圖形化編程工具支持下的性狀分離比模擬實驗

孫志濤

“性狀分離比的模擬實驗”是人教版《普通高中教科書 生物學 必修2 遺傳與進化》第1章“遺傳因子的發(fā)現(xiàn)”中“探究·實踐”部分的內(nèi)容。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》要求教師開展“模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗”等教學活動，幫助學生達成對概念3“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的理解，促進學生生物學學科核心素養(yǎng)的提升。該實驗旨在通過模擬實驗，讓學生理解遺傳因子的分離、配子的隨機結(jié)合與性狀之間的數(shù)量關(guān)系，體驗孟德爾的假說。傳統(tǒng)實驗方法是：用不同標記的彩球模擬含有不同遺傳因子的配子，用從兩個桶中隨機各取一球構(gòu)成的組合，來模擬雌雄配子的自由組合及形成的受精卵的遺傳因子組成（基因型）。教師開展性狀分離比模擬實驗需要模擬F植株1∶1地隨機產(chǎn)生兩種雄（雌）配子，而這種隨機性需要模擬的樣本數(shù)量足夠大才能得以體現(xiàn)，這就需要大量重復實驗。Mind+是一種圖形化編程工具。筆者用Mind+編程模擬性狀分離比實驗，對配子結(jié)合等微觀過程可視化模擬，便于學生理解實驗原理，提高建模與思維能力。

一、運用Mind+進行模擬實驗的方案

（一）原理

Mind+的“運算”模塊中，有在某兩個數(shù)之間取隨機數(shù)的積木。教師使用該積木，可以在“1”和“2”之間隨機取“1”或“2”。因為是隨機的，所以取到“1”和“2”的概率相等。這樣就可以模擬Aa產(chǎn)生含A的雄配子與含a的雄配子之比1∶1，也可以模擬Aa產(chǎn)生含A的雌配子與含a的雌配子之比1∶1。取到“1”代表產(chǎn)生的是含有A的配子，取到“2”代表產(chǎn)生的是含有a的配子。只要模擬次數(shù)足夠多，最終產(chǎn)生的含A的雄（雌）配子與含a的雄（雌）配子之比接近1∶1。每次都是隨機產(chǎn)生雄配子和雌配子。每次產(chǎn)生的雄配子與雌配子的組合可以代表雌雄配子的隨機結(jié)合。教師可以利用Mind+中的“列表”對多次模擬產(chǎn)生的F受精卵的3種基因型個體數(shù)量進行統(tǒng)計，并用“列表”展示。這樣就解決了“模擬配子隨機產(chǎn)生”的問題。

如何重復模擬？教師利用Mind+的“控制”模塊中的“重復執(zhí)行”即可。為了讓學生的模擬操作更具有可視性，筆者編寫的程序采用了兩種模擬方式。第一種方式是單次模擬，即每點擊一次按鈕就模擬隨機產(chǎn)生1個雄配子和1個雌配子，用來模擬結(jié)合成受精卵并記錄其基因型，且隨時更新3種基因型受精卵的數(shù)量。盡管多次點擊可實現(xiàn)逐次模擬，及時便捷地看到每次模擬產(chǎn)生的配子類型及受精卵類型，但是要達到一定數(shù)量的模擬較費時。第二種模擬方式為自定義模擬，即允許操作者輸入要模擬的隨機結(jié)合產(chǎn)生的受精卵數(shù)量，實現(xiàn)批量自動化處理，這樣節(jié)省時間。

（二）模擬實驗程序的開發(fā)環(huán)境

筆者的模擬實驗程序是使用Mind+開發(fā)的。師生可以在Mind+官網(wǎng)下載電腦版本開發(fā)軟件進行程序編寫，也可以在官網(wǎng)使用其在線編輯器直接編寫。

（三）方法與步驟

1.模擬實驗的構(gòu)思

程序開始運行時，如果是批量模擬（自定義模擬），請輸入要模擬的受精卵數(shù)量（相當于教材中在每個桶中抓球的次數(shù)）。

由于每次模擬過程類似，用戶可以用“控制”模塊中的“重復執(zhí)行”來完成每個受精卵形成過程的模擬。在每次模擬過程中，每個“桶”中的小球隨機運動，會有一個小球被隨機抽取。對于小球的隨機運動，用戶可以用“運動”模塊中的“移動到∶（ ） ∶（ ）”來實現(xiàn)，其中與坐標用“運算”模塊中的“在某兩個數(shù)之間取隨機數(shù)”來實現(xiàn)。為了保證小球的隨機運動在“桶”內(nèi)，用戶在設(shè)置隨機數(shù)范圍時應(yīng)參考“桶”邊界的坐標。隨機抽取小球可以用上述原理中介紹的隨機數(shù)方法來實現(xiàn)。筆者設(shè)置“雄配子標簽”和“雌配子標簽”變量：若隨機取到的數(shù)是1，則隨機抓取的是藍色球（A），此時將雄配子標簽設(shè)置為1，否則將雄配子標簽設(shè)置為0，用同樣的辦法模擬隨機產(chǎn)生雌配子，并設(shè)置好雌配子標簽。若雄配子標簽與雌配子標簽之和為2，則形成的受精卵的基因型是AA。若雄配子標簽與雌配子標簽之和為1，則形成的受精卵的基因型是Aa。若雄配子標簽與雌配子標簽之和為0，則形成的受精卵的基因型是aa。用戶借助程序在作出判斷的同時對3種基因型個體數(shù)量進行計數(shù)。

2.模擬程序的核心代碼

圖1展示的是模擬隨機結(jié)合產(chǎn)生1個受精卵時1個小球的程序代碼，圖2展示的是模擬產(chǎn)生“自定義次數(shù)”個受精卵時1個小球的程序代碼。

3.程序的界面介紹

程序中有“模擬1次”“數(shù)據(jù)清零”“自定義模擬次數(shù)”“無動畫極速模擬”4個按鈕。用戶按下“模擬1次”按鈕，可以進行逐次模擬，每按1次按鈕模擬產(chǎn)生1個受精卵。按下“數(shù)據(jù)清零”按鈕，可以將顯示的受精卵數(shù)量、各基因型個體數(shù)量等數(shù)據(jù)歸零，且讓雌雄配子也回到初始位置。按下“自定義模擬次數(shù)”，輸入需要模擬產(chǎn)生的受精卵數(shù)量，程序會根據(jù)輸入的數(shù)量進行批量模擬，且能呈現(xiàn)雌雄配子隨機抓取和隨機產(chǎn)生配子類型等動態(tài)效果。但此模式下動態(tài)效果呈現(xiàn)需要一定的時間，模擬數(shù)量較大時耗時較長。為了解決這個問題，筆者還設(shè)計了一種無動畫極速模擬模式。按下“無動畫極速模擬”按鈕，輸入需要模擬產(chǎn)生的受精卵數(shù)量，程序會根據(jù)輸入的數(shù)量進行批量模擬。此時，去掉了小球的動態(tài)效果，程序運行速度非常快，能快速顯示模擬產(chǎn)生的3種基因型個體的數(shù)量（如圖3）。

單獨逐次模擬時，受精卵數(shù)量和各基因型個體數(shù)均可以累加。在批量模擬之后用戶還可以緊接著進行逐次模擬，數(shù)據(jù)也會累加在批量模擬上。“模擬1次”模式更易于學生理解本模擬實驗的原理和過程。筆者建議學生先用“模擬1次”模式進行模擬，了解實驗原理，再選擇“自定義模擬次數(shù)”和“無動畫極速模擬”方式模擬實驗。

二、模擬實驗程序在課堂上的應(yīng)用

在課堂教學中，筆者在引導學生明確實驗原理、設(shè)計實驗思路、優(yōu)化實驗的操作步驟之后，便讓學生利用模擬程序進行實驗。

每個學生點擊“模擬1次”，得到模擬實驗結(jié)果，將結(jié)果中的雄配子類型、雌配子類型、受精卵類型記錄在表格中，按照此方法重復30次，并將每次的實驗結(jié)果記錄在表格中。學生統(tǒng)計這30次模擬實驗中含A的雄配子與含a的雄配子之比、含A的雌配子與含a的雌配子之比，觀察含A的雄配子與含a的雄配子之比是否接近1∶1，含A的雌配子與含a的雌配子之比是否接近1∶1。同時，統(tǒng)計這30次模擬實驗中三種受精卵（AA、Aa、aa）之比，觀察AA∶Aa∶aa是否接近1∶2∶1。筆者將全班學生的數(shù)據(jù)進行匯總，統(tǒng)計上述3個比例，讓學生看到配子比更接近1∶1，3種受精卵（AA、Aa、aa）之比更接近1∶2∶1。

隨后，筆者讓學生點擊“自定義模擬次數(shù)”和“無動畫極速模擬”進行更大受精卵數(shù)量的模擬實驗。學生發(fā)現(xiàn)：只有模擬的受精卵數(shù)量足夠大，才能保證模擬實驗滿足孟德爾假說中的“含A的雄配子與含a的雄配子之比為1∶1，含A的雌配子與含a的雌配子之比為1∶1”及“雌雄配子的隨機結(jié)合”。在保證了模擬實驗的這些條件滿足后，實驗結(jié)果中的3種受精卵AA∶Aa∶aa的比值便接近1∶2∶1。這樣得出并驗證了實驗結(jié)論，即孟德爾的假說可以解釋F的性狀分離比。

三、運用Mind+進行模擬實驗的優(yōu)勢

（一）程序自身優(yōu)點

筆者應(yīng)用基于Mind+開發(fā)的模擬實驗程序來模擬相關(guān)實驗，效率高。相比于在實物小桶中的抓球模擬，程序在速度上有顯著優(yōu)勢，例如使用“無動畫極速模擬”模式即刻出結(jié)果，使用“自定義模擬次數(shù)”模式，也比實物模擬快很多。

此外，待模擬的受精卵數(shù)量可以自定義，程序具有很好的易用性。筆者在編寫程序時已考慮模擬數(shù)量自定義的問題。用戶打開程序后，會看到“輸入要模擬的受精卵數(shù)量”的提示語。用戶設(shè)置數(shù)量無須改動程序源代碼，并且一次模擬實驗結(jié)束，可以進行下一次模擬實驗，無須反復關(guān)閉和開啟程序，這有利于重復模擬實驗。

（二）在教學實踐中的優(yōu)勢

首先，該模擬程序可以快速模擬探究樣本數(shù)據(jù)大小對實驗結(jié)果的影響，有利于教師在時間有限的課堂上，讓學生通過模擬實驗操作體驗統(tǒng)計學特點。當模擬的受精卵數(shù)量為100時，某次實驗結(jié)果為AA∶Aa∶aa=22∶48∶30（如圖4），顯性∶隱性≈2.33∶1，這兩個比例與理論比例相差較大，重復模擬實驗（受精卵數(shù)量為100），實驗結(jié)果中的比例與理論比例總有一定差距。但當模擬的受精卵數(shù)量為10000時，每次模擬實驗結(jié)果都接近理論比例（如圖5），即AA∶Aa∶aa =1∶2∶1，顯性∶隱性=3∶1。這些模擬實驗可以讓學生體會樣本數(shù)據(jù)大小對實驗結(jié)果的影響，有助于學生理解樣本數(shù)量大對統(tǒng)計學結(jié)果的重要性。

其次，模擬實驗的動態(tài)過程可以在課堂上直觀呈現(xiàn)，有利于學生體驗?zāi)M實驗過程中受精卵的遺傳因子的來源及配子隨機結(jié)合的過程。配子的隨機產(chǎn)生、雌雄配子的隨機結(jié)合、已模擬的受精卵數(shù)量、已模擬產(chǎn)生的各基因型個體的數(shù)量都可以在程序中實時顯示。“模擬1次”模式下的模擬過程和課本中實物模擬操作過程基本一致，有利于學生理解模擬實驗的原理。

最后，該模擬程序支持html格式轉(zhuǎn)換。用戶可以使用Mind+轉(zhuǎn)網(wǎng)頁工具將編輯好的程序轉(zhuǎn)換成html格式。該格式文件可以在電腦和手機上運行，便于教師在課堂上演示實驗，也便于學生模擬實驗。

（三）利于教學目標的達成

筆者開展性狀分離比模擬實驗，首先讓學生明確分離定律的核心內(nèi)容是等位基因的分離，即含A的雄配子與含a的雄配子之比1∶1，含A的雌配子與含a的雌配子之比1∶1，然后在雌雄配子隨機結(jié)合的基礎(chǔ)上，得出3∶1的性狀分離比。筆者編寫程序，保證了兩種雄配子比1∶1、兩種雌配子比1∶1和雌雄配子隨機結(jié)合，最終便得到了3∶1的性狀分離比。在整個程序設(shè)計過程中，開發(fā)者需要理解分離定律的本質(zhì)，在此基礎(chǔ)上進行簡單的數(shù)學建模及代碼編寫。有編程基礎(chǔ)的學生可以在理解分離定律的基礎(chǔ)上，用自己掌握的編程語言進行程序設(shè)計和編寫，沒有編程能力的學生可以查閱教師對程序代碼的注解，對分離定律的本質(zhì)有更深的理解，明晰模擬實驗的原理。學生參與上述實驗過程，提高了運用科學的思維方法解決實際問題的能力，鍛煉了學生建模與思維能力，有利于落實高中生物學學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求。

隨著教育數(shù)字化的發(fā)展和學生綜合素質(zhì)的提升，信息技術(shù)與高中生物學教學深度融合既是教育改革與發(fā)展的需要，又是學生自主發(fā)展的需要。該模擬實驗教學就是踐行數(shù)字化融合發(fā)展理念的案例。在教學中，教師也可以先讓無編程基礎(chǔ)的學生利用高中數(shù)學“算法與程序框圖”知識畫出程序框圖，再讓有編程基礎(chǔ)的學生利用編程實現(xiàn)性狀分離比的模擬實驗（也可以是教師提供源代碼并進行原理講解），使學生對分離定律的本質(zhì)有更深的理解，提高他們的跨學科學習能力。

注：本文系2021年度武漢市教育科學規(guī)劃“普通高中育人方式改革背景下的課程、教學與評價的創(chuàng)新研究”專項課題教師個人課題“教育信息化與高中生物教學深度融合的策略”（編號：2021PGJ26）的研究成果。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂[S].北京：人民教育出版社，2020：18.

（作者系湖北省水果湖高級中學教師）

責任編輯：祝元志