Scratch創意編程在生物模擬實驗中的運用

葉培毅

摘 要：基于構建高效課堂，提高初中生物實驗教學有效性的目的，針對模擬實驗的特點，分析應用Scratch編程于生物模擬實驗中的優勢。以“模擬保護色形成過程”實驗為例，圍繞“模型”實驗的結論要便于類推回“原型”的原則，詳細介紹程序設計的主要步驟和注意點。通過增強模擬實驗結果的直觀性，最大限度地彌補模擬實驗“非真實性”的不足，讓學生能夠在最短的時間內高效完成科學探索過程，學會在實驗中獲取證據，并對數據進行理性分析，掌握核心概念，發展生物學核心素養。

關鍵詞：生物實驗;Scratch;創意編程;模擬實驗

隨著編程教育課程在中小學的逐步推廣，Scratch作為一種低門檻且功能齊全的編程軟件已得到廣泛使用。通過設置豐富的背景和角色，讓學生以拖曳積木式基礎模塊的方式來編寫程序，可以制作出交互式的游戲、動畫、腳本等。學生在學習編程的過程中，經常利用其來編寫一些科學探索類的小程序，不僅能提高編程水平，還可以對已有的學科知識、概念進行深化學習與探索創新[1]。中學生物課中的模擬實驗與其他科學探究活動一樣，是提高學生科學素養和獲取生物知識的重要途徑，是受各種因素制約而無法直接開展的“非真實性”實驗。因此這些模擬實驗特別適合與Scratch編程結合起來，達到構建高效課堂，提高實驗教學有效性的目的。

一、Scratch應用于生物模擬實驗的優勢

生物模擬實驗不是真實的實驗，是通過創建與“原型”相似的“模型”對象，并對其進行實驗和研究，得出直接結論后再運用類比推理的方式實現“模型”到“原型”的類推，得出最終的結論[2]。模擬實驗應該盡量貼近“原型”，讓學生通過觀察和操作“模型”來形成概念認知的基礎，在觀察、操作、探索與發現的過程中，加以比較、綜合、聯想和概括，通過類比的形式構建知識，提升生物學核心素養。Scratch豐富的功能使其具有明顯的優勢，可以最大限度地彌補模擬實驗“非真實性”的不足，通過仿真的實驗條件進行連貫的實驗操作、計算或互動體驗后，完整地展示一個科學探索的過程，增強模擬實驗結果的直觀性，有利于學生將“模型”實驗的結論類推回“原型”。

二、“模擬保護色的形成過程”探究活動分析

“模擬保護色的形成過程”實驗是人教版生物八年級下冊《生物進化的原因》一節中的內容。讓學生通過探究活動，認識并推測出保護色的形成過程，分析生物進化的原因，了解保護色的形成是自然選擇的結果。教材中用英國曼徹斯特地區兩種樺尺蛾數量隨著環境變化而改變的真實事例入手，用大彩紙或布塊模擬“生存環境”，用各色小紙片模擬環境中不同體色的某種“獵物”;讓學生分組模擬“捕食者”去捕食“獵物”，通過統計存活的個體數，找出哪種體色的“獵物”最適宜在該“環境”中生存，驗證對曼徹斯特地區1850—1950年間樺尺蛾體色變化原因的猜想，為學生更好地理解自然選擇學說做鋪墊。

按照教材的分組活動方案，存在如實驗準備煩瑣、操作不便、記錄與安放下一代個體時無效時間消耗過多、“捕獵者”受主觀因素影響容易刻意選擇等問題，最終不僅實驗的準確性受到影響，也不利于教師進行指導與評價。而通過編程模擬實驗，就能快捷有效地完成探究活動，避免出現上述問題。

三、“模擬保護色的形成過程”模擬實驗的開發實例

1.任務目標

學生在了解原型、提出假設的基礎上開展探究活動，模擬探究保護色的形成過程。

2.作品說明

用黃、藍、綠、紅四種不同顏色的小圓點代表同一種生物（以某種昆蟲為例）不同體色的變異個體。操作者代表“捕食者”，可以對這種“獵物”昆蟲進行捕食（點擊小圓點），“捕食者”的捕食是隨機性的。當存活的個體數減少到一定數量后，設置剩余的個體會通過繁衍使昆蟲的總數維持穩定狀態，并進入下一代。經過五代后，看看最后剩下的所有昆蟲中，哪種體色的昆蟲個體存活數最大。實驗程序的初始頁面如圖1所示。

3.開發步驟

變量設置：針對各主要元素，首先設置好“黃”“藍”“綠”“紅”“總數”“代”6個變量，再設置“變暗”這一變量（賦值為0或1），使各角色被點擊時（“變量”=1），可以變暗消失。增加“背景顏色”變量，利用滑桿來改變環境的顏色，研究在不同顏色環境下保護色的變化。

角色編程：在任一角色中，將全部小圓點（昆蟲個體）“總數”這一變量的初始值設置為40，其中“黃”“藍”“綠”“紅”四個角色對應的初始值均為10。以體色為“紅”色的角色為例，編寫如圖2所示程序，讓其在舞臺背景上克隆出10個紅色小圓點。接下來如圖3所示，設置“紅”色小圓點作為克隆體啟動時，隨機分布在背景的不同位置，且不碰到舞臺邊緣或與其他小圓點重疊。利用“變暗”這一變量，當捕獵者點擊任一紅色小圓點（捕食），即小圓點此時檢測到鼠標指針并按下鼠標后，變量“變暗”的值為1，則該小圓點被刪除，并播放一個聲音“啵”以增加效果。相應的，變量“紅”及變量“總數”的值減少1，之后剩余的所有小圓點重新在背景中隨機位置出現。重復執行至第5代實驗結束。其他“黃”“藍”“綠”三個角色的操作與“紅”角色相同，只需將程序復制過去，并將變量“紅”相應更改為“黃”“藍”或“綠”即可。

在舞臺背景中，設置點擊綠旗時開始，選擇所需背景顏色后進入第1代捕食實驗。隨著實驗進行，各種顏色小圓點的總數減少至不足30時，廣播“計數”，并將“代數”增加1進入下一代。為了增加捕食效果，利用“變暗”這一變量，在背景中設置點擊任意小圓點后，剩余的所有小圓點也跟著消失，1.5秒后“變暗”變量恢復為0，此時剩余小圓點再次于隨機位置重新出現。程序編寫如圖4所示。

仍以體色為“紅”色的角色為例，當接收到“計數”后，將剩余的紅色小圓點按數量*1.3倍克隆（即繁殖出的新一代個體），如圖5所示。使四種體色的昆蟲總數恢復到40左右。循環上述步驟至第五代。其余“黃”“藍”“綠”三個角色程序編寫與“紅”這一角色相同，只需復制過去并將變量“紅”進行相應更改即可。將編寫好的程序運行及調試，看看是否符合預期。

四、Scratch創意編程與生物教學融合的策略和展望

與一般的模擬實驗的設計相同，編寫相關程序開展模擬實驗同樣包括了解原型、提出假設、建立模型、實驗與概念建構等幾個主要步驟。利用Scratch編寫模擬實驗時應首先注重實驗的有效性，注重其蘊含的思維過程，避免成為僅僅是活躍課堂氣氛的小游戲。要盡可能降低編程難度，做到清晰簡潔，結果明確且有利于展示、評價和交流。教師應該著重引導學生在實驗后對實驗結果及數據進行分析對比，解釋原型，建構概念。

相較于之前的版本，Scratch3.0支持中文輸入，可以在電腦、平板、手機等各種終端設備上使用，添加和改進了一些積木塊，將不同種類的積木塊根據顏色歸類等，有更豐富的造型與拓展。但是Scratch2.0仍具有可以直接錄制視頻和更方便生成可執行的exe文件，具有資源共享的優勢，因此教師可以根據實際情況選擇使用。將模擬實驗的相關編程作品運用于課堂實驗教學除了可以豐富教學內容，增強實驗教學有效性外，還能體現信息技術與生物學科的融合，拓寬學生視野。以本實驗的開發為例，因涉及的編程內容較為簡單，沒有復雜的算法、數據結構和模塊擴展，學生經過信息技術課3～5課時的Scratch課程學習，同學間相互交流與協作，基本上就能理解、改編或開發出類似的作品。

因此，將創意編程與科學探索結合起來，可以讓學生在Scratch編程學習中融合生物科學知識，在教師指導下快速實現一個模擬實驗的制作與探究，不僅能激發興趣、學習更多知識和技能，還能提升學生整體的科學素養，獲得成就感[3]。

參考文獻：

[1]徐益苗，趙曉燕.Scratch軟件在初中生物學STEM教育中的應用[J].生物學教學，2018，43（3）：42-43.

[2]高雁.初中生物模擬實驗的內涵、價值及實施[J].江蘇教育，2016（35）：50-51，55.

[3]王強.創意編程與科學探索的巧妙結合：談創意編程展評活動科學探索類作品[J].中國科技教育，2018（3）：19-21.

注：本文系福建省教育科學“十三五”規劃2019年度立項課題“基于人工智能技術的STEAM教育——微造物坊的實踐與研究”（立項批準號：FJJKXB19-502）階段性成果;廈門市集美區教育科研“十三五”規劃2019年度立項課題“科學與工程、技術整合在初中生物實驗教學設計中的實踐研究”（19088）項目相關成果。