基于大樣本的性別遺傳虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建：初中生物學(xué)項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)

在數(shù)字化教育浪潮的推動(dòng)下，生物學(xué)教學(xué)亟待革新?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”）明確提出，教師應(yīng)運(yùn)用模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)字化資源，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性、生動(dòng)性和豐富性[1]。然而，傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中常因樣本量小、數(shù)據(jù)偏差大、拓展性差等問(wèn)題，難以助力學(xué)生深刻理解抽象的生物學(xué)概念，如“生男生女機(jī)會(huì)均等”。為解決這一問(wèn)題，筆者基于JavaScript和HTML語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了“人的性別決定”數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)程序，設(shè)置提出問(wèn)題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、控制變量、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、自主創(chuàng)新、拓展實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，促進(jìn)學(xué)生基于數(shù)據(jù)對(duì)“人的性別決定”實(shí)驗(yàn)探究中重要概念的理解和科學(xué)探究能力的提升，有效解決學(xué)習(xí)難點(diǎn)。實(shí)踐表明，該程序顯著提高了學(xué)生對(duì)生物學(xué)概念的理解，增強(qiáng)了科學(xué)探究能力，為初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了新思路與實(shí)踐范例。一、基于課標(biāo)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求與研究?jī)r(jià)值（一）教學(xué)痛點(diǎn)課標(biāo)要求學(xué)生理解“兩種精子與卵細(xì)胞結(jié)合的機(jī)會(huì)相等，后代中男性和女性的比例一般為1∶1”，并建構(gòu)次位概念“人的性別是由性染色體的組成決定的”。然而，傳統(tǒng)教學(xué)中無(wú)法進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，一般通過(guò)抽/抓取雙色紙片、棋子或用小球等簡(jiǎn)易教具進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)探究。但這種方式存在諸多問(wèn)題：分組實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備與展示難度大、樣本量不足、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性不足及實(shí)驗(yàn)拓展性欠缺等，尤其是因樣本量不足而造成的實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)明顯偏離1∶1這一理論預(yù)期，難以基于數(shù)據(jù)得出“生男生女概率均等”這一結(jié)論。（二）研究?jī)r(jià)值數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)是數(shù)字化教學(xué)的重要組成部分，指的是利用虛擬仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)分析軟件或數(shù)字化實(shí)驗(yàn)程序等進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)，不僅可以作為呈現(xiàn)生命現(xiàn)象的教學(xué)資源，還可以作為科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建科學(xué)知識(shí)、體驗(yàn)科學(xué)過(guò)程、深化對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。相關(guān)研究表明，數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝻@著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)探究能力，優(yōu)化教學(xué)效果[2]。因此，在數(shù)字化教學(xué)背景下，利用數(shù)字化技術(shù)賦能初中生物學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要意義[3]。二、數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)思路“人的性別決定”數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)程序基于HTML和JavaScript/TypeScript技術(shù)，采用Angular框架構(gòu)建網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用，利用JavaScript中的隨機(jī)函數(shù)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生隨機(jī)值，使精卵結(jié)合的過(guò)程實(shí)現(xiàn)隨機(jī)化，可實(shí)現(xiàn)新生兒的性別模擬[4]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用random（）這個(gè)隨機(jī)方法來(lái)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(shù)等變量，最終合并、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并以表格的形式進(jìn)行直觀呈現(xiàn)。該程序的核心算法如圖1所示。核心算法首先模擬每個(gè)家庭的新生兒數(shù)目，然后進(jìn)行二次模擬（對(duì)每個(gè)新生兒的性別進(jìn)行模擬）并匯總。模擬每個(gè)家庭的新生兒數(shù)目時(shí)，程序會(huì)產(chǎn)生一個(gè)1到100之間的隨機(jī)數(shù)rand，當(dāng)隨機(jī)數(shù)的數(shù)量足夠多時(shí)，它一定會(huì)均勻分布在1到100之間，這樣，以（55，35，8，2）這個(gè)分布為例，rand值在1至55，表明當(dāng)前是一孩家庭；56至90，表明當(dāng)前是二孩家庭；91至98，表明當(dāng)前是三孩家庭，超過(guò)98即表明當(dāng)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(shù)據(jù)，生成一個(gè)0至1范圍以內(nèi)的隨機(jī)數(shù)并賦值為v。以0.5為中點(diǎn)，v的值落入0至0.5以內(nèi)的概率，以及落入0.5至1以內(nèi)的概率應(yīng)該是相等的。以此概率分布為理論基礎(chǔ)，對(duì)v進(jìn)行比較，如果v≥0且vlt;0.5，表明是女孩，當(dāng)v≥0.5時(shí)，表明是男孩；如當(dāng)前是男孩，將boys變量的值增加1。經(jīng)過(guò)以上兩輪模擬，便可產(chǎn)生兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)：新生兒總數(shù)及男孩數(shù)目，兩者相減便能得出女孩數(shù)目?！叭说男詣e決定”數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)程序的算法流程圖如圖2所示。綜上所述，數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)離不開(kāi)高效算法設(shè)計(jì)，它能夠顯著減少系統(tǒng)資源的消耗以及總模擬時(shí)間。由于當(dāng)前算法的時(shí)間復(fù)雜度為O（n），空間復(fù)雜度為O（1），所以它能夠有效支持千萬(wàn)乃至上億數(shù)量級(jí)的家庭樣本模擬。實(shí)際測(cè)試使用過(guò)程中，在intel-9700H的CPU上，模擬一千萬(wàn)家庭時(shí)用時(shí)約1s，一億家庭時(shí)用時(shí)約12s，因此能夠明顯提高模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效率，為初中生物學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了較好的技術(shù)支撐。三、數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)在初中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)程序?yàn)閷W(xué)生提供了探究環(huán)境，讓學(xué)生完整體驗(yàn)“提出問(wèn)題、作出假設(shè)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、表達(dá)交流等”科學(xué)探究過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生對(duì)“人的性別決定”實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中的重要概念的理解和科學(xué)探究能力的發(fā)展。（一）提出問(wèn)題，作出假設(shè)課前教師將模擬實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程記錄表（見(jiàn)表1）發(fā)給學(xué)生，便于學(xué)生根據(jù)科學(xué)探究的一般步驟開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)，并及時(shí)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。教師圍繞“生男生女機(jī)會(huì)均等嗎？”這一關(guān)鍵性問(wèn)題，組織學(xué)生開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，并根據(jù)問(wèn)題作出假設(shè)。（二）設(shè)計(jì)方案，控制變量在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，充分利用數(shù)字化資源，激發(fā)學(xué)生參與探究的熱情。教師激勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施階段發(fā)散思維，明確設(shè)計(jì)思路、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟等方面的內(nèi)容，幫助學(xué)生更深入地思考和理解實(shí)驗(yàn)。首先，教師對(duì)“人的性別決定”數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)程序的使用進(jìn)行介紹與演示，引導(dǎo)學(xué)生思考與討論如何設(shè)計(jì)該模擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)生訪問(wèn)網(wǎng)站（https：///）或掃描二維碼進(jìn)入程序。然后，學(xué)生按照自己的想法形成初步的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，并填寫在“人的性別決定”模擬實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程記錄表中，再自主運(yùn)用程序進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。例如，有的學(xué)生設(shè)置“一孩家庭概率為100%”“家庭總數(shù)為10”，然后點(diǎn)擊“生成”按鈕跳轉(zhuǎn)至實(shí)驗(yàn)結(jié)果頁(yè)面。此時(shí)，區(qū)域2和區(qū)域3分別顯示本輪模擬實(shí)驗(yàn)的后代性別比例餅圖和本輪模擬實(shí)驗(yàn)的10組家庭后代性別決定過(guò)程（含人的性別決定示意圖），區(qū)域4顯示本輪模擬實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)顯示“輪數(shù)：1”“家庭總數(shù)：10”“子女總數(shù)：10”“男孩數(shù)（比例）：4（40%）”和“女孩數(shù)（比例）：6（60%）”。由此可知，本輪模擬實(shí)驗(yàn)的10個(gè)家庭后代中男女性別比例為2∶3。數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)程序?qū)⒑蟠?、生女的結(jié)果渲染成紅、藍(lán)兩色的餅圖并呈現(xiàn)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(xiàn)，“XY”則以男孩頭像和藍(lán)色文字呈現(xiàn)，使得男女性別在圖像和色彩上有了區(qū)分，讓學(xué)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(gòu)“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(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)程序設(shè)置樣本量大小可變，學(xué)生在探究過(guò)程中可按照自己的想法設(shè)置樣本量模擬不同的場(chǎng)景，從而克服了樣本量不足、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性不足的困難。例如，有的學(xué)生想知道當(dāng)樣本量繼續(xù)擴(kuò)大至一千、一萬(wàn)、十萬(wàn)、百萬(wàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)怎樣的結(jié)果，有的學(xué)生想模擬二孩、三孩、四孩等多孩家庭后代性別比例結(jié)果，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生大膽嘗試控制變量，進(jìn)行新一輪的模擬實(shí)驗(yàn)。（三）分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論每一輪模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束，程序即時(shí)生成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)每輪模擬實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。學(xué)生發(fā)現(xiàn)隨著樣本量的不斷擴(kuò)大，后代性別比例逐漸趨于1∶1，因此得出“生男生女機(jī)會(huì)均等”的結(jié)論。教師組織學(xué)生回顧探究過(guò)程并展示，對(duì)探究過(guò)程與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展。此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生基于數(shù)據(jù)分析思考“生男生女機(jī)會(huì)均等”的原理：由于男性的性染色體組成是XY，因此在生殖過(guò)程中可以產(chǎn)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(shù)目是相等的；女性的性染色體組成是XX，因此在生殖過(guò)程中只能產(chǎn)生一種含有X染色體的卵細(xì)胞。精卵結(jié)合時(shí)，兩種精子與卵細(xì)胞結(jié)合的機(jī)會(huì)均等，因此后代中男性和女性的比例一般為1∶1。最終，學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建構(gòu)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(jī)會(huì)均等嗎？”這一探究活動(dòng)容易演變成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，教師在該探究實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，鼓勵(lì)學(xué)生思考與討論自主創(chuàng)新生成新問(wèn)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(guān)聯(lián)？”引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)程序開(kāi)展拓展探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入探究，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)“人的性別決定”模擬實(shí)驗(yàn)拓展探究過(guò)程記錄表開(kāi)展思考討論、拓展實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)并實(shí)施、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并得出結(jié)論，最終解決新問(wèn)題。例如，學(xué)生設(shè)置“家庭總數(shù)為1”，共模擬10輪，發(fā)現(xiàn)：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(méi)有關(guān)聯(lián)”的結(jié)論。教師隨后指出“如果人們單純追求生男或生女，就會(huì)打破生育的自然規(guī)律，導(dǎo)致人類社會(huì)性別比例失調(diào)，影響社會(huì)的穩(wěn)定和發(fā)展”，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。最后，教師呈現(xiàn)近年來(lái)我國(guó)新增出生人口數(shù)量調(diào)查表，引導(dǎo)學(xué)生討論思考出生率持續(xù)下降對(duì)國(guó)家與社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生的影響，關(guān)注人口問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，凸顯生物學(xué)學(xué)科的育人價(jià)值。四、總結(jié)與啟示一方面，數(shù)字化技術(shù)優(yōu)化了生物學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究過(guò)程，有利于落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)。數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制，激發(fā)潛能和創(chuàng)造力，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)程序具有過(guò)程可視化、結(jié)果數(shù)據(jù)化、內(nèi)容拓展化和資源共享化等優(yōu)點(diǎn)，能即時(shí)生成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生有充裕的時(shí)間進(jìn)行數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施、數(shù)據(jù)分析和表達(dá)交流，有助于充分體驗(yàn)探究過(guò)程，并基于程序生成的數(shù)據(jù)深度理解生物學(xué)原理與建構(gòu)概念，落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)。數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)程序適用于教學(xué)中多場(chǎng)景多設(shè)備的重復(fù)使用，支持多人并行操作，師生可以利用臺(tái)式電腦、平板電腦、智能手機(jī)或觸摸屏電視等常用設(shè)備訪問(wèn)程序，無(wú)需安裝即可使用，便于開(kāi)展教學(xué)、評(píng)價(jià)與反饋。另一方面，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[5]，有效解決初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難點(diǎn)。研究表明，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)度關(guān)注學(xué)生呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、結(jié)果數(shù)字化，過(guò)分強(qiáng)化了數(shù)字化在人的發(fā)展中的作用。因此，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不可濫用，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而有效解決初中生物學(xué)實(shí)