仿真技術(shù)在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

摘：要：本文以“性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)”相關(guān)內(nèi)容為例，利用仿真技術(shù)模擬生物在生殖過程中雌、雄配子的隨機(jī)結(jié)合過程，旨在通過模擬實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解遺傳因子的分離、配子的隨機(jī)結(jié)合與性狀之間的數(shù)量關(guān)系，體驗(yàn)孟德爾的假說，深入理解性狀分離比知識(shí)，以期幫助教師豐富生物學(xué)教學(xué)模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂學(xué)習(xí)效率。

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。然而，在實(shí)際研究中，由于客觀條件的限制，有時(shí)無法直接對(duì)研究對(duì)象開展實(shí)物操作。教師可以采取模擬實(shí)驗(yàn)的方式解決這一問題。首先，教師需要梳理與總結(jié)已有的事實(shí)經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)理論；然后，尋找合適的替代物來替換研究對(duì)象，從而模擬研究對(duì)象的實(shí)際狀況；最后，對(duì)替代物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，幫助學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)研究對(duì)象。“性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)\"是人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化》（以下簡(jiǎn)稱“教材\"第1章第1節(jié)“孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)（一）\"中“探究·實(shí)踐\"欄目的內(nèi)容，該實(shí)驗(yàn)通過模擬生物在生殖過程中雌、雄配子的隨機(jī)結(jié)合，探究雌、雄配子隨機(jī)結(jié)合與性狀之間的數(shù)量關(guān)系。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，樣本數(shù)量越大，誤差越小，而仿真實(shí)驗(yàn)可以顯著提高樣本數(shù)量，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差。]

1教材內(nèi)容分析

教材中用甲、乙兩個(gè)小桶分別模擬雌、雄生殖器官，用甲、乙兩個(gè)小桶內(nèi)的彩球模擬雌、雄配子，用不同彩球的隨機(jī)組合模擬生物在生殖過程中雌、雄配子的隨機(jī)結(jié)合。該模擬實(shí)驗(yàn)將抽象且難以直觀感知到的遺傳因子具象化為實(shí)物彩球，幫助學(xué)生從本質(zhì)上理解遺傳因子的分離、配子的隨機(jī)結(jié)合與性狀之間的數(shù)量關(guān)系，體驗(yàn)孟德爾的假說，同時(shí)為學(xué)生學(xué)習(xí)“孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)（二）\"的內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。筆者發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中，除了學(xué)生個(gè)性差異較大導(dǎo)致課堂控制難度增大外，該模擬實(shí)驗(yàn)還存在以下

問題（見表1）。

2仿真技術(shù)

仿真技術(shù)作為一種借助計(jì)算機(jī)并依據(jù)建模開展科學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)手段，能夠通過精確的數(shù)值運(yùn)算和疑難問題求解構(gòu)建呈現(xiàn)系統(tǒng)行為或過程的仿真模型。“虛擬仿真技術(shù)\"通常是指“模擬技術(shù)\"或“模擬決策技術(shù)”，此技術(shù)能夠運(yùn)用虛擬手段、仿真技術(shù)以及相似原理構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象相一致的應(yīng)用環(huán)境模型，并通過特殊裝置將人“投射”至該虛擬化環(huán)境模型中，以此完成人與環(huán)境的交互和特定活動(dòng)，從而達(dá)到間接研究實(shí)驗(yàn)原型的目的。

在當(dāng)今社會(huì)的諸多領(lǐng)域中，仿真技術(shù)的蹤跡已隨處可見，教育領(lǐng)域亦身處其中。將前沿科學(xué)技術(shù)合理地融入教師的教學(xué)活動(dòng)中，特別是應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面時(shí)，仿真技術(shù)能夠彰顯出其顯著優(yōu)勢(shì)。教師可以利用仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，以此完成在現(xiàn)實(shí)條件下無法開展的實(shí)驗(yàn)。這種創(chuàng)新教學(xué)模式不僅能使生物學(xué)教學(xué)的形式更加多元，還能激發(fā)教師對(duì)現(xiàn)代信息技術(shù)的探索與開發(fā)潛能。教師在秉持傳統(tǒng)教學(xué)理念的基礎(chǔ)上應(yīng)用仿真技術(shù)對(duì)教學(xué)進(jìn)行升華和創(chuàng)新，極大程度地豐富了生物學(xué)教學(xué)模式，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的協(xié)同發(fā)展。

3仿真實(shí)驗(yàn)描述

3.1仿真實(shí)驗(yàn)原理

配子組合模擬過程如下： ① 首先，教師運(yùn)用偽代碼定義一組[0，999]的數(shù)字表示一系列配子，其中偶數(shù)代表含有顯性基因（以“D\"表示）的配子，奇數(shù)代表含有隱性基因（以“d”表示）的配子，以此確保含有顯性基因D和隱性基因d的兩種配子數(shù)目相同； ② 隨后，運(yùn)行偽代碼隨機(jī)獲取兩個(gè)數(shù)字，將其組合到一起，模擬配子的隨機(jī)結(jié)合（如果隨機(jī)獲取的兩個(gè)數(shù)字都是偶數(shù)，表示生成的子代基因型為DD；如果都是奇數(shù)，表示生成的子代基因型為dd，如果一個(gè)為偶數(shù)，另一個(gè)為奇數(shù)，表示生成的子代基因型為Dd）；③ 多次運(yùn)行如圖1所示偽代碼模擬配子的隨機(jī)結(jié)合，并統(tǒng)計(jì)基因型DD、Dd、dd出現(xiàn)的次數(shù)。

3.2仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

筆者運(yùn)用上述偽代碼進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到了偽代碼分別運(yùn)行100次、200次、500次所獲取的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見表2、表3、表4）。從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，隨著運(yùn)行次數(shù)的增加， DD：Dd：dd 的比例關(guān)系不斷趨近1：2：1 ，且性狀分離比不斷趨近 3：1 。

4仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)

與教材中所呈現(xiàn)的傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)相比，采用仿真實(shí)驗(yàn)具有以下多方面優(yōu)勢(shì)。

4.1顯著提升課堂效率

仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行б?guī)避因搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)器材所造成的諸多不便。教師借助計(jì)算機(jī)程序?qū)嵤╋@性基因和隱性基因的隨機(jī)抽取操作，從根本上避免了學(xué)生個(gè)人主觀意愿對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，減小了實(shí)驗(yàn)誤差。此外，仿真實(shí)驗(yàn)避免了傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)中重復(fù)抽取彩球30次以上的環(huán)節(jié)，在節(jié)約課堂時(shí)間的同時(shí)，避免了因?qū)嶒?yàn)環(huán)節(jié)較長(zhǎng)而引發(fā)課堂紀(jì)律混亂的狀況，減輕了教師的工作量和負(fù)擔(dān)。

4.2高度契合統(tǒng)計(jì)學(xué)原理

仿真實(shí)驗(yàn)程序中的樣本數(shù)據(jù)可以根據(jù)教學(xué)需求進(jìn)行靈活調(diào)整，其重復(fù)次數(shù)也能夠輕松超越教材中規(guī)定的30次，并在極短時(shí)間內(nèi)完成幾百次、幾千次甚至上萬次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。龐大的重復(fù)次數(shù)與統(tǒng)計(jì)學(xué)原理高度契合，使實(shí)驗(yàn)所得的性狀分離比數(shù)值不斷接近理論數(shù)值 3：1 ，有助于學(xué)生更直觀、深入地理解性狀分離比知識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)“孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)（二）\"奠定基礎(chǔ)。

4.3深度豐富教學(xué)內(nèi)容

仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝻@著豐富教學(xué)內(nèi)容。教師使用編程語言代替實(shí)物操作，不僅可以提高學(xué)生對(duì)生物學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，還能夠激發(fā)其對(duì)編程語言的學(xué)習(xí)熱情，促進(jìn)了跨學(xué)科知識(shí)的融合與協(xié)同發(fā)展。

5仿真實(shí)驗(yàn)面臨的挑戰(zhàn)和展望

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種能夠促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成的教學(xué)模式，其具有驗(yàn)證性、仿真性和交互性特點(diǎn)，是當(dāng)前教學(xué)改革長(zhǎng)期努力的方向，也是課程發(fā)展的新趨勢(shì)。2相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)更加靈活、高效，學(xué)生可以獲得較為直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。教師在教學(xué)中充分利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間方面存在的不足，從而提高教學(xué)效果。相關(guān)領(lǐng)域未來的研究工作應(yīng)該聚焦仿真實(shí)驗(yàn)軟件的質(zhì)量以及教師對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的接納認(rèn)可程度等方面。同時(shí)，教師應(yīng)積極探討提高仿真實(shí)驗(yàn)在高中生物學(xué)教學(xué)中普及應(yīng)用比例的有效策略與創(chuàng)新路徑。

參考文獻(xiàn)

[1祝燕飛.“性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)”教具的改進(jìn)與應(yīng)用J」生物學(xué)通報(bào)，2022，57（3）：42-43.

[2]徐益苗，趙曉燕.“NB生物初中版”構(gòu)建生物學(xué)教學(xué)體驗(yàn)環(huán)境[J].生物學(xué)教學(xué)，2018，43（10）：34-35.