基于大樣本的性別遺傳虛擬實驗構建：初中生物學項目教學設計

在數字化教育浪潮的推動下，生物學教學亟待革新。《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）明確提出，教師應運用模擬實驗數字化資源，改進教學內容的呈現方式，優化教學過程，增強教學的直觀性、生動性和豐富性^[1]。然而，傳統模擬實驗在教學實踐中常因樣本量小、數據偏差大、拓展性差等問題，難以助力學生深刻理解抽象的生物學概念，如“生男生女機會均等”。為解決這一問題，筆者基于JavaScript和HTML語言開發了“人的性別決定”數字化模擬實驗程序，設置提出問題、作出假設、設計實驗、控制變量、分析數據、得出結論、自主創新、拓展實驗等環節，促進學生基于數據對“人的性別決定”實驗探究中重要概念的理解和科學探究能力的提升，有效解決學習難點。實踐表明，該程序顯著提高了學生對生物學概念的理解，增強了科學探究能力，為初中生物學實驗教學改革提供了新思路與實踐范例。

一、基于課標的虛擬實驗教學需求與研究價值

（一）教學痛點

課標要求學生理解“兩種精子與卵細胞結合的機會相等，后代中男性和女性的比例一般為1∶ 1”，并建構次位概念“人的性別是由性染色體的組成決定的”。然而，傳統教學中無法進行真實實驗，一般通過抽/抓取雙色紙片、棋子或用小球等簡易教具進行模擬實驗探究。但這種方式存在諸多問題：分組實驗材料準備與展示難度大、樣本量不足、數據統計準確性不足及實驗拓展性欠缺等，尤其是因樣本量不足而造成的實際統計數據明顯偏離1∶ 1這一理論預期，難以基于數據得出“生男生女概率均等”這一結論。

（二）研究價值

數字化模擬實驗是數字化教學的重要組成部分，指的是利用虛擬仿真技術、數據分析軟件或數字化實驗程序等進行的模擬實驗，不僅可以作為呈現生命現象的教學資源，還可以作為科學探究的實驗環境，促進學生構建科學知識、體驗科學過程、深化對科學本質的理解。相關研究表明，數字化模擬實驗能夠顯著提升學生的學習興趣和科學探究能力，優化教學效果^[2]。因此，在數字化教學背景下，利用數字化技術賦能初中生物學模擬實驗教學具有重要意義^[3]。

二、數字化模擬實驗程序的設計思路

“人的性別決定”數字化模擬實驗程序基于HTML和JavaScript/TypeScript技術，采用Angular框架構建網頁應用，利用JavaScript中的隨機函數動態產生隨機值，使精卵結合的過程實現隨機化，可實現新生兒的性別模擬^[4]。實驗過程中，利用random（）這個隨機方法來模擬新生兒的性別，綜合考慮多孩家庭的比例分布以及家庭總數等變量，最終合并、統計數據，并以表格的形式進行直觀呈現。該程序的核心算法如圖1所示。

核心算法首先模擬每個家庭的新生兒數目，然后進行二次模擬（對每個新生兒的性別進行模擬）并匯總。模擬每個家庭的新生兒數目時，程序會產生一個1到100之間的隨機數rand，當隨機數的數量足夠多時，它一定會均勻分布在1到100之間，這樣，以（55，35，8，2）這個分布為例，rand值在1至55，表明當前是一孩家庭；56至90，表明當前是二孩家庭；91至98，表明當前是三孩家庭，超過98即表明當前是四孩家庭。

然后，程序采用類似算法模擬出新生兒的性別數據，生成一個0至1范圍以內的隨機數并賦值為v。以0.5為中點，v的值落入0至0.5以內的概率，以及落入0.5至1以內的概率應該是相等的。以此概率分布為理論基礎，對v進行比較，如果v≥0且vlt;0.5，表明是女孩，當v≥0.5時，表明是男孩；如當前是男孩，將boys變量的值增加1。

經過以上兩輪模擬，便可產生兩個關鍵數據：新生兒總數及男孩數目，兩者相減便能得出女孩數目。“人的性別決定”數字化模擬實驗程序的算法流程圖如圖2所示。

綜上所述，數字化模擬實驗離不開高效算法設計，它能夠顯著減少系統資源的消耗以及總模擬時間。由于當前算法的時間復雜度為O（n），空間復雜度為O（1），所以它能夠有效支持千萬乃至上億數量級的家庭樣本模擬。實際測試使用過程中，在intel-9700H的CPU上，模擬一千萬家庭時用時約1 s，一億家庭時用時約12 s，因此能夠明顯提高模擬實驗的教學效率，為初中生物學模擬實驗教學提供了較好的技術支撐。

三、數字化模擬實驗在初中生物學教學中的應用實踐

數字化模擬實驗程序為學生提供了探究環境，讓學生完整體驗“提出問題、作出假設、實施實驗、分析數據、得出結論、表達交流等”科學探究過程，促進學生對“人的性別決定”實驗探究活動中的重要概念的理解和科學探究能力的發展。

（一）提出問題，作出假設

課前教師將模擬實驗探究過程記錄表（見表1）發給學生，便于學生根據科學探究的一般步驟開展模擬實驗，并及時記錄相關數據。教師圍繞“生男生女機會均等嗎？”這一關鍵性問題，組織學生開展模擬實驗探究活動，并根據問題作出假設。

（二）設計方案，控制變量

在實驗方案設計環節，充分利用數字化資源，激發學生參與探究的熱情。教師激勵學生在實驗方案設計與實施階段發散思維，明確設計思路、實驗原理、實驗器材、實驗步驟等方面的內容，幫助學生更深入地思考和理解實驗。

首先，教師對“人的性別決定”數字化模擬實驗程序的使用進行介紹與演示，引導學生思考與討論如何設計該模擬實驗。學生訪問網站（https：//biodemo.ticktock.pro/）或掃描二維碼進入程序。

然后，學生按照自己的想法形成初步的實驗設計方案，并填寫在“人的性別決定”模擬實驗探究過程記錄表中，再自主運用程序進行模擬實驗。例如，有的學生設置“一孩家庭概率為100%”“家庭總數為10”，然后點擊“生成”按鈕跳轉至實驗結果頁面。此時，區域2和區域3分別顯示本輪模擬實驗的后代性別比例餅圖和本輪模擬實驗的10組家庭后代性別決定過程（含人的性別決定示意圖），區域4顯示本輪模擬實驗的統計數據表。數據顯示“輪數：1”“家庭總數：10”“子女總數：10”“男孩數（比例）：4（40%）”和“女孩數（比例）：6（60%）”。由此可知，本輪模擬實驗的10個家庭后代中男女性別比例為2∶ 3。

數字化模擬實驗程序將后代生男、生女的結果渲染成紅、藍兩色的餅圖并呈現各自所占比例。后代受精卵為“XX”以女孩頭像和紅色文字呈現，“XY”則以男孩頭像和藍色文字呈現，使得男女性別在圖像和色彩上有了區分，讓學生直觀感知女孩的性染色體組合為“XX”，男孩的性染色體組合為“XY”，能潛移默化地建構“人的性別是由性染色體的組成決定的”這一次位概念。

由于數字化模擬實驗程序設置樣本量大小可變，學生在探究過程中可按照自己的想法設置樣本量模擬不同的場景，從而克服了樣本量不足、數據統計準確性不足的困難。例如，有的學生想知道當樣本量繼續擴大至一千、一萬、十萬、百萬時會出現怎樣的結果，有的學生想模擬二孩、三孩、四孩等多孩家庭后代性別比例結果，教師可以鼓勵學生大膽嘗試控制變量，進行新一輪的模擬實驗。

（三）分析數據，得出結論

每一輪模擬實驗結束，程序即時生成統計數據。教師引導學生對每輪模擬實驗的統計結果進行數據分析。學生發現隨著樣本量的不斷擴大，后代性別比例逐漸趨于1∶ 1，因此得出“生男生女機會均等”的結論。教師組織學生回顧探究過程并展示，對探究過程與統計數據進行分析，促進學生科學思維發展。此時，教師引導學生基于數據分析思考“生男生女機會均等”的原理：由于男性的性染色體組成是XY，因此在生殖過程中可以產生兩種精子，即含有X染色體的精子和含有Y染色體的精子，這兩種精子的數目是相等的；女性的性染色體組成是XX，因此在生殖過程中只能產生一種含有X染色體的卵細胞。精卵結合時，兩種精子與卵細胞結合的機會均等，因此后代中男性和女性的比例一般為1∶ 1。最終，學生利用實驗數據建構概念“人的性別是由性染色體的組成決定的”。

（四）自主探究，深度拓展

為了更好地解決“生男生女機會均等嗎？”這一探究活動容易演變成驗證性實驗的問題，教師在該探究實驗結束后，鼓勵學生思考與討論自主創新生成新問題，如：“生男孩（女孩）的家庭下一胎一定生女孩（男孩）嗎？”“每一胎的性別是否有關聯？”引導學生繼續運用數字化實驗程序開展拓展探究實驗進行深入探究，鼓勵學生根據“人的性別決定”模擬實驗拓展探究過程記錄表開展思考討論、拓展實驗方案設計并實施、進行數據分析并得出結論，最終解決新問題。

例如，學生設置“家庭總數為1”，共模擬10輪，發現：生男孩的家庭下一胎有可能生男孩或女孩，而生女孩的家庭下一胎有可能生男孩或女孩，最終得出“每一胎的性別沒有關聯”的結論。教師隨后指出“如果人們單純追求生男或生女，就會打破生育的自然規律，導致人類社會性別比例失調，影響社會的穩定和發展”，增強學生的社會責任感。最后，教師呈現近年來我國新增出生人口數量調查表，引導學生討論思考出生率持續下降對國家與社會發展產生的影響，關注人口問題，增強學生的社會責任感，凸顯生物學學科的育人價值。

四、總結與啟示

一方面，數字化技術優化了生物學模擬實驗教學的探究過程，有利于落實生物學核心素養。數字化模擬實驗在數字化實驗的基礎上，借助網絡平臺突破傳統實驗的時空限制，激發潛能和創造力，實現個性化學習，從而提高實驗教學質量。數字化模擬實驗程序具有過程可視化、結果數據化、內容拓展化和資源共享化等優點，能即時生成統計數據，讓學生有充裕的時間進行數字化模擬實驗方案設計與實施、數據分析和表達交流，有助于充分體驗探究過程，并基于程序生成的數據深度理解生物學原理與建構概念，落實生物學核心素養。數字化模擬實驗程序適用于教學中多場景多設備的重復使用，支持多人并行操作，師生可以利用臺式電腦、平板電腦、智能手機或觸摸屏電視等常用設備訪問程序，無需安裝即可使用，便于開展教學、評價與反饋。

另一方面，數字化實驗應與常規實驗教學優勢互補^[5]，有效解決初中生物學實驗教學難點。研究表明，數字化實驗教學過度關注學生呈現實驗過程、結果數字化，過分強化了數字化在人的發展中的作用。因此，數字化實驗不可濫用，數字化實驗應與常規實驗教學優勢互補，從而有效解決初中生物學實驗教學中的難點。此外，教師參與數字化實驗的開發與應用有著積極作用，不僅有助于實驗教學中實際問題的解決和數字化資源的共建共享，提升實驗教學質量；而且能有效提升教師數字素養，推動數字化教學進程。

筆者以“人的性別決定”教學為例，驗證了數字化模擬實驗在初中生物學教學中的有效性。未來可拓展至遺傳規律模擬、生態系統建模等領域，同時需關注：依據教學內容選擇數字化工具，避免技術濫用；構建區域化、校本化的數字化實驗資源共享平臺，推動教育公平。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育生物學課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 解凱彬.信息技術賦能生物學實驗教學的實踐與思考[J].中小學數字化教學，2023（1）：5-9.

[3] 張春雷.模擬仿真實驗教學的學習理論基礎與教學應用策略[J].生物學通報，2023（10）：56-62.

[4] 禹萍.運用Excel 2010模擬“精子和卵細胞隨機結合”的實驗[J].生物學教學，2021（2）：42-43.

[5] 劉波，李永團，劉文成.生物學數字化實驗教學實施的困境與突破[J].教學與管理，2024（13）：59-62.

（作者趙麗麗系江蘇省南京市江寧區周崗學校理化生教研組組長、一級教師，華東師范大學生命科學學院非全日制在讀碩士研究生；張桂梅系江蘇省南京市齊武路初級中學正高級教師；張春雷系華東師范大學生命科學學院副教授）

責任編輯：祝元志