利用Scratch设计的教育游戏改进生物实验教学

［摘 要］在教育质量与教育创新的双重驱动下，可尝试将教育游戏引入生物实验课堂，以弥补传统教学存在的不足。文章以“性状分离比的模拟实验”为例，使用Scratch编程软件设计教育游戏，并将教育游戏引入中学生物实验教学中，以期为教师提供新颖的教学形式，有效激发学生的学习动机和强化学生的学习效果。

［关键词］Scratch；教育游戏；生物实验；性状分离比

［中图分类号］ G633.91 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-6058（2024）26-0077-04

党的二十大报告对办好人民满意的教育作出了重要部署，强调要“推进教育数字化”。习近平总书记在主持中共中央政治局第五次集体学习时指出：“教育数字化是我国开辟教育发展新赛道和塑造教育发展新优势的重要突破口。”当今，人们对教育质量的要求越来越高，对教育形式也提出了“创新”的要求。教育游戏是“教育数字化”的产物之一。贺拉斯在文艺功能论中提出“寓教于乐”的观点，肯定了游戏教育的积极意义，为游戏教育提供了早期的理论支撑[1]。教师将教育游戏应用到课堂中，并在符合教学要求的前提下进行正确引导，可激发学生的学习动机和强化学生的学习效果。中学生物实验中，为节约时间、降低成本、保障安全，通常进行模拟实验，但并非所有模拟实验都能最大化课堂效益。为此，笔者建议教师尝试采用教育游戏来改进效益不佳的实验，如难以模拟或教育游戏能更快、更有效地达到教学目标的实验。

基于上述思考，笔者以“性状分离比的模拟实验”为例，将实验方案从传统的模拟实验变为教育游戏形式，运用Scratch编程软件进行设计，并将其应用到教学中。

一、结合实验背景设计游戏

Scratch是一款由美国麻省理工学院开发的面向儿童和青少年的编程软件。在该软件中，编程指令以一种清晰、直观的方式来呈现，只需要像搭积木一样将这些指令组织在一起即可完成编程任务[2]。当前，可用于设计教育游戏的编程软件有很多，如Python、C++和Java等。然而，大部分生物教师的信息技术素养尚存在不足，若要使用专业编程软件设计教育游戏，往往需要投入大量时间来提升自身的信息技术素养。相比之下，Scratch编程软件操作简单、易于上手，为没有编程基础的中学生物教师提供了一个理想的选择。鉴于此，笔者结合“性状分离比的模拟实验”的实验背景来对游戏进行设计，并利用Scratch编程软件对游戏进行编程。

（一）“性状分离比的模拟实验”的实验背景

《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020年修订）》中的活动建议提到了“模拟植物或动物性状分离的杂交实验”，而“性状分离比的模拟实验”是人教版教材必修2《遗传与进化》模块第1章“遗传因子的发现”中的重要实验。该实验旨在让学生通过模拟实验从感性上认识遗传因子的分离、配子的随机结合以及它们与性状之间的数量关系，从而体验孟德尔的假说，深刻理解性状分离比产生的原因及条件，进而突破分离定律的本质这一教学重难点[3-4]。

在进行该模拟实验时，教师通常向甲和乙两个塑料小桶分别装入20个大小相同、颜色不同的小彩球，再让学生分别从两个桶内随机抽取一个彩球，并用笔和纸记录下来，重复抽取30次。本实验操作简单，所用材料也极易获取。但若希望实验结果出现理想的性状分离比，则需要加大抽取次数以确保样本量足够大。然而，抽取次数过多时，学生在计数过程中难免会出现错误，从而无法保证实验结果的准确性和有效性。且该实验中雌、雄配子随机结合是模拟实验成功的关键，而人为抽取很难保证随机性。鉴于上述原因，在实际教学过程中，许多教师选择用观看视频或讲解的方式来完成该实验的教学，而非让学生亲手操作，说明该模拟实验的实际利用率并不高。

（二）游戏设计思路

笔者通过设计游戏来优化并弥补教材中原有实验的不足。游戏设计思路如下：首先，利用Scratch编程软件中的循环指令和能够确保随机性的条件指令来设计游戏，以克服原模拟实验中人为抽取小彩球存在的难以保证随机性的问题；其次，设计比较简单、有趣的角色来替代原模拟实验中的实验材料，并融入趣味元素以激发学生的学习兴趣；最后，设计的游戏应操作简单、耗时短，从而使学生能够亲自参与，改变以往大部分学生只能通过荧幕去观看他人的操作来验证孟德尔假说的状况。

（三）游戏编程介绍

笔者根据上述设计思路，对游戏进行编程设计（Scratch编程软件有多种版本，笔者所选用的版本为iOS系统运行的“Scratch启蒙”APP）。笔者设计了两个游戏背景。第一个背景用于展示该游戏的游戏规则（如图1）；第二个背景为“Scratch启蒙”APP素材库中的“Hearts”背景（如图2），从美学的视角出发，该背景更能吸引学生的注意力，激发学生参与课堂的兴趣。

笔者在游戏中共使用了17个角色，当中有3个角色为笔者个人上传的角色素材。这3个角色素材分别命名为“游戏失败”“游戏胜利”和“Button5”，而其余均为“Scratch启蒙”APP素材库中的角色（如图3）。其中，“抽取苹果”和“抽取西瓜”是该游戏的关键所在。笔者为它们设计了两个大小不同、标签各异的造型，对应的是教材中原模拟实验的师生在彩球上用记号笔做标记的行为，旨在通过游戏表现出杂交实验中相对性状的物种。在游戏操作过程中，学生也可以根据自己的喜好在编程界面更换自己喜欢的游戏角色。

“事件”“外观”“侦测”和“控制”类别指令是控制该游戏运行的主要指令。“事件”类别指令主要有“点击”“广播”和“接收广播”。“事件”类别指令通常是触发其他指令的前提，一旦接收到这些指令，就会触发角色、背景或者音效的出现、变换等反应。“外观”类别指令主要用于角色和舞台背景的隐藏、显示以及替换。“侦测”类别指令主要用于检测角色、舞台以及系统状态等信息。该游戏主要会运用到“响度”和“计时器”两种侦测指令。“控制”类别指令主要用于控制角色或者舞台背景执行命令。

二、教学应用

（一）教育游戏的安装

对于拥有先进教学设备的学校，教师可以提前指导学生在课前将“Scratch启蒙”APP下载并安装到他们的课堂电子设备上。这样，当课程进行到相关内容时，学生就可以直接打开并应用该软件。而对于那些无法为学生提供个人设备的学校，教师可以利用智能白板（如希沃白板）在课堂上安装后统一呈现。随后，教师可以亲自操作或挑选个别学生来演示游戏，让其他学生在观看和互动中达到共同学习的目的。

（二）教育游戏操作过程

在课堂上，教师让学生对“高茎豌豆和矮茎豌豆杂交实验的分析图解”进行讨论之后，提出：孟德尔的假说还可以通过一个实验游戏来进一步验证。接下来，教师可以组织学生或者指导学生利用智能白板打开“Scratch启蒙”APP进行操作，具体过程如下：

第一步，点击舞台左上方的绿旗，使游戏界面回到最初始的“游戏规则”背景，让学生观看游戏的大致操作流程以及注意事项。

第二步，点击“游戏开始”按钮，舞台背景随之切换，出现游戏规则中所描述的角色——苹果、西瓜和礼物盒等。笔者用水果（苹果、西瓜）来替代教材中原模拟实验的小彩球，用礼物盒来替代小桶。

第三步，根据屏幕提示，点击“将水果装进礼物盒”按钮，此过程对应模拟实验中分别把大小相同、颜色不同的20个彩球标记后放入甲、乙两个小桶的过程。

第四步，点击“抽苹果”按钮，两种不同造型的苹果就会在舞台上随机出现。

第五步，学生大声喊“停”，此时苹果停止变换造型。第四步和第五步对应模拟实验中学生抽取彩球的过程。（抽取西瓜的操作同上述抽取苹果的第四步和第五步相似）

第六步，点击“NEXT”按钮，进入下一关。该过程对应模拟实验中让学生下一次抽取彩球的过程。

在游戏中，第四步和第五步是最为关键的步骤，主要运用“循环”控制指令和“响度”变量指令。当环境响度大于某一设定值时，循环结束。学生喊“停”就是为了使当时的环境响度大于95分贝。学生需要重复以上六个操作步骤，使变量框“关卡数”的值为30，并在规定时间200秒内完成所有操作。满足这两个条件即可判断为“游戏胜利”，系统会在一秒后停止所有脚本。若超过200秒或关卡数没达到30，则在舞台上显示角色“游戏失败”，系统会在一秒后停止所有脚本。为了最大限度地节约课堂时间，并且让学生在操作过程中感受到一定的挑战，激发学生完成游戏的兴趣，笔者运用了“计时器”变量指令以及“条件”控制指令来为游戏设定时间限制。考虑到学生每次操作的时间在6秒左右，因此将操作的总时间限制在200秒内。

（三）游戏结果与交流讨论

在完成上述所有操作后，教师进一步引导学生深入思考。教师向学生提问：“我们所得到的字母组合有哪些？”学生通过仔细查看游戏界面，可以发现只有DD、Dd、dd三种组合。

随后，教师继续提问：“那么每种组合的数量是多少？”学生可以通过观察游戏界面上的“DD”“Dd”和“dd”变量积木中的数字来获得答案并作答。这一过程能够帮助学生更好地理解基因组合的多样性以及性状分离比的原理。

接着，教师让学生将所获得的数据进行计算，得出DD、Dd、dd三种组合之间的数量比。最后，教师再次提问：“依据我们计算得出的数量比，你认为孟德尔的豌豆杂交实验中子二代出现3∶1的性状分离比是偶然的吗？”学生回答：“子二代出现3∶1的性状分离比并非偶然。”

在师生讨论过程中，学生通过游戏呈现的结果来回答问题，并通过计算，亲自验证了性状分离比。教师将游戏结果与教材知识相联系，让学生通过游戏能够获得相应的生物知识，这在一定程度上提升了学生解答问题的自信心。这种自我效能感使学生未来面对学习中的挑战时更有信心，为其成长奠定坚实的基础。

三、优势分析

（一）Scratch编程软件简单易行

在Scratch编程过程中，教师首先需要规划好游戏的舞台布局和角色背景的数量，然后根据教学创意和需求，精心设计游戏的各个环节。Scratch编程的独特之处在于，它不需要像Python、C++或Java等传统编程软件那样，要求用户花费大量时间和精力去学习复杂的编程语言。Scratch更注重的是逻辑和算法思维，让教师能够通过直观的积木式指令来快速构建游戏。这种简单而直观的设计方式，不仅降低了编程设计的门槛，还使得设计过程变得轻松而有趣。

（二）教育游戏便捷有趣

在原模拟实验操作过程中，需要准备足够多的样本量来确保实验的准确性，而游戏不需要像模拟实验那样庞大的样本量，只需要两种不一样的苹果和两种不一样的西瓜就能够保证结果的准确性和随机性。通过“控制”类别指令能够随机抽取水果，并且所使用的水果角色大小不一，因此抽取过程中既能保证每一次抽取的随机性，又便于识别所抽取的水果种类。原模拟实验中，学生每抽取一次小球都需要将“抽取结果”与“抽取次数”用纸笔记录。而在游戏的第六步点击进入下一关时，“抽取结果”以及“抽取次数”都能够由系统自动记录在所显示的变量框当中，弥补了原模拟实验过程中可能出现的计数误差。

此外，该游戏设计的特点还在于游戏操作时的趣味性。笔者将其设计为声控游戏，可以增加学生的参与感和游戏的互动性，还通过添加音效，让学生在点击屏幕按钮时拥有更加真实的体验感。这样的设计鼓励学生亲自参与游戏、自主探究并验证孟德尔的假说，进一步强化了学生在课堂中的主体地位。

（三）利于学生的跨学科学习

能够独立使用课堂电子设备的学生，在操作过程中不仅可以作为玩家，还可以在编程界面上进行简单的编程操作，从而逐步形成编程思维，并培养跨学科的思维方式。若学生能够熟练运用Scratch编程软件，可以将自己的创意与生物学知识相结合来制作游戏。这种方法能够让学生深入探索生物学领域，激发学生的学习积极性和创造性，提高学生的问题解决能力。由此可见，在课堂中利用Scratch编程软件设计教育游戏开展教学，既能让学生在游戏中实现学习目标，也能让学生在一定程度上做到跨学科学习，从而培养学生的综合素质。

四、结语

笔者以“性状分离比的模拟实验”为例，通过“Scratch启蒙”APP自主编程，设计了一款与该模拟实验过程相对应的教育游戏。实践发现，“Scratch启蒙”APP能够以简单的编程操作设计出符合教学内容的教育游戏，有效弥补了原模拟实验中的不足，从而协助教师更好地达成教学目标。同时，学生也能从中养成较基础的编程思维。将教育游戏引入实验课堂这一教学形式，能够提高学生参与课堂的兴趣，在一定程度上提升教学效果。但是，并非所有的实验教学都适合使用教育游戏，教师在设计教育游戏的过程中也要考虑学生的认知能力，过度使用或者使用不当，很可能会适得其反，导致学生对实验内容失去原有的兴趣。因此，在推广教育游戏应用于实验教学时，需合理设计，以使其教育效益最大化。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 卞地诗，陈飞扬，韩天舒.游戏教育的中外实践比较及启示[J].数字教育，2021（5）：86-92.

[2] 徐益苗，赵晓燕.Scratch软件在初中生物学STEM教育中的应用[J].生物学教学，2018（3）：42-43.

[3] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订[M].北京：人民教育出版社，2020.

[4] 许凡.利用Python改进性状分离比模拟实验[J].生物学通报，2021（6）：35-37.

（责任编辑 罗 艳）