TPACK理論下生物模擬實驗的信息化思考

姚舒 廣東省深圳市新安中學（集團）高中部

鄒小新 朱巧瑩 廣東省深圳市新安中學（集團）燕川中學

●引言

教師的知識水平、教學能力、技術能力，以及它們三者之間相互滲透、靈活實現的能力共同決定課堂效果，因此，教師信息化教學能力發展和提升一直是教育信息化的“最后一公里”。[1]教師信息化教學能力的表征一直是研究熱點，而TPACK理論（整合技術的學科教學知識）是目前國際認可度較高、用以描述信息化時代教師知識結構的理論模型。[2]通過提升教師的TPACK水平可以有效提升教師的信息化教學能力。

T P A C K 即整合技術的學科教學知識（technological pedagogical content knowledge)，是指對學科內容知識（content knowledge，簡稱CK）、教學法知識（pedagogicalknowledge，簡稱PK）和技術知識（technological knowledge，簡稱TK）的有機整合，這三者是動態平衡的關系。[3]同時，它們交叉融合形成TPACK的另外四個衍生成分，即技術-教學知識（PCK）、技術-學科知識（TPK）、教學-學科知識（TCK）與技術-教學-學科知識（TPACK）。具體如圖1所示。

圖1 TPACK的組成結構[4]

生物學科教學的TPACK理論應用探索已有許多實踐研究，但大多存在信息技術水平融合深度不足的問題。孫霞[5]對高中生物教師TPACK教學知識現狀進行研究，發現高中生物教師的TPACK水平不高，在TPACK理論七個構成維度中，僅學科內容知識、教學法知識和學科教學知識水平較高，而技術知識、整合技術的學科內容知識、整合技術的教學法知識和整合技術的學科教學知識都亟待提高。教師在生物實驗教學中依賴傳統的教學方法，對信息技術使用的熟練度和對新技術的開發性不夠，導致教學效率和質量難以適應教學信息化進程的要求。

因此，筆者基于TPACK框架的生物實驗教學思路，將信息技術深度融合到生物學實驗的教學內容體系中，通過對“如何運用信息化促進生物學模擬實驗開展的案例”進行呈現和反思，分析如何利用TPACK理論構建模型指導教師加強信息化在生物學模擬實驗中的應用，以期為生物學科實驗中TPACK理論及信息技術應用提供指導，從而促進生物學科教師TPACK融合能力提升。

●生物模擬實驗

生物實驗作為高中生物學教學的重要組成部分，是高中生物學核心素養培養的重要途徑。生物模擬實驗是在實驗室里創造條件，模擬自然環境、自然現象及演變過程，間接研究真實原型的結構、形態、特征和運動規律的方法。[6]生物學課程標準要求進行模擬實驗，即通過模擬實驗探究膜的透性、模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗，除此以外，還有大量的實踐活動也可以通過模擬實驗深入探討其內在過程。

●生物模擬實驗信息化教學案例

1.樺尺蠖種群基因頻率變化的模擬實驗

人教版必修2第6章第2節“種群基因組成的變化與物種的形成”對有關科學探究素養目標的要求是：能用數學方法分析種群基因頻率的變化與進化的關系。在以往的教學中教師通常會展示教材中的假設，進行基因頻率和基因型頻率的計算，計算過程較復雜，會占用較長的時間，且學生容易陷入計算中而忽視“自然選擇對種群基因頻率變化的影響”這一重要概念。因此，如果可以讓學生模擬自然選擇的過程，并將計算難度降低，則會讓學生對種群基因頻率變化的概念理解得更為深入。

基于以上考慮，教學互動小游戲的制作成為筆者研究的重點內容。通過查閱資料可知，可通過圖形化編程完成“樺尺蠖捕食”的小游戲制作，具體操作如下。

（1）初步設計界面

按照教材材料中的假設情境，1870年，樺尺蠖種群基因型頻率為SS（黑）10%、Ss（黑）20%、ss（白）70%，假設其數量分別為10個、20個、70個，設定游戲界面中樺尺蠖的數量。

（2）獲取圖片材料

網絡下載圖片后使用摳圖軟件獲取黑、白樺尺蠖的摳圖；網絡搜索黑色樹皮的背景圖片；分別將白色、黑色樺尺蠖添加到角色庫，將黑色樹皮圖片添加到背景庫。

（3）設置變量

點擊背景舞臺，在模塊中添加3個變量，即黑色SS、黑色Ss、白色ss，分別設置初始值為10個、20個、70個，如圖2所示。

圖2 不同樺尺蠖變量設置

點擊角色庫的白色樺尺蠖，設置事件：當角色被點擊時，“白色ss增加-1”。點擊角色庫的黑色樺尺蠖，設置事件：當角色被點擊時，“黑色SS增加-1”。點擊角色庫的黑色樺尺蠖副本，設置事件：當角色被點擊時，“黑色Ss增加-1”。為了增加游戲的趣味性，設置讓樺尺蠖可以在3分鐘內緩慢移動，如圖3所示。分別復制對象到相應的個數，在背景上排列均勻，就可以運行了，如圖4所示。

圖3 事件設置

圖4 運行背景

（4）進一步改進

在樺尺蠖種群基因頻率的變化實驗中，還可以加入出生率、死亡率的變量，將其出生率、死亡率、遷入率和遷出率設定為一定時間內發生的定值，以增加該模擬實驗的真實性。

2.性狀分離比的計算機模擬實驗

關于性狀分離比的模擬實驗，教材中讓準備兩個小桶，分別標記甲、乙，模擬雌雄生殖器官，并準備兩種大小相同、顏色不同的彩球各20個，模擬雌雄配子。分別從甲、乙中隨機取一個球，然后組合在一起，模擬生物在生殖過程中，雌雄配子的隨機結合。這一模擬實驗需要的材料較多，且實驗過程需要重復做30次，花費時間較長。

為了更快、更好地模擬該實驗，可以利用Excel表格來完成。在表格中插入兩列字母，每一列字母的個數可以足夠多，但是需要保證D∶d=1∶1，進而在第三列運用函數：=INDIRECT (＂m＂ &RANDBETWEEN(1，n))，其中，m為抽取字母的列（A/B/C等），n為該列中數據的抽取范圍。這樣，就得到兩列隨機抽取的字母，也就是模擬“配子”，即精子和卵細胞的基因型。為了使數據足夠多，可以盡可能多地得到“抽取的精子、卵細胞”，進而精子和卵細胞結合形成足夠多的“受精卵”，即子代的基因型，用函數=m1&n1，就可以將精子、卵細胞列的字母組合為DD、Dd、dD、dd，進而用查找函數，分別統計DDDddd的個數并計算比例。

3.自由組合定律計算機模擬實驗

自由組合定律的計算機模擬實驗和上個實驗有相似之處，不同點在于需要先設定兩列不同的數據，即第一列的Y∶y=1∶1，第二列的R∶r=1∶1，將每列數據隨機排列，在第三列、第四列運用上述相同函數，改變參數，分別得到Yy、Rr這兩對等位基因隨機抽取的結果，再在第五列用函數=m1&n1，得到YyRr基因型個體所形成的配子種類以及比例。其間，需要讓學生理解如此設計的含義，及每一列數據的意義。

●生物模擬實驗信息化教學的行動模型

想要真正進行信息技術與學科的融合，就必須在教學實踐中尊重教育規律，將促進學生深度學習并提升學生的核心素養作為信息化教學的根本目標。教師對TPACK知識的學習和應用應遵循的步驟是：充分掌握教學的學科內容—應用適當的教學法—了解并選擇與學科內容相關的技術—將信息技術深度融合到教學中。具體如圖5所示。

圖5 生物模擬實驗信息化教學的行動模型

1.深刻理解模擬實驗的相關內容知識

種群基因組成的變化包含了種群和種群基因庫的概念、種群基因頻率的變化以及自然選擇對種群基因頻率變化的影響探究，其中，“自然選擇對種群基因頻率變化的影響”需要學生進行探究實踐，而這其中的重點是“為什么自然選擇會對種群基因頻率產生影響”。

2.選擇模擬實驗的教學法

如果直接給出教材中的數據（每年減少10%），學生就會缺少對“為什么自然選擇會對種群基因頻率產生影響”的直觀感受。通過小游戲，學生可以模擬樺尺蠖的天敵對樺尺蠖進行捕食的過程。在捕食過程中，通過變量的變化，可以直接得出天敵在進行捕食時，對黑色樺尺蠖的SSSs基因型并沒有直接的選擇，而是對黑色的表現型進行了選擇和捕食，因而在自然選擇過程中，直接受選擇的是表型，而不是基因型。

3.選擇模擬實驗信息化教學中涉及的技術

查閱資料可知，可以通過圖形化編程軟件來進行小游戲的設計，圖形化編程相對于Phython、C++等門檻較低，但是，它對于大多數非信息專業的教師來說仍然具有一定難度，這就需要教師與信息或通用技術教師合作，克服在技術應用中遇到的困難。此外，還可以運用Excel軟件來完成某些隨機抽取數據的模擬，也可以選擇網絡模擬實驗平臺來完成生物模擬實驗。

4.融合信息技術改變學生的學習方式

每個小組不固定的實驗數據，使得探究實踐更加開放。通過歸納不同的數據，學生可以更好地內化“自然選擇會對種群基因頻率變化產生影響”這一概念。通過計算機軟件的輔助，能在幾秒鐘內獲得隨機數據，從而大大縮減模擬實驗的時間，讓每個學生都有自主探索的機會。生物學核心素養要求學生提升科學探究、科學思維素養，教師通過信息技術改變學生探究方式，降低學生參與探究的難度，提升了學生的參與比例。

●生物學模擬實驗信息化教學實踐的反思

1.教師的信息素養是核心

教師的信息素養十分有限，不能支撐日常的信息化教學，這是因為：①已有的信息化案例研究較少；②很難花費太多時間、精力去做開創性的工作。而如果有足夠的資源供教師選擇，則會有更多的教師參與信息化教學。

2.合理選用信息技術

如果教師在課例的教學設計過程中發現不需要信息技術的支持也可以獲得良好的教學效果，就不需要硬搬、套用信息技術。信息技術的應用應是解決傳統技術無法解決的問題，并且能提高教學效率。

3.改變課堂結構是核心

為了真正使傳統的課堂教學結構由“以教師為中心”轉變為“主導—主體相結合”，教師可以在學科教學法中多做嘗試，以改變學生的學習方式，真正促進學生素養的形成。

4.增強信息化教學資源構建力度

過多依賴一線教師進行信息教學資源的開發不夠現實，而且這樣開發的教學資源也不成系統。若依賴社會力量或者相關科研機構，則可以在頂層設計時將信息化教學資源的儲備作為與課程設計、教材編寫同步完成的一項任務。