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计算机模拟技术在生物实验教学中的应用

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  • 更新时间2022-07-28
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摘    要:

论述了实验教学在生物课程中的地位和作用,分析了计算机模拟技术的概念和特点,以性状分离比实验为应用实例,为广大高中生物教师提供教学案例参考。计算机模拟技术在生物实验教学中的应用符合新课标提出的STEM理念,实现了信息技术、数学和生物三大学科的融合,提升了学生的综合素质,促进了学生的全面发展。


关键词:计算机模拟技术;生物实验教学;应用;



Application of Computer Simulation Technology in Biology Experiment Teaching

Yang Caixia Fan Dan

School of Computer Engineering, Guangzhou City University of Technology Experimental Middle

School in Huadu District



Abstract:

The study discusses the position and role of experiment teaching in biology course, analyzes the concept and characteristics of computer simulation technology, and takes character separation ratio experiment as the application example to provide case reference for teachers of biology major in the senior high school. In the application of computer simulation technology in biological experiment teaching, we should conform to the STEM concept proposed in the new curriculum standard, to realize the integration of information technology, mathematics and biology, improve student' s comprehensive quality, and promote student's comprehensive development.


Keyword:

Computational emulation technology; Biology experiment teaching; Application;


1 生物实验教学现状

生物学是一门以实验为基础的自然学科[1]。实验教学是高中生物课程的重要组成部分,近年来地位越来越高。《普通高中生物课程标准(2017年版)》[2](简称新课标)大幅增加了实验教学内容,以求学生亲历思考和探究过程、领悟科学探究方法、掌握一系列相关技能[3]。生物实验教学的加强,不仅有利于培养学生的动手能力,还能有效培养学生分析和解决实际问题的能力,养成积极探索科学知识的品格,促进生物科学素养的形成[4]。传统的生物实验教学是按照教师示范、学生模仿操作的模式进行的。这种重复、被动的实验过程,无法激发学生学习的积极性和主动性,学生的实践能力和创新能力不足,与新课标提出的要求不相符。生物实验教学改革应摆脱传统模式的束缚,倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手的学习模式,着力于培养学生动手能力、思维能力、问题分析和解决能力以及交流与合作能力,创设多种实验教学情境,促进学生综合能力的提升[5]。


2 计算机模拟技术及其特点

计算机模拟是运用计算机程序在计算机上模拟各种系统的实际运行过程,并通过计算了解系统随时间变化的行为或特性。计算机模拟是在已建立的数学与逻辑模型上,通过计算机实验,对一个系统按照一定的决策原则或作业规则,由一个状态变换为另一个状态的行为进行描述和分析[6]。目前,计算机模拟技术在核爆炸、地震预测、系统优化、生命科学等诸多领域广泛应用。计算机模拟技术与生物学的结合,更是促进了新生学科———计算生物学的产生和蓬勃发展,如今计算机模拟已成为研究许多生物学问题的强有力工具。为了适应在生物教学中对超越学科本身知识和能力的要求,新课标中已明确提出要适当地将跨学科知识和技能融入实践活动,特别是将“科学、技术、工程学和数学”STEM整合到实践活动中[2]。将计算机模拟技术引入高中生物实验教学中真正实现了STEM理念中的多学科融合,与新课标的宗旨有效契合。计算机模拟技术在高中生物实验教学中的应用,可以帮助学生运用信息技术和数学学科的思维方式加深对生物知识的理解和掌握,提升学生对所学多学科知识的综合应用能力,对于促进学生综合素养的提高、个人的全面发展都具有积极影响[7]。因此,将计算机模拟技术引入高中生物实验教学中具有可行性和必要性。


3 应用案例———性状分离比实验

3.1 性状分离比实验简介

计算机模拟技术在高中生物实验教学中应用的最佳切入点是“性状分离比实验”。该实验是高中生物人教版必修《遗传与进化》第一章第一节孟德尔的豌豆杂交实验(一)中的教学内容。在实际操作中,通常利用乒乓球模型代替豌豆进行实物模拟实验。该实验能将抽象的基因分离、配子随机结合与生物性状之间的数量关系直观明了地体现出来,让学生通过亲身实验操作验证孟德尔提出的假说,为学生认识和理解基因分离定律、基因自由组合定律、减数分裂、受精作用过程中的分离和组合情况奠定基础。但是,实物模拟实验也存在诸多不足,如抓取小球时的随机性难以保证,容易出现人为误差,重复实验次数低时准确性不高,实验过程繁琐等。运用计算机模拟该实验过程可以有效避免这些问题,还可以锻炼学生运用信息技术解决实际问题的能力。


3.2 计算机模拟实验

在教学中,教师可以给出计算机模拟的基本思路,然后引导学生利用所学信息技术和程序设计知识画出流程图并编程实现,最后可利用Excel将结果图示化,方便与数理统计知识结论进行对比。实验的具体实现可参考如下步骤。


3.2.1 计算机模型建立

计算机模拟的基本思路:A.给出雌配子和雄配子基因(均为Dd)。B.分别混均两个配子后,随机各选取一个基因出来组成合子。C.重复运行上一步,至产生N个样本,统计其中DD,Dd,dd三种基因类型合子出现的频数,并计算对应频率。


3.2.2 变量与符号说明

模拟程序需要3个模拟参量和7个统计变量,如表1所示。


3.2.3 模拟流程图

模拟过程的流程图如图1所示,输出结果为DD,Dd,dd三种基因类型合子分别出现的频率。


3.2.4 Python程序

Python是近年来非常流行的编程语言,其语法简单、易学、易读,容易操作[8]。这里运用Python语言编程实现性状分离比实验的模拟,具体代码如下:


3.2.5 结果分析

给出抽样次数N,调用上述抽样函数SAM,即可得DD,Dd,dd三类合子在该次抽样中出现的频率。在N分别取10 000、100 000、1 000 000时,三次模拟实验结果如表2所示,绘制成柱状图对比如图2所示。值得注意的是,在抽样次数不变的情形下,每次模拟结果会有所不同,但差别不大,这是抽样误差,属于正常现象。从表2可以看出,随着抽样次数的增加,DD,Dd,dd三类合子的频率比越来越接近孟德尔假说中的1∶2∶1,这与伯努利大数定律一致[9]。


4 结语

计算机模拟技术在生物实验中的应用对教师和学生的要求都更高,教师需要花费更多时间翻阅信息技术学科的教材与资料,精心设计教学过程,学生也应主动学习信息技术学科知识,并将所学知识运用到生物实验中。计算机模拟实验在高中生物实验教学中的应用具有重要作用,能够培养学生运用信息技术解决问题的能力,提升学生综合素质,促进学生全面发展。


参考文献

[1] 陈秀容.构建模型在高中生物实验教学中的应用[J].福建教育,2018,(53):34-35.

[2] 教育部.普通高中生物学课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018.

[3] 杨桂兰,苏云凤.大数据在高中生物实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2017,34(08):162-164.

[4] 林颖韬.“混合式学习”在高中生物探究性实验教学中的应用[J].考试周刊,2010,(33):204-205.

[5] 赵映红,徐作英.建构主义学习理论在高中生物学实验教学中的应用[J].考试周刊,2017,(55):165.

[6] 黄静静,王爱文.数学建模方法与CUMCM赛题详解[M].北京:机械工业出版社,2014.

[7] 邓纯臻,隆平.学科融合在高中生物学实验教学中的应用———以“血红蛋白的提取和分离”电泳原理为例[J].生物学通报,2015,50(04):47-49.

[8] 江红,余青松. Python程序设计与算法基础教程(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2019.

[9] 阳平华,吴丽镐概率论与数理统计[M].北京:航空工业出版社,2018.