基于“DeepSeek+VSCode”的生物學模擬實驗程序開發

隨著數字技術與人工智能（AI）的迅猛發展，中小學課堂教學正經歷深刻變革。《教育強國建設規劃綱要（2024一2035年）》明確提出，要促進人工智能助力教育變革。然而，當前高中生物學模擬實驗的教學效果仍不理想，原因之一是缺乏現成的、適用性強的教學應用程序，難以實現教學情景的“模擬真實”[1]。AI在代碼生成、錯誤診斷和提供編程建議等方面展現出卓越能力，利用AI開發程序并應用于教學是AI賦能教學的重要途徑[2]。本文以人教版高中生物學必修2中的“探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響”模擬實驗為例，基于“DeepSeek + VSCode\"平臺，經歷平臺搭建、程序初構、功能完善和界面優化四個環節，開發生物學模擬實驗程序，為教師零基礎進行程序開發與教學應用提供參考。自前開發的實驗程序具有發掘個性功能、豐富運行終端、把握應用契機等應用優勢，未來可在開發內容、開發流程、程序功能三個方面繼續優化。

一、基于“DeepSeek + VSCode”的模擬實驗程序開發流程

“探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響”是人教版高中生物學必修2中的一個模擬實驗，該課教學要求教師創設數字化的問題情境。現階段，學生只能利用表格，通過填表完成實驗，實驗過程被煩瑣的計算充斥，且學生無法直觀地觀察到基因型頻率和基因頻率的變化。即使教師嘗試使用Exce1輔助數據處理以解決煩瑣計算問題，也無法避免數據的重復填充，并且難以達到模擬現實中真實多變的環境。因此，開發適合本實驗的教學應用程序，提升教學效率和效果尤為重要。

（一）平臺搭建

AI與編程工具是零基礎開發程序的常見組合。DeepSeek是優秀的本土AI工具，VisualStudioCode（以下簡稱“VSCode”）是輕便高效的編程工具。以“DeepSeek + VSCode”平臺協作，可以助力教師零基礎開發實驗教學應用程序。具體步驟如下：首先安裝Python軟件，構建程序運行環境；隨后與DeepSeek對話，輸出Python程序；接著將Python程序復制至VSCode編程工具中運行和調試；最后在經歷多輪錯誤提示修正、教學需求適配、自定義功能完善后，生成.exe文件，程序開發完成（如圖1）。

圖1基于“DeepSeek + VSCode”的模擬實驗程序開發流程

（二）程序初構

DeepSeek輸出的程序質量與輸入的提示詞密切相關。使用“目的 + 程序格式 + 具體要求”結構化提示詞，能顯著提升其輸出程序的質量。開發“自然選擇對種群基因頻率變化的影響”模擬實驗的程序并不復雜，可以直接使用Python自帶的Tkinter圖形用戶界面庫。

程序初構過程中使用的提示詞為：“為了提升‘探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響’的教學效果，請用Python編寫一個以Tkinter構建界面的程序，具體要求如下：（1）教師能夠自定義模擬世代；（2）提供‘調整適應度’的控制元件，使教師能在任意一代中改變自然選擇所影響的基因型個體；（3）提供折線動畫能實時顯示各基因型頻率的變化。”生成的程序如圖2，運行效果圖如圖3所示。

（三）功能完善

程序初次運行所建構的模型一般難以滿足要求，需要教師進一步調試。通常調試過程中會出現以下三種情況。（1）VSCode終端提示出錯。程序調試過程中可能出現VSCode終端提示程序存在錯誤的狀況，使用“輸出程序存在以下問題：（復制粘貼VSCode終端輸出的錯誤提示），請對程序進行進一步優化”的提示詞反饋給DeepSeek，其能迅速進行錯誤診斷和故障排除。（2）程序運行效果未滿足基礎教學需求。以圖3為例，圖中三種基因型的個體全部滅絕，這與生物學規律相悖；圖中“暫停”與“調整適宜度”默認被整合為同一元件，這對于教師課堂操控不友好。若使用“保持基礎 + 調整方向”結構化提示語模板，則能有效解決此類問題。（3）添加自定義功能模塊。如添加基因頻率和基因型頻率的實時輸出表格，其輸出數據能與各基因型在折線圖的增減同步變化，使學生能夠更好地代入課堂情境，引發其深度思考。

圖3程序初次運行效果圖

程序功能完善期間使用的提示詞為：“請在保持已有程序功能的基礎上對以下內容進行優化：（1）修正AA、Aa和aa三種基因型的和不為1且所有基因型個體都逐年減少的問題，使其符合生物學規律； （2）暫停鍵與調整增減百分比鍵分開，使教師能夠自由調控；（3）將調試初始A基因頻率的輸入窗口改為調試三種基因型頻率； （4）在動畫區域右側以表格形式實時顯示各基因型頻率和基因頻率隨世代實時變化的數值。”等功能完善后運行效果，如圖4所示。

（四）界面優化

教師完善程序的基本功能和自定義模塊后，可以對用戶界面進行進一步優化，提升程序的可觀察性、可操作性和可展示性。以圖4中的運行效果為例，對其進行界面優化的提示詞為：“請在保持已有程序功能的基礎上進行以下優化：（1）為使學生能夠有更好的視覺體驗，請增天字號，提升控制元件和窗口的尺寸；（2）為更符合教材內容，請將等位基因由A和a改為S和s輸出；（3）動畫區域折線圖標題和縱橫坐標的中文名稱無法顯示，請將動畫區域的中文改為英文。”界面優化完成后程序運行效果如圖5所示。將開發完成的“自然選擇對種群基因頻率變化的影響模擬實驗”程序打包成.exe文件，該程序即可在任意Windows設備中使用。

圖4程序功能完善后運行效果圖

二、基于“DeepSeek+VSCode”開發的模擬實驗程序應用優勢

圖5界面優化后運行效果圖

模擬實驗程序具備輕量化和自定義程度高等特點，其在應用中能夠滿足多元需求、擴展適用場景，并實現模擬實驗教學過程中“虛實結合，協同提質”。

（一）發掘模擬實驗程序的個性功能，滿足多元需求

傳統模擬實驗教學中，借助黑白卡紙和黑白豆作為實驗材料、學生扮演“捕食者”模擬環境影響，不可避免會因為學生主觀因素而產生實驗誤差，并且學生的思考時間在實驗過程中會被煩瑣的計算擠占[3。借助“自然選擇對種群基因頻率變化的影響模擬實驗”程序，不僅能有效解決以上問題，而且能進一步滿足多元的教學需求：一方面，實驗程序能夠模擬教材中的數字化情境，精準計算教材創設的“工業發展，樹干變黑”情境下，自然選擇對種群基因頻率變化在第 2～10 年間的影響；另一方面，自然選擇的方向受環境等自然因素的影響會發生不確定的改變，可在數字化模擬過程中巧妙地運用“暫停／繼續”和“調整增減百分比”功能，實現高效模擬教師自定義情景下，自然選擇方向突然改變對不同基因型個體存活率的影響（如圖6）。

（二）豐富模擬實驗程序的運行終端，擴展適用場景

模擬實驗程序的開發，使得生物學實驗教學不再局限于實驗室或課堂。在教學場景中，教師可在教室一體機上打開模擬實驗程序，基于情境引導學生從種群和基因的角度認識進化現象。這一過程中，學生能直觀地觀察實驗過程和結果，并成功構建“具有優勢性狀的個體在種群中所占比例將會增加”這一重要概念，進而達成教學目標。在預習場景中，學生可在平板電腦上打開模擬實驗程序，將生硬的文本預習轉變為生動的數字模擬，借助程序中動畫折線圖實時展示的三種基因型頻率隨年份的變化曲線，以及窗口右側同步輸出的基因型頻率和基因頻率表格，進一步提升識圖讀表能力。

（三）把握模擬實驗程序的應用時機，增強應用效果

新穎的數字化實驗能顯著提升學生的學習熱情，也能加深學生對知識的理解程度，但多數學生并不希望用數字化實驗完全代替實物操作[4]。因此，模擬實驗程序的應用契機應聚焦于“虛實協同”，借助程序處理重復問題的先天優勢，提高學生親身參與程度和增強其動手實踐能力，以起到“減負增效”的作用。如在課堂教學中，依據教學情境組織學生對樺尺蛾基因型頻率和基因頻率的變化開展適度演算，讓學生理解相關生物學原理，確保學生的有效課堂參與。隨后，教師使用“自然選擇對種群基因頻率變化的影響模擬實驗”程序對實驗進行數字化模擬，使學生對“生物進化的本質是種群基因頻率在自然選擇作用下發生的定向改變”這一概念理解更加準確。

三、總結與展望

基于“DeepSeek + VSCode”平臺進行程序開發，主要有以下三點優勢：一是開發門檻低，可以實現教師零基礎開發教學應用程序；二是程序效果好，開發的教學程序能滿足學生差異化的學習需求；三是適用設備廣，平臺支持多種計算機語言，開發的教學程序能夠在多種設備上運行。

“探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響”是基于“DeepSeek + VSCode”平臺進行教學應用程序開發的一次嘗試。隨著AI技術的迅速發展，未來還能在以下三個方面進一步完善。一是開發內容多元化。以宏觀模擬實驗為例，教師可以就“孟德爾的豌豆雜交實驗”“細胞大小與運輸速率的關系”等開發更多類似的模擬實驗程序；此外，微觀結構的數字化也大有可為，教師可將開發流程遷移到“ AI⁺ 建模”以設計葉綠體和線粒體等三維結構模型，將書本上的文本描述和圖片轉換為虛擬互動，輔助學生直觀地認識微觀結構。二是開發流程簡易化。教師可以嘗試使用Cursor、Trae等AI代碼編輯器，避免在AI軟件和編程工具間重復切換，提高程序開發效率。三是程序功能多樣化。教師可以自主添加“預習題”“復習題”“實驗原理”等交互元件，將教學程序轉化為知識學習平臺，進一步支持學生居家自學、課堂小組交流等多樣化的學習場景。

注：本文系贛南師范大學博士科研啟動項目“中學生物學教師實驗設計能力研究”（項目編號：415252）的研究成果。

參考文獻

[1]周序．有趣的真實：教學情境創設的思路轉向[J].課程·教材·教法，2025（5）：75-81.

[2]陳余，林琦，鄭好，生成式人工智能在數字化模擬孟德爾雜交實驗中的應用[J].生物學教學，2025（2）：48-50.

[3]沈小青.“自然選擇對種群基因頻率變化的影響”的模擬實驗[J].生物學教學，2020（1）：46-48.

[4]曾凡偉.虛擬實驗在高中生物教學中的應用及評價[J].中學生物教學，2016（11）：43.

（作者呂振華系贛南師范大學生命科學學院碩士研究生；曾凡偉系贛南師范大學生命科學學院副教授，本文通訊作者；李中陽系贛南師范大學生命科學學院副教授）

責任編輯：祝元志