數字化游戲在高中生物學教學中的應用

游戲是一種社會文化形式。數字時代，數字化游戲發展迅猛。數字化游戲是指依托信息技術開發的，在數字化設備上運行的各類數字化軟件系統，包括電腦游戲、手機游戲、網絡游戲等^[1]。數字化游戲與教育結合，催生了數字化游戲學習（Digital Game-Based Learning，簡稱“DGBL”）。2001年，馬克·普蘭斯基在《數字化游戲學習》一書中指出，利用傳統的教學方法與數字化游戲，將各種形式的教育內容結合起來，可以取得理想效果。學生以數字化游戲為載體進行學習，在游戲中解決問題、迎接挑戰，能獲得直接經驗和成就感。筆者開發了一款數字化游戲“拯救抗蟲棉”，并將其用于高中生物學教學，以期增強學生學習興趣，提升效果。

一、數字化游戲的教育價值和相關數字化游戲資源

近年來，數字化游戲在語言學習、計算機編程、實驗教學等領域廣泛應用。研究表明，數字化游戲能為學生提供游戲化學習環境，寓教于樂^[2]。教師基于情境式數字化游戲開展探究學習活動，能有效提升學生的學習興趣、滿意度及效果，尤其能促進學生對學習內容的深度加工。此外，這種學習方式在保留記憶、發展創造性思維、培養探究實踐和問題解決能力等方面有顯著優勢。

數字化游戲作為一種兼顧教育性與游戲性的創新教學方式，在高中生物學教學中有巨大的應用價值。高中生物學中有些知識內容所屬尺度過于微觀（如分子水平）或宏大（如生物圈水平），有些過程過于短暫（如光合作用）或漫長（如進化歷程），有些實驗因材料、設備、成本、時間和安全等原因無法在課堂上實施（如動物細胞培養）^[3]。教師用傳統的教學方式難以呈現上述內容，而利用數字化游戲，可以對時空進行縮放，對過程進行加快或減慢，對操作進行模擬，進而突破時空限制，生動再現抽象的生命現象和生命活動規律，甚至為學生的學習提供身臨其境的模擬情境。

目前，可用于高中生物學教學的數字化游戲資源較少，主要包含專業性、科學性較強的數字化模擬實驗游戲和具有較強娛樂性的數字化游戲（見表1）。其中，前者的教學性強，但難度大、游戲性弱，且國內無中文網頁，因此較難直接應用于生物學教學；后者對學生的吸引力較大，但由于設計目的是娛樂而不是教學，因而主題比較有限、內容不夠精確完整，側重玩樂體驗，難以滿足教學要求，甚至可能存在科學性問題。如果不經篩選直接將數字化游戲用于教學，不僅會占用過多時間，而且會給學生建構重要概念造成負面影響。因此，基于高中生物學教學內容和學生認知水平，開發新的兼具教育性和游戲性的多主題數字化游戲很有必要。

二、數字化游戲“拯救抗蟲棉”的設計與應用

筆者與游戲軟件工程師合作，設定高中生物學數字化游戲教學規則，采用國產游戲引擎Cocos Creator 3.7.2，開發了一款網頁游戲“拯救抗蟲棉”，并將其用于高中生物學教學。

（一）游戲主題選擇

“拯救抗蟲棉”游戲適用于必修2第4章“基因的表達”的教學。基因表達是一個微觀抽象的動態過程，涉及物質種類較多，學生不易理解和記憶，容易喪失學習興趣。遺傳信息的轉錄和翻譯過程是教學難點，以往教師通常使用紙片等物理模型來分別模擬轉錄和翻譯過程。傳統教學存在明顯的弊端：教師需要耗費較多時間制作教具、學具；學生在模擬活動過程中無法得到即時反饋。此外，兩個模擬活動缺乏聯系難以讓學生形成對基因表達過程的動態整體認識。

當今學生對數字化游戲的接受度高。教師將“拯救抗蟲棉”融入教學，能激發學生的學習興趣和探索欲望。這樣，教師無需制作教具、學具，學生使用電腦即可操作。數字化游戲的每個操作環節都有即時反饋和對錯提示，有利于學生在不斷試錯過程中摒棄錯誤認識，形成正確概念。此外，動態的數字化游戲有利于學生形成整體認識，體會基因表達過程的動態性和連續性。

（二）游戲操作流程

“拯救抗蟲棉”游戲包含4個環節：情境引入—轉錄—翻譯—結果反饋。筆者在每個環節設置若干任務，引導學生完成任務并觀看游戲中的過渡動畫，逐步建立對基因表達過程的認識。

1.情境引入

（1）任務：閱讀來自抗蟲棉的求助信，明確游戲目的——找到抗蟲棉細胞中的蘇云金芽孢桿菌抗蟲蛋白基因，并成功表達抗蟲蛋白，幫助抗蟲棉抵御棉鈴蟲害。

（2）過渡動畫：棉花植株的葉片逐步放大，最終呈現細胞結構。

設計意圖：基于必修2第4章首頁的引入內容，選擇學生熟悉的抗蟲棉來創設真實的任務情境，激發學生的學習興趣和挑戰欲望；讓學生觀看由個體到細胞、宏觀到微觀的過渡動畫，增強游戲的真實感，豐富學生的視覺體驗并建立正確的尺度觀念。

2.轉錄

針對轉錄環節的教學，筆者設計了5項連續的任務（如圖1）。

（1）任務：①找到抗蟲蛋白基因所在位置；②選擇基因表達的第一個環節；③選擇轉錄所需的酶；④選擇轉錄所需的原料；⑤根據堿基互補配對原則，選擇正確的核糖核苷酸并拖到紅框內，合成抗蟲蛋白mRNA，完成轉錄。

（2）反饋與提示：在每項任務中，學生如果選擇錯誤，會彈出提示框進行糾錯。若選擇正確，系統會彈出相應提示以鞏固正確概念，同時學生會獲得黃色星星獎勵。學生每完成一項任務就會獲得1顆星星，轉錄環節所有任務成功完成后可獲得5顆星星。在任務⑤中，學生如果選擇錯誤的核糖核苷酸，則會因其不能結合到DNA模板鏈上而脫落，配對錯誤不超過3次才能獲得1顆星星。

（3）過渡動畫：轉錄合成的mRNA從DNA模板鏈上釋放。

設計意圖：檢測學生對轉錄的掌握情況，考查的知識點有基因表達環節，轉錄場所、所需的酶和原料，堿基互補配對原則等。在DNA模板鏈的序列設計上，采用真實的抗蟲蛋白基因中一段長度為15 bp的DNA序列，創設情境。在堿基結構設計上，嘌呤為凸起，嘧啶為凹陷，用其引導學生認識到堿基互補配對與其結構相關，滲透結構與功能觀。學生完成每個任務選項的選擇后，系統會即時反饋和提示，幫助學生糾正錯誤觀念，建立正確概念。學生成功完成任務可獲得星星獎勵，這有利于增強游戲的趣味性和學生的成就感。游戲操作簡單，使用鼠標即可完成。在游戲界面左上角還設有提示信息用以指引學生每個任務場景的操作和要求。除過渡動畫外，對于任務場景的轉換筆者也用動畫呈現，幫助學生理解轉錄過程的動態性和連續性。

3.翻譯

對于翻譯環節的教學，筆者設計了4項任務和2個動畫（如圖2）。

（1）任務：①選擇翻譯場所；②點擊右框內紫色按鈕，分別選擇正確的氨基酸和tRNA后拖到紅框中，完成翻譯；③選擇肽鏈初步加工場所；④選擇肽鏈進一步加工場所。

（2）反饋與提示：學生選擇錯誤或正確，提示同上。在任務②中，學生如果選擇錯誤的氨基酸或反密碼子，那么會因不能結合到mRNA上而脫落，全部選擇正確可獲得2顆星星，錯誤1—3個只獲得1顆星星，錯誤超過3個則不能獲得星星。學生完成翻譯環節所有任務可獲得5顆星星。

（3）過渡動畫：①mRNA通過核孔進入細胞質；②肽鏈依次經過內質網、高爾基體加工后，通過囊泡運出細胞。

設計意圖：檢測學生對翻譯的掌握情況，考查的知識點有翻譯場所，所需原料、工具，mRNA上密碼子與tRNA上反密碼子及其攜帶氨基酸的對應關系，蛋白質的加工過程和場所等。在任務②中，搭建了氨基酸原料庫和tRNA工具庫，學生需根據mRNA上的密碼子信息分別選擇正確的氨基酸和tRNA反密碼子。任務難度較大，旨在測評學生對密碼子與反密碼子及氨基酸對應關系的理解，幫助學生在試錯過程中建立正確認識。為降低難度，節省操作時間，氨基酸原料庫和tRNA工具庫中均只設置10個選項。

4. 結果反饋

任務：學生查看轉錄和翻譯環節的得分，并閱讀來自抗蟲棉的感謝信。

設計意圖：學生查看得分，分析基因表達過程中存在的問題，進行評價。星級獎勵和感謝致信給學生帶來成就感，會增強游戲的趣味性。

（三）“拯救抗蟲棉”數字化游戲在高中生物學教學中的應用

1.“拯救抗蟲棉”數字化游戲適用的課型

“拯救抗蟲棉”可應用于必修2第4章第1節“基因指導蛋白質合成”的新授課，在學生已經學習基因的轉錄和翻譯過程并初步建立“基因的表達”概念模型的基礎上，教師可利用此游戲引導學生自主評價并對概念模型進行完善。教師還可利用此游戲開展高三復習課的教學，讓學生參與游戲以喚醒和鞏固相關概念，從而減少課堂上對相關知識內容的重復學習。

2.借助“拯救抗蟲棉”數字化游戲開展新授課教學

筆者將“拯救抗蟲棉”融入“基因指導蛋白質合成”新授課的教學中，按“游戲準備—互動與檢驗—評價與總結”的思路（如圖3），開展數字化游戲教學。

（1）游戲準備

在數字化游戲教學模式下，學生游戲前需做好知識準備和游戲啟動準備。

如何做好知識準備？筆者帶領學生對布拉奇特（Brachet）的洋蔥根尖和變形蟲實驗、戈爾茨坦（Goldstein）和普勞特（Plaut）的變形蟲核移植實驗等資料進行分析，讓學生探尋基因與蛋白質間的信使物質。筆者提供布倫納（Brenner）和梅瑟森（Meselson）的噬菌體侵染細菌實驗、馬莫（Marmur）等的噬菌體侵染枯草芽孢桿菌實驗等資料讓學生分析并觀看視頻，使其了解轉錄過程。之后，學生閱讀科學史資料，了解遺傳密碼破譯的過程，厘清氨基酸和密碼子的對應關系；分析圖文，掌握翻譯工具tRNA的結構與功能，深化認識；觀看動畫，自主學習翻譯及翻譯后的蛋白質加工過程。

在游戲啟動準備階段，筆者介紹“拯救抗蟲棉”游戲，明示目標、規則、操作注意事項及結果，保證游戲能順利進行后向學生電腦發送游戲。

（2）互動和檢驗

游戲過程中，學生自主在電腦上操作，點擊或拖曳鼠標進行交互，并利用準備階段所掌握的知識和技能完成任務。學生相互交流有利于喚起準備階段時所學的新內容，起到鞏固和加深記憶的作用。此階段，教師不要打斷學生游戲，以免分散學生注意力、破壞游戲氛圍。教師可觀察了解學生游戲進展，控制游戲時間，并在學生有需要時給予提示和幫助。

（3）評價與總結

游戲結束后，學生根據不同環節的得分情況進行自我評價，總結游戲得失，交流體會。最后，筆者引導學生總結游戲重點并與準備階段所學知識進行融合，完善“基因的表達”概念模型。

3.教學效果與學生反饋

筆者將“拯救抗蟲棉”數字化游戲與“基因的表達”知識內容有機融合，開展數字化游戲教學。從課堂教學效果來看，學2m4rW/kiMcOSoqdrxPPGQQ==生參與度較高，課堂氛圍融洽，效果較好。課后，筆者以調查問卷方式收集并分析學生對數字化游戲教學的評價信息（見表2）。

調查結果顯示，學生對數字化游戲教學給予肯定評價。96.6%的學生認為能提高學習興趣；98.9%的學生認為有助于更好地理解基因表達的微觀、抽象過程；88.5%的學生認為能糾正一些錯誤認識，其中最主要的兩點是“認為tRNA上反密碼子決定氨基酸的種類”和“不清楚翻譯后蛋白質加工的過程和場所”；90.7%的學生認為有助于建立整體聯系；所有學生希望以后能有更多的數字化游戲融入生物學教學中。

三、數字化游戲教學展望

教師開展數字化游戲教學應以人為本，讓學生在輕松、愉快、積極的環境下學習，挖掘學生自身的潛能，提升主觀能動性，以提高課堂教學質量。實踐證明，數字化游戲教學在增強學生學習興趣，糾正學生錯誤認識，直觀呈現微觀、連續、動態的生命活動過程等方面均具有顯著優勢。學生對數字化游戲學習的接受度很高，他們迫切希望有更多的數字化游戲融入生物學課堂。

數字化游戲教學前景廣闊。筆者開發的“拯救抗蟲棉”數字化游戲可應用于“基因指導蛋白質合成”的新授課和復習課教學，此類以數字化游戲再現微觀、抽象生命現象的教學模式也可應用于其他章節的教學，如必修2第3章第2節“DNA的結構”和第3節“DNA的復制”、選擇性必修3第3章第2節“基因工程的基本操作程序”等。此外，數字化游戲也適于一些尺度過于宏大或過程過于漫長的知識內容的教學，如種群的數量變化、生態系統的物質循環、群落的演替、生物的進化等。未來，需要進一步開發更多的數字化游戲用于高中生物學教學。

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》在教學建議中指出，要充分利用信息技術提高課堂教學效率，學校和教師要重視信息化環境下的學習，積極開發和利用信息技術課程資源，改進教學方式。數字化游戲教學是一種符合信息時代特點、響應課標要求的創新教學方式。融入數字化游戲的高中生物學教學在數字時代一定會綻放獨特的光彩。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發展（人教社）重點實驗室、人民教育出版社人教數字教育研究院2022年度重點課題“基于數字資源與技術的生物學科教學創新實踐研究”（課題編號：RJA0222002）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 段明希.數字化游戲學習的研究[D].上海：華東師范大學， 2008.

[2] Shaffer D W. How computer games help children learn[M].New York： Palgrave Macmillan，2006.

[3] 譚永平.期待數字化與生物學教學實現“細胞融合”[J].中小學數字化教學，2022（5）：1.

（作者左亞男系北京匯文中學教師；郭世純系清華大學研究生；李霞系北京市東城區教育科學研究院正高級教師）

責任編輯：祝元志