数字化游戏在高中生物学教学中的应用

游戏是一种社会文化形式。数字时代，数字化游戏发展迅猛。数字化游戏是指依托信息技术开发的，在数字化设备上运行的各类数字化软件系统，包括电脑游戏、手机游戏、网络游戏等^[1]。数字化游戏与教育结合，催生了数字化游戏学习（Digital Game-Based Learning，简称“DGBL”）。2001年，马克·普兰斯基在《数字化游戏学习》一书中指出，利用传统的教学方法与数字化游戏，将各种形式的教育内容结合起来，可以取得理想效果。学生以数字化游戏为载体进行学习，在游戏中解决问题、迎接挑战，能获得直接经验和成就感。笔者开发了一款数字化游戏“拯救抗虫棉”，并将其用于高中生物学教学，以期增强学生学习兴趣，提升效果。

一、数字化游戏的教育价值和相关数字化游戏资源

近年来，数字化游戏在语言学习、计算机编程、实验教学等领域广泛应用。研究表明，数字化游戏能为学生提供游戏化学习环境，寓教于乐^[2]。教师基于情境式数字化游戏开展探究学习活动，能有效提升学生的学习兴趣、满意度及效果，尤其能促进学生对学习内容的深度加工。此外，这种学习方式在保留记忆、发展创造性思维、培养探究实践和问题解决能力等方面有显著优势。

数字化游戏作为一种兼顾教育性与游戏性的创新教学方式，在高中生物学教学中有巨大的应用价值。高中生物学中有些知识内容所属尺度过于微观（如分子水平）或宏大（如生物圈水平），有些过程过于短暂（如光合作用）或漫长（如进化历程），有些实验因材料、设备、成本、时间和安全等原因无法在课堂上实施（如动物细胞培养）^[3]。教师用传统的教学方式难以呈现上述内容，而利用数字化游戏，可以对时空进行缩放，对过程进行加快或减慢，对操作进行模拟，进而突破时空限制，生动再现抽象的生命现象和生命活动规律，甚至为学生的学习提供身临其境的模拟情境。

目前，可用于高中生物学教学的数字化游戏资源较少，主要包含专业性、科学性较强的数字化模拟实验游戏和具有较强娱乐性的数字化游戏（见表1）。其中，前者的教学性强，但难度大、游戏性弱，且国内无中文网页，因此较难直接应用于生物学教学；后者对学生的吸引力较大，但由于设计目的是娱乐而不是教学，因而主题比较有限、内容不够精确完整，侧重玩乐体验，难以满足教学要求，甚至可能存在科学性问题。如果不经筛选直接将数字化游戏用于教学，不仅会占用过多时间，而且会给学生建构重要概念造成负面影响。因此，基于高中生物学教学内容和学生认知水平，开发新的兼具教育性和游戏性的多主题数字化游戏很有必要。

二、数字化游戏“拯救抗虫棉”的设计与应用

笔者与游戏软件工程师合作，设定高中生物学数字化游戏教学规则，采用国产游戏引擎Cocos Creator 3.7.2，开发了一款网页游戏“拯救抗虫棉”，并将其用于高中生物学教学。

（一）游戏主题选择

“拯救抗虫棉”游戏适用于必修2第4章“基因的表达”的教学。基因表达是一个微观抽象的动态过程，涉及物质种类较多，学生不易理解和记忆，容易丧失学习兴趣。遗传信息的转录和翻译过程是教学难点，以往教师通常使用纸片等物理模型来分别模拟转录和翻译过程。传统教学存在明显的弊端：教师需要耗费较多时间制作教具、学具；学生在模拟活动过程中无法得到即时反馈。此外，两个模拟活动缺乏联系难以让学生形成对基因表达过程的动态整体认识。

当今学生对数字化游戏的接受度高。教师将“拯救抗虫棉”融入教学，能激发学生的学习兴趣和探索欲望。这样，教师无需制作教具、学具，学生使用电脑即可操作。数字化游戏的每个操作环节都有即时反馈和对错提示，有利于学生在不断试错过程中摒弃错误认识，形成正确概念。此外，动态的数字化游戏有利于学生形成整体认识，体会基因表达过程的动态性和连续性。

（二）游戏操作流程

“拯救抗虫棉”游戏包含4个环节：情境引入—转录—翻译—结果反馈。笔者在每个环节设置若干任务，引导学生完成任务并观看游戏中的过渡动画，逐步建立对基因表达过程的认识。

1.情境引入

（1）任务：阅读来自抗虫棉的求助信，明确游戏目的——找到抗虫棉细胞中的苏云金芽孢杆菌抗虫蛋白基因，并成功表达抗虫蛋白，帮助抗虫棉抵御棉铃虫害。

（2）过渡动画：棉花植株的叶片逐步放大，最终呈现细胞结构。

设计意图：基于必修2第4章首页的引入内容，选择学生熟悉的抗虫棉来创设真实的任务情境，激发学生的学习兴趣和挑战欲望；让学生观看由个体到细胞、宏观到微观的过渡动画，增强游戏的真实感，丰富学生的视觉体验并建立正确的尺度观念。

2.转录

针对转录环节的教学，笔者设计了5项连续的任务（如图1）。

（1）任务：①找到抗虫蛋白基因所在位置；②选择基因表达的第一个环节；③选择转录所需的酶；④选择转录所需的原料；⑤根据碱基互补配对原则，选择正确的核糖核苷酸并拖到红框内，合成抗虫蛋白mRNA，完成转录。

（2）反馈与提示：在每项任务中，学生如果选择错误，会弹出提示框进行纠错。若选择正确，系统会弹出相应提示以巩固正确概念，同时学生会获得黄色星星奖励。学生每完成一项任务就会获得1颗星星，转录环节所有任务成功完成后可获得5颗星星。在任务⑤中，学生如果选择错误的核糖核苷酸，则会因其不能结合到DNA模板链上而脱落，配对错误不超过3次才能获得1颗星星。

（3）过渡动画：转录合成的mRNA从DNA模板链上释放。

设计意图：检测学生对转录的掌握情况，考查的知识点有基因表达环节，转录场所、所需的酶和原料，碱基互补配对原则等。在DNA模板链的序列设计上，采用真实的抗虫蛋白基因中一段长度为15 bp的DNA序列，创设情境。在碱基结构设计上，嘌呤为凸起，嘧啶为凹陷，用其引导学生认识到碱基互补配对与其结构相关，渗透结构与功能观。学生完成每个任务选项的选择后，系统会即时反馈和提示，帮助学生纠正错误观念，建立正确概念。学生成功完成任务可获得星星奖励，这有利于增强游戏的趣味性和学生的成就感。游戏操作简单，使用鼠标即可完成。在游戏界面左上角还设有提示信息用以指引学生每个任务场景的操作和要求。除过渡动画外，对于任务场景的转换笔者也用动画呈现，帮助学生理解转录过程的动态性和连续性。

3.翻译

对于翻译环节的教学，笔者设计了4项任务和2个动画（如图2）。

（1）任务：①选择翻译场所；②点击右框内紫色按钮，分别选择正确的氨基酸和tRNA后拖到红框中，完成翻译；③选择肽链初步加工场所；④选择肽链进一步加工场所。

（2）反馈与提示：学生选择错误或正确，提示同上。在任务②中，学生如果选择错误的氨基酸或反密码子，那么会因不能结合到mRNA上而脱落，全部选择正确可获得2颗星星，错误1—3个只获得1颗星星，错误超过3个则不能获得星星。学生完成翻译环节所有任务可获得5颗星星。

（3）过渡动画：①mRNA通过核孔进入细胞质；②肽链依次经过内质网、高尔基体加工后，通过囊泡运出细胞。

设计意图：检测学生对翻译的掌握情况，考查的知识点有翻译场所，所需原料、工具，mRNA上密码子与tRNA上反密码子及其携带氨基酸的对应关系，蛋白质的加工过程和场所等。在任务②中，搭建了氨基酸原料库和tRNA工具库，学生需根据mRNA上的密码子信息分别选择正确的氨基酸和tRNA反密码子。任务难度较大，旨在测评学生对密码子与反密码子及氨基酸对应关系的理解，帮助学生在试错过程中建立正确认识。为降低难度，节省操作时间，氨基酸原料库和tRNA工具库中均只设置10个选项。

4. 结果反馈

任务：学生查看转录和翻译环节的得分，并阅读来自抗虫棉的感谢信。

设计意图：学生查看得分，分析基因表达过程中存在的问题，进行评价。星级奖励和感谢致信给学生带来成就感，会增强游戏的趣味性。

（三）“拯救抗虫棉”数字化游戏在高中生物学教学中的应用

1.“拯救抗虫棉”数字化游戏适用的课型

“拯救抗虫棉”可应用于必修2第4章第1节“基因指导蛋白质合成”的新授课，在学生已经学习基因的转录和翻译过程并初步建立“基因的表达”概念模型的基础上，教师可利用此游戏引导学生自主评价并对概念模型进行完善。教师还可利用此游戏开展高三复习课的教学，让学生参与游戏以唤醒和巩固相关概念，从而减少课堂上对相关知识内容的重复学习。

2.借助“拯救抗虫棉”数字化游戏开展新授课教学

笔者将“拯救抗虫棉”融入“基因指导蛋白质合成”新授课的教学中，按“游戏准备—互动与检验—评价与总结”的思路（如图3），开展数字化游戏教学。

（1）游戏准备

在数字化游戏教学模式下，学生游戏前需做好知识准备和游戏启动准备。

如何做好知识准备？笔者带领学生对布拉奇特（Brachet）的洋葱根尖和变形虫实验、戈尔茨坦（Goldstein）和普劳特（Plaut）的变形虫核移植实验等资料进行分析，让学生探寻基因与蛋白质间的信使物质。笔者提供布伦纳（Brenner）和梅瑟森（Meselson）的噬菌体侵染细菌实验、马莫（Marmur）等的噬菌体侵染枯草芽孢杆菌实验等资料让学生分析并观看视频，使其了解转录过程。之后，学生阅读科学史资料，了解遗传密码破译的过程，厘清氨基酸和密码子的对应关系；分析图文，掌握翻译工具tRNA的结构与功能，深化认识；观看动画，自主学习翻译及翻译后的蛋白质加工过程。

在游戏启动准备阶段，笔者介绍“拯救抗虫棉”游戏，明示目标、规则、操作注意事项及结果，保证游戏能顺利进行后向学生电脑发送游戏。

（2）互动和检验

游戏过程中，学生自主在电脑上操作，点击或拖曳鼠标进行交互，并利用准备阶段所掌握的知识和技能完成任务。学生相互交流有利于唤起准备阶段时所学的新内容，起到巩固和加深记忆的作用。此阶段，教师不要打断学生游戏，以免分散学生注意力、破坏游戏氛围。教师可观察了解学生游戏进展，控制游戏时间，并在学生有需要时给予提示和帮助。

（3）评价与总结

游戏结束后，学生根据不同环节的得分情况进行自我评价，总结游戏得失，交流体会。最后，笔者引导学生总结游戏重点并与准备阶段所学知识进行融合，完善“基因的表达”概念模型。

3.教学效果与学生反馈

笔者将“拯救抗虫棉”数字化游戏与“基因的表达”知识内容有机融合，开展数字化游戏教学。从课堂教学效果来看，学2m4rW/kiMcOSoqdrxPPGQQ==生参与度较高，课堂氛围融洽，效果较好。课后，笔者以调查问卷方式收集并分析学生对数字化游戏教学的评价信息（见表2）。

调查结果显示，学生对数字化游戏教学给予肯定评价。96.6%的学生认为能提高学习兴趣；98.9%的学生认为有助于更好地理解基因表达的微观、抽象过程；88.5%的学生认为能纠正一些错误认识，其中最主要的两点是“认为tRNA上反密码子决定氨基酸的种类”和“不清楚翻译后蛋白质加工的过程和场所”；90.7%的学生认为有助于建立整体联系；所有学生希望以后能有更多的数字化游戏融入生物学教学中。

三、数字化游戏教学展望

教师开展数字化游戏教学应以人为本，让学生在轻松、愉快、积极的环境下学习，挖掘学生自身的潜能，提升主观能动性，以提高课堂教学质量。实践证明，数字化游戏教学在增强学生学习兴趣，纠正学生错误认识，直观呈现微观、连续、动态的生命活动过程等方面均具有显著优势。学生对数字化游戏学习的接受度很高，他们迫切希望有更多的数字化游戏融入生物学课堂。

数字化游戏教学前景广阔。笔者开发的“拯救抗虫棉”数字化游戏可应用于“基因指导蛋白质合成”的新授课和复习课教学，此类以数字化游戏再现微观、抽象生命现象的教学模式也可应用于其他章节的教学，如必修2第3章第2节“DNA的结构”和第3节“DNA的复制”、选择性必修3第3章第2节“基因工程的基本操作程序”等。此外，数字化游戏也适于一些尺度过于宏大或过程过于漫长的知识内容的教学，如种群的数量变化、生态系统的物质循环、群落的演替、生物的进化等。未来，需要进一步开发更多的数字化游戏用于高中生物学教学。

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》在教学建议中指出，要充分利用信息技术提高课堂教学效率，学校和教师要重视信息化环境下的学习，积极开发和利用信息技术课程资源，改进教学方式。数字化游戏教学是一种符合信息时代特点、响应课标要求的创新教学方式。融入数字化游戏的高中生物学教学在数字时代一定会绽放独特的光彩。

注：本文系国家新闻出版署出版融合发展（人教社）重点实验室、人民教育出版社人教数字教育研究院2022年度重点课题“基于数字资源与技术的生物学科教学创新实践研究”（课题编号：RJA0222002）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 段明希.数字化游戏学习的研究[D].上海：华东师范大学， 2008.

[2] Shaffer D W. How computer games help children learn[M].New York： Palgrave Macmillan，2006.

[3] 谭永平.期待数字化与生物学教学实现“细胞融合”[J].中小学数字化教学，2022（5）：1.

（作者左亚男系北京汇文中学教师；郭世纯系清华大学研究生；李霞系北京市东城区教育科学研究院正高级教师）

责任编辑：祝元志