基于NetLogo的中學生物學仿真模型開發及其在教學中的應用

摘 要：本文以“基因頻率的變化”模型為例，介紹基于NetLogo的中學生物學仿真模型開發過程，利用模型與建模的方法，通過該仿真模型實時顯示的數據構建數學模型，旨在呈現信息技術應用在教學中所形成的高效課堂。

關鍵詞：NetLogo；仿真模型；編程建模；基因頻率

文章編號：1003-7586（2024）10-0069-03

中圖分類號：G633.91

文獻標識碼：B

NetLogo是一個用來對復雜系統進行仿真的可編程建模環境。它自帶一個豐富的模型庫，其中有30余個與生物學相關的仿真模型，可直接運行^［1］，但若要開展模型庫中沒有的活動，則需教師編程建模后再用于教學。^［2］下面筆者以“基因頻率的變化”模型為例，對仿真模型開發的過程及其在教學中的應用進行簡單介紹。

1 “基因頻率的變化”仿真模型開發

利用NetLogo軟件開發仿真模型的具體流程如圖1所示。

1.1 內容選取

“基因頻率的變化”是人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》（以下簡稱“教材”）第6章第3節的內容，《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確要求對本內容開展“用數學方法討論自然選擇使種群的基因頻率發生變化”的活動。教材中對應的活動能夠培養學生的邏輯思維和計算能力，但對高中階段的學生而言較復雜。另外，通過計算假設的數據來分析“基因頻率的變化”，難以讓學生較直觀地感受大自然對種群的選擇作用。因此，教師可以嘗試用計算機仿真模型來提升教學效果。

1.2 模型構建

在構建計算機仿真模型之前，教師應先從教學內容出發，構建物理模型或數學模型，構建過程中應抓住本質，為之后的精準構建仿真模型提供保證。

結合教材內容，“基因頻率的變化”可構建兩個模型。一是數學模型：個體自由交配遵循分離定律。即產生配子時，基因型為Ss的個體產生數量相等的S和s配子，基因型為SS的個體只產生S配子，基因型為ss的個體只產生s配子。二是物理模型：適應黑褐色背景環境的黑色個體被留下，淺色個體被淘汰，自然選擇對種群的個體產生影響。

1.3 仿真設計

教材中“探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響”的數字化情境若同時考慮兩種模型，計算比較煩瑣，難以在課堂上短時間內完成，此時計算機仿真模擬就成為一個最佳選擇。

教師應結合教學需要，將構建好的數學模型或物理模型轉變為能用計算機軟件構建的仿真模型。計算機仿真模型設計包括界面、情境、參數和功能等多個方面的設計。“基因頻率的變化”仿真模型需要實現兩方面功能：①種群的個體間能自由交配產生后代；②自然選擇對種群的個體進行淘汰。且能設置選擇作用的強度，從而模擬出更豐富的數據結果。

1.4 技術實現

運行計算機軟件及編程語言可以創造出能實現一定情境變化的計算機仿真模型。“基因頻率的變化”模型基于NetLogo軟件，利用Java語言實現模型的對應功能。

1.5 測試修正

教師運行已編好的仿真模型，將模型得出的數據與真實情境得出的結果進行對比，直到修改無誤。

2 “基因頻率的變化”仿真模型在教學中的應用

2.1 資料分析，鞏固舊知，熟悉模型

教師展示資料一：英國的曼徹斯特地區有一種樺尺蛾，19世紀中葉以前，樺尺蛾幾乎都是淺色型。19世紀時，曼徹斯特地區的樹干上長滿了淺色的地衣，隨著工業的發展，工廠排出的煤煙使地衣難以生存，結果樹皮裸露并被熏成黑褐色。到20世紀中葉，黑色型樺尺蛾占比超過95%。

教師提出問題：黑色個體為什么越來越多？請嘗試用達爾文自然選擇學說進行解釋。

學生小組討論后得出：樹皮變成黑褐色后，淺色型樺尺蛾不易躲避天敵，數量逐漸減少，而黑色型樺尺蛾與樹皮顏色相近，可以躲避天敵，數量相對淺色型樺尺蛾有所增加。

教師指導學生用NetLogo計算機仿真模型中自帶的“自然選擇模型”進行操作。

設計意圖：學生對自然選擇學說產生直觀感受，鞏固教材上一節中的解釋模型。學生動手操作計算機自帶的模型，可熟悉操作平臺，為接下來的仿真模擬操作奠定基礎。

2.2 創設情境，引出主題，進入新課

教師展示資料二：1848年，科學家在該地區首次發現了黑色型樺尺蛾。進一步的研究表明，樺尺蛾的體色受一對等位基因S和s控制，黑色（S）對淺色（s）是顯性。

教師為學生講解：首次發現的黑色個體很可能是基因變異的結果，其基因型很可能是Ss。若周圍環境為黑色，自然選擇會使該基因型存活留下，但這一有利變異的個體終究會死亡，只有通過與群體中的其他個體進行交配繁殖，有利基因（S）才能傳遞下去并逐代積累，最終擴大黑色個體在群體中的比例。可見，生物的進化是以群體為單位發生的，這個群體就被稱為“種群”。

教師指導學生操作仿真模型平臺，設定樺尺蛾個體數為簡單的“三黑七淺”（其中黑設置為一個SS和兩個Ss），在命令中心輸入指令讓樺尺蛾的尺寸增大，以便觀察和計數。

教師引導學生總結出種群的概念：生活在一定區域的同種生物全部個體的集合。通過這樣的仿真模擬，教師可將種群概念中的三要素（空間是同一區域、組成是同種生物、數量是全部個體）直觀呈現。鑒于對進化的研究應該以種群為單位，且種群中有利基因S可世代傳遞，教師就可以順其自然地引入基因庫、基因型頻率、基因頻率這三個概念。

教師請學生根據前面給出的“三黑七淺”數據，計算相關的基因型頻率和基因頻率，并提出問題：如果三個黑色個體的基因型變為“兩個SS和一個Ss”，那還是不是原來的種群？要求學生再次計算基因頻率并說明原因。

學生根據基因庫和基因頻率的不同，得出兩個種群不相同的結論。

設計意圖：教師用簡單情境引出種群概念，再通過與計算機的交互讓學生體驗概念的生成，并從本質上理解種群。依靠計算機界面結合具體數據進行計算，掌握計算方法的同時，還能對基因庫和基因頻率這兩個附屬概念的內涵產生更深刻的理解。

2.3 利用仿真模型進行“用數學方法討論基因頻率的變化”模擬

教師展示資料三：1870年，有學者調查曼徹斯特地區的樺尺蛾，得到的基因型比例數據跟上文中給出的比例類似，SS占10%、Ss占20%、ss占70%，只是種群的總數量更大。

教師提出問題：“若這些樺尺蛾自由交配，根據分離定律，子一代的基因型頻率和基因頻率分別是多少？子二代又是多少？”同時請預測第一百代的基因型頻率和基因頻率情況。

學生小組討論并用數學方法得出前二代的結果，并預測子一百代的情況。

教師指導學生進行相關仿真軟件模擬操作，發現計算結果與模擬操作結果相近。

師生共同總結得出遺傳平衡定律的數學模型，這是理想條件下的情況。實際情況中，已知淺色個體在逐漸淘汰，ss的基因型頻率以及s的基因頻率不可能保持不變。

設計意圖：教師引導學生從“雌雄親代所產配子的種類及比例”角度計算兩代的基因型頻率，這一過程非常重要，它既是對遺傳定律內容的鞏固，也是理解并記憶遺傳平衡定律數學公式的最佳方式。利用計算機模擬結果驗證學生預測但未計算的子一百代結果，再次展現了計算機仿真模擬的優勢，也讓學生有了獲得感。

2.4 利用仿真模型進行“探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響”模擬

教師指導學生在仿真模型操作平臺上設置環境選擇作用的強度，淺色個體每年淘汰10%（不同小組可以設置不同強度），黑色個體每年增加10%，模擬每年淘汰后再經過自由交配得到的下一代數量、基因型頻率及基因頻率。

經仿真模型模擬計算得出，在自然選擇的作用下，種群的S基因頻率不斷提高，s基因頻率不斷下降，發生了定向改變，導致生物朝著一定的方向不斷進化。

教師繼續提出問題：除了自然選擇，是否還有別的因素會改變基因頻率？

在學生小組討論后，教師引導學生回顧首次發現的黑色個體，S基因從無到有是基因突變的結果，可見基因突變會改變基因頻率。教師繼續創設情境，師生共同分析另外幾種情況，總結遺傳平衡定律成立的五個前提。

設計意圖：學生根據設定的數據，與仿真模型進行交互活動，各組間的結果雖不同但結論相同，都得出了基因頻率的定向改變導致生物進化這一結論。該過程能夠培養學生應用計算機工具解決實際問題的能力，發展學生的科學思維，同時避免“先淘汰再自由交配再淘汰”這一煩瑣的手工計算過程。

3 總結

NetLogo從數據表征、圖形表征和語言表征三個角度反映了環境對種群基因頻率的影響，有助于學生解決實際問題；學生能夠通過程序控制多個變量，有目的地實現對仿真系統的控制；操作者在進行操作時，還能即時獲取數據及動態曲線圖。

本例中運用NetLogo計算機仿真模型，讓學生在課堂上身臨其境地感受到自然選擇對種群的影響，幫助學生形成進化與適應的生命觀念。學生自主運行該模型，設置不同的參數進行探究，基因型頻率和基因頻率的變化以曲線圖的方式直觀呈現，可以幫助數據處理能力和總結歸納能力略有欠缺的學生更好地理解自然選擇對種群的作用。另外，利用仿真模型進行人機交互，可以在探究的過程中激發學生思維，有利于學生科學思維以及科學探究能力的培養。

最后，本例中所呈現的情境貫穿課堂教學的始終，串聯起了本節內容的所有概念和相關活動，提升了教學效果。

參考文獻

［1］楊宇杰，劉佳璐，鄭曉蕙.基于NetLogo的計算機建模在中學生物學教學中的應用［J］.生物學教學，2015，40（2）：10-12.

［2］孫杰.NetLogo生物學仿真實驗室的搭建［J］.生物學教學，2021，46（6）：31-32.