppered Moth， Biston betularia： An Excellent Teaching Example of Darwinian Evolution in Action.[J]. Evolution： Education and Outreach，2009（1）：63-74.

[3] [美]阿爾·斯維加特.Python編程快速上手——讓煩瑣工作自動化.2版[M].王海鵬，譯.北京：人民郵電出版社，2021.

[4] 鐘金鑫，鄧美英，樊立立.基于模型構建的“探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響”的教學設計[J].生物學教學，2020（2）：39-42.

（作者楊漢文系四川師范大學生命科學學院研究生;張小勇系四川師范大學生命科學學院教授）

責任編輯：祝元志