中学生物学虚拟仿真实验

摘要：利用虚拟仿真平台直观化、游戏化、受众广、重探究的特点，可开展基于研究设计的、开放的生物学实验教学。教师应用虚拟仿真平台，根据需要灵活选择资源和工具，修改、设置变量参数，生成互动教学所需的新资源，通过问题串的引导，促进学生深度学习，是开展生物学探究教学的有效策略。

关键词：虚拟仿真;生物学;数字化教学

一、虚拟仿真及其与生物学教学的融合

（一）PhET虚拟仿真的由来和特点

2001年，诺贝尔物理学奖获得者卡尔·威曼（Carl Wieman）发起虚拟仿真计划（Physics Education Technology，PhET），旨在为全球小学到大学提供开放的、游戏化的、互动的STEM教育资源。PhET平台共开发了158个虚拟仿真项目，提供94种语言版本，配套案例有2 713个。PhET仿真项目的设计是基于研究的^[1]，其过程包括确立学习目标、初步设计、实践、重新设计、再实践、教室使用、最终设计几个环节，环节之间可能循环（如图1）。师生可以根据需要从PhET网站上获取需要的虚拟仿真资源。除此之外，PhET还提供使用指南（通过视频或文字介绍资源获取、使用技巧、交流方式等）、交流平台（方便教师和项目开发团队进行交流与研究）和教师工作坊（支持师生互动）等功能。教师可以根据需要选择合适的教学资源，将平台资源运用于理论教学、实验教学或课外教学中。使用者可以通过网络在线使用，也可以下载离线版本在电脑上运行。教师可以通过平台分享教学经验。

基于PhET虚拟仿真技术的教学有以下特点。

其一，适用对象广泛。PhET虚拟仿真研究团队起初只开发了物理仿真项目，后扩展到化学、生物学、地球科学、数学，为STEM教育提供强大资源支撑。项目资源覆盖从小学到大学的各个学段，并且同一个仿真项目往往适用于多个学段。不同学段的学生可灵活选用项目素材。

其二，注重仿真的直观化、游戏化。PhET项目组在开发之初，便提出了基于研究进行设计的理念，重视项目的交互性、情境化、游戏化、参与性，以此促进学生学习。这一理念集中表现在项目的游戏化和直观化上。游戏化表现在以游戏的方式互动，突出教学的交互性、参与性。直观化主要表现：一是通过真实的科学事件或者实验场景创设虚拟实验场景;二是引入大量形象化图形和动画，帮助学生理解概念。

其三，注重实验的可探究性。PhET项目在设计上考虑很多可探究的元素，例如教师执教“自然选择”时可调节各种参数。通过转化，PhET项目的调节参数可以转化为探究性实验的自变量，而观测指标则可以转化为因变量。

（二）与中学生物学教学的融合

PhET平台加载的生物学教学资源可供小学到大学的不同阶段各类人群使用。虽然相对物理而言，生物学相关的教学资源较少，但关系密切，涉及遗传学、细胞生物学、分子生物学、生态学多个领域。中学生物学越来越需要这些资源。笔者以部分虚拟仿真项目为例，说明其与中学生物学教学的融合（见表1）。

二、借助虚拟仿真平台开展生物学教学

PhET开发团队设置了教学目标，辅助师生选择项目并使用资源。教师可以根据需要，针对课型和教学方式选用PhET项目及资源。例如，Granada Hills在格拉纳达山特许高中教学时使用“自然选择”项目及资源，成功开展了实验教学和课后拓展活动。下面，笔者以该项目教学为例，阐述PhET在生物学教学中的应用。

（一）“自然选择”教学目标

PhET项目开发团队负责设计项目教学目标或学习目标。PhET项目适用的对象较广，目标包含的信息较全面，在教学过程中，教师需要根据实际情况进行选择。“自然选择”项目教学的目标：模拟在不同环境下，不同突变、环境因子对兔子种群数量、性状、基因的影响，帮助学生理解自然选择的概念。目标呈现如下。

教学目标：

目标1：在天敌和食物种类作用下，确定哪些是有利突变，哪些是中性突变。

目标2：描述哪些特征改变了生物在不同环境中的生存能力。

目标3：在兔子种群稳定、兔子濒临灭绝和兔子过度繁殖3种环境下进行实验。

目标4：跟踪多代基因。

目标5：比较显性基因和隐性基因遗传过程。

上述5个目标是平台为“自然选择”项目教学预设的，教师在使用时，需要选择或调整。例如，针对高中阶段的生物学教学，教师可选择目标2、3、4。

（二）“自然选择”系统操作

系统界面可以直观呈现项目的基本情况。教师登录系统并进入“自然选择”项目界面，根据教学需要，选择资源，设置功能。

教师通过“自然选择”项目界面选择变量因素和观测指标，操作简便，教学非常直观、生动。

（三）“自然选择”实验教学

实验导入：

问题1：你可以在此实验中影响哪些变量？

问题2：什么是基因突变？基因突变如何发生？发生的频率是多少？

问题3：适合度和适应是什么意思？两者有什么区别？

问题4：除了本实验中使用的环境因子外，还有哪些选择因素会影响兔子种群？

实验过程：

【明确目的】控制一群兔子的突变和环境，提出四个假说，并设计实验来检验每个假说。

【讲解原理】

原理1 假说格式如下：我假设（选择兔子的表型）兔子在（选择的环境类型）环境中（选择因子的类型），可能（或多或少）生存，因为……（解释它们的性状将如何利于或不利于它们生存）; 。

原理2 对于每个实验，你必须做一个对照（无突变：不发生基因突变，不增加环境因子）。

【实验步骤】

（1）对于每个实验对象，首先添加一个配偶和一个突变，等到F3代再添加选择因子。添加选择因子后，让程序运行另外3或4代，观测兔子种群数量变化。

（2）重复实验2、3和4。

【获得结论】

通过比较实验组与对照组F3的数目、最终数目，得出实验结论。

实验总结：

问题5：根据全班学生从仿真程序中得到的证据，可以得出什么结论？

问题6：无法与野外其他动物竞争的动物会怎样？

问题7：如果只有一个物种被认为是“最适合的”，为什么物种之间仍然有如此多的差异？

问题8：疾病如何影响自然选择？

问题9：此仿真程序如何模拟自然选择？该程序在哪些方面无法代表自然选择的过程？

实验教学分析：此教学案例改编自澳大利亚野兔泛滥的真实事件。借助仿真平台，学生能够直观地查看兔子种群的变化，还可以调节兔子毛色、是否有狼、食物是否充足等参数，形成几十种实验变量组合，观测兔子的数目、性状比率、家族系谱等参数。这样的实验寓教于乐。

此外，学生借助仿真平台可以设置实验变量，这为他们进行科学探究提供了很好的条件。此案例中，实验前，教师通过一系列问题，引导学生思考实验设计的一般原则，积极探究基因突变、环境因子与适应的关系。实验时，学生提出4个关于兔子的表型、环境类型关系的假说，设计对照实验，运行“自然选择”程序，记录实验结果，得出结论。实验后，学生继续讨论交流，修正实验结果，思考“自然选择”项目与自然界中自然选择现象的差异，将虚拟情境与现实世界相联系，提高解决现实问题的兴趣。PhET项目科学探究的开放性程度较高，教师通过一系列的问题引导学生参与实验，使学生的主体性体现得较为充分。

（四）“自然选择”课后拓展

教师通过“自然选择”程序还可以设置更多的探究活动。开展课后拓展活动意在弥补课堂教学的不足。在实验教学的基础上，Granada Hills设计了下列两项课外拓展活动。

课后拓展1：性状的显隐性与适应

在实验室实验基础上，改变性状的显隐性。作一个假设，完成实验，然后将结果与初始实验比较。

（1）将等位基因转换为显性和隐性等位基因对兔子数量有影响吗？做出解释。

（2）两只亲本兔子均为该性状杂合子。使用棋盘法分析原始实验和新实验，分析此证据是否支持你的发现。为什么？

（3）如果新实验进行的时间更长，最终结果会与原始实验相同还是不同？

课后拓展2：系谱分析

先添加一个配偶和一种变异。等到F5代，选择至少有四代系谱的两只兔子：一只兔子具有突变性状;另一只没有突变，但亲代或祖代发生过突变。回答下列问题：

（1）系谱有何作用？

（2）在兔子上方有一个黄色螺旋表示什么？

（3）兔子上面有红色的X是什么意思？

（4）本实验室中使用的系谱图是否准确？每对配偶只有一个后代吗？

课后拓展分析：课外拓展活动中，教师围绕适应与基因显隐性的关系、家族系谱分析等主题进行拓展。拓展1可以帮助学生理解自然选择的对象是个体，而不是基因;拓展2则有助于学生拓展思路，从家族系谱的角度研究生物进化。通过探究，学生可以进一步理解课堂所学内容。

（五）“自然选择”理论教学

PhET平台及资源同样适用于理论教学。例如，教师可以用它进行自然选择与适应的形成、种群的数量变化等内容的教学。笔者以“自然选择”项目为例建构自然选择学说概念模型。

自然选择学说概念模型的建构：

步骤1：给兔子增加配偶，运行程序。一段时间后，兔子占领了地球——有过度繁殖的倾向。

步骤2：食物有限的环境条件下，进行步骤1的操作——在此环境压力下，兔子种群数目维持相对恒定。

步骤3 ：兔子毛色出现灰色突变，后代出现灰兔， 种群有灰白2色兔子——遗传变异普遍存在。

步骤4：增加狼，观察几代不同毛色兔子的数目变化情况——发生自然选择。

理论教学分析：教师借助平台上的“自然选择”项目资源建构自然选择学说的概念模型，让学生直观地看到兔子种群数目的变化，使抽象的知识直观化。学生借助平台“数据表”，用数学的方法来分析生物学现象，跨学科思考问题。

三、启示

PhET虚拟仿真实验已在多个学科教学中深度应用。笔者认为，将该平台及资源用于中学生物学教学具有积极意义。教师在生物学的虚拟仿真实验教学中应注意以下几点。

第一，利用虚拟仿真实验，促进学生深度学习。PhET虚拟仿真实验教学中，教师以学生为中心，让学生在游戏的环境中参与科学探究活动，掌握科学概念，并通过问题串引导学生思考。这一系列的行动有利于学生深度学习的发生。我国于2019年颁布了《加快推进教育现代化实施方案（2018—2022年）》，并要求“开展国家虚拟仿真实验教学项目等建设”。将虚拟仿真应用于中学生物学教学是大势所趋。

第二，重视中学生物学教学资源开发工作。2013开始，我国着手建设国家级虚拟仿真中心，现已开发出大量的生物学虚拟仿真实验，但无一例外，所有的实验都是针对高校的，缺乏适用于基础教育的配套资源，故难以运用到中学生物学教学。目前，有必要开发适用于中学生物学教学的虚拟仿真实验。在开发中学生物学仿真项目时，可以借鉴PhET项目开发经验，组建至少包括1名软件工程师、1名科学家、1名教育行业专家的团队，基于研究进行项目开发。

第三，积极应对虚拟仿真带来的教学挑战。虚拟仿真项目的开发与应用给教学带来了诸多的便利，与此同时，在虚拟环境下学习可能存在以下问题：一是学生的注意力难以集中在学习上;二是教师难以辨别学生是在玩还是在学。PhET项目教学过程中，教师一方面要挖掘项目在科学探究方面的价值，通过开展探究活动引导学生积极参与教学过程，另一方面要重视教学设计，通过问题串进行引导，将学生的注意力集中到问题的解决中。这样做既可以体现学生的主体性，又可以突出教师的主导性，不失为虚拟仿真实验教学的一种有效策略。

注：本文系2019年岭南师范学院教改项目“运用edTPA 改革生物科学专业教育实习评价模式的研究”（立项批准号：LSJGYB1942）的阶段性成果。

参考文献

[1] Mckagan S B， Perkins K K， Dubson M， et al. Developing and Researching PhET simulations for Teaching Quantum Mechanics[J]. American Journal of Physics， 2007， 76（4）：406-417.

[2] University of Colorado Boulder. PhET Simulation Design Process[EB/OL].[2020-12-10]. https：//phet.colorado.edu/publications/phet_design_process.pdf.

（作者余海峰系岭南师范学院生命科学与技术学院助教;李德红系华南师范大学生命科学学院教授）

责任编辑：祝元志