摘要：利用虛擬仿真平臺直觀化、游戲化、受眾廣、重探究的特點，可開展基于研究設(shè)計的、開放的生物學(xué)實驗教學(xué)。教師應(yīng)用虛擬仿真平臺，根據(jù)需要靈活選擇資源和工具，修改、設(shè)置變量參數(shù)，生成互動教學(xué)所需的新資源，通過問題串的引導(dǎo)，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)，是開展生物學(xué)探究教學(xué)的有效策略。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;生物學(xué);數(shù)字化教學(xué)

一、虛擬仿真及其與生物學(xué)教學(xué)的融合

（一）PhET虛擬仿真的由來和特點

2001年，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者卡爾·威曼（Carl Wieman）發(fā)起虛擬仿真計劃（Physics Education Technology，PhET），旨在為全球小學(xué)到大學(xué)提供開放的、游戲化的、互動的STEM教育資源。PhET平臺共開發(fā)了158個虛擬仿真項目，提供94種語言版本，配套案例有2 713個。PhET仿真項目的設(shè)計是基于研究的^[1]，其過程包括確立學(xué)習(xí)目標(biāo)、初步設(shè)計、實踐、重新設(shè)計、再實踐、教室使用、最終設(shè)計幾個環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)之間可能循環(huán)（如圖1）。師生可以根據(jù)需要從PhET網(wǎng)站上獲取需要的虛擬仿真資源。除此之外，PhET還提供使用指南（通過視頻或文字介紹資源獲取、使用技巧、交流方式等）、交流平臺（方便教師和項目開發(fā)團隊進行交流與研究）和教師工作坊（支持師生互動）等功能。教師可以根據(jù)需要選擇合適的教學(xué)資源，將平臺資源運用于理論教學(xué)、實驗教學(xué)或課外教學(xué)中。使用者可以通過網(wǎng)絡(luò)在線使用，也可以下載離線版本在電腦上運行。教師可以通過平臺分享教學(xué)經(jīng)驗。

基于PhET虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)有以下特點。

其一，適用對象廣泛。PhET虛擬仿真研究團隊起初只開發(fā)了物理仿真項目，后擴展到化學(xué)、生物學(xué)、地球科學(xué)、數(shù)學(xué)，為STEM教育提供強大資源支撐。項目資源覆蓋從小學(xué)到大學(xué)的各個學(xué)段，并且同一個仿真項目往往適用于多個學(xué)段。不同學(xué)段的學(xué)生可靈活選用項目素材。

其二，注重仿真的直觀化、游戲化。PhET項目組在開發(fā)之初，便提出了基于研究進行設(shè)計的理念，重視項目的交互性、情境化、游戲化、參與性，以此促進學(xué)生學(xué)習(xí)。這一理念集中表現(xiàn)在項目的游戲化和直觀化上。游戲化表現(xiàn)在以游戲的方式互動，突出教學(xué)的交互性、參與性。直觀化主要表現(xiàn)：一是通過真實的科學(xué)事件或者實驗場景創(chuàng)設(shè)虛擬實驗場景;二是引入大量形象化圖形和動畫，幫助學(xué)生理解概念。

其三，注重實驗的可探究性。PhET項目在設(shè)計上考慮很多可探究的元素，例如教師執(zhí)教“自然選擇”時可調(diào)節(jié)各種參數(shù)。通過轉(zhuǎn)化，PhET項目的調(diào)節(jié)參數(shù)可以轉(zhuǎn)化為探究性實驗的自變量，而觀測指標(biāo)則可以轉(zhuǎn)化為因變量。

（二）與中學(xué)生物學(xué)教學(xué)的融合

PhET平臺加載的生物學(xué)教學(xué)資源可供小學(xué)到大學(xué)的不同階段各類人群使用。雖然相對物理而言，生物學(xué)相關(guān)的教學(xué)資源較少，但關(guān)系密切，涉及遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、生態(tài)學(xué)多個領(lǐng)域。中學(xué)生物學(xué)越來越需要這些資源。筆者以部分虛擬仿真項目為例，說明其與中學(xué)生物學(xué)教學(xué)的融合（見表1）。

二、借助虛擬仿真平臺開展生物學(xué)教學(xué)

PhET開發(fā)團隊設(shè)置了教學(xué)目標(biāo)，輔助師生選擇項目并使用資源。教師可以根據(jù)需要，針對課型和教學(xué)方式選用PhET項目及資源。例如，Granada Hills在格拉納達(dá)山特許高中教學(xué)時使用“自然選擇”項目及資源，成功開展了實驗教學(xué)和課后拓展活動。下面，筆者以該項目教學(xué)為例，闡述PhET在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

（一）“自然選擇”教學(xué)目標(biāo)

PhET項目開發(fā)團隊負(fù)責(zé)設(shè)計項目教學(xué)目標(biāo)或?qū)W習(xí)目標(biāo)。PhET項目適用的對象較廣，目標(biāo)包含的信息較全面，在教學(xué)過程中，教師需要根據(jù)實際情況進行選擇?！白匀贿x擇”項目教學(xué)的目標(biāo)：模擬在不同環(huán)境下，不同突變、環(huán)境因子對兔子種群數(shù)量、性狀、基因的影響，幫助學(xué)生理解自然選擇的概念。目標(biāo)呈現(xiàn)如下。

教學(xué)目標(biāo)：

目標(biāo)1：在天敵和食物種類作用下，確定哪些是有利突變，哪些是中性突變。

目標(biāo)2：描述哪些特征改變了生物在不同環(huán)境中的生存能力。

目標(biāo)3：在兔子種群穩(wěn)定、兔子瀕臨滅絕和兔子過度繁殖3種環(huán)境下進行實驗。

目標(biāo)4：跟蹤多代基因。

目標(biāo)5：比較顯性基因和隱性基因遺傳過程。

上述5個目標(biāo)是平臺為“自然選擇”項目教學(xué)預(yù)設(shè)的，教師在使用時，需要選擇或調(diào)整。例如，針對高中階段的生物學(xué)教學(xué)，教師可選擇目標(biāo)2、3、4。

（二）“自然選擇”系統(tǒng)操作

系統(tǒng)界面可以直觀呈現(xiàn)項目的基本情況。教師登錄系統(tǒng)并進入“自然選擇”項目界面，根據(jù)教學(xué)需要，選擇資源，設(shè)置功能。

教師通過“自然選擇”項目界面選擇變量因素和觀測指標(biāo)，操作簡便，教學(xué)非常直觀、生動。

（三）“自然選擇”實驗教學(xué)

實驗導(dǎo)入：

問題1：你可以在此實驗中影響哪些變量？

問題2：什么是基因突變？基因突變?nèi)绾伟l(fā)生？發(fā)生的頻率是多少？

問題3：適合度和適應(yīng)是什么意思？兩者有什么區(qū)別？

問題4：除了本實驗中使用的環(huán)境因子外，還有哪些選擇因素會影響兔子種群？

實驗過程：

【明確目的】控制一群兔子的突變和環(huán)境，提出四個假說，并設(shè)計實驗來檢驗每個假說。

【講解原理】

原理1 假說格式如下：我假設(shè)（選擇兔子的表型）兔子在（選擇的環(huán)境類型）環(huán)境中（選擇因子的類型），可能（或多或少）生存，因為……（解釋它們的性狀將如何利于或不利于它們生存）; 。

原理2 對于每個實驗，你必須做一個對照（無突變：不發(fā)生基因突變，不增加環(huán)境因子）。

【實驗步驟】

（1）對于每個實驗對象，首先添加一個配偶和一個突變，等到F3代再添加選擇因子。添加選擇因子后，讓程序運行另外3或4代，觀測兔子種群數(shù)量變化。

（2）重復(fù)實驗2、3和4。

【獲得結(jié)論】

通過比較實驗組與對照組F3的數(shù)目、最終數(shù)目，得出實驗結(jié)論。

實驗總結(jié)：

問題5：根據(jù)全班學(xué)生從仿真程序中得到的證據(jù)，可以得出什么結(jié)論？

問題6：無法與野外其他動物競爭的動物會怎樣？

問題7：如果只有一個物種被認(rèn)為是“最適合的”，為什么物種之間仍然有如此多的差異？

問題8：疾病如何影響自然選擇？

問題9：此仿真程序如何模擬自然選擇？該程序在哪些方面無法代表自然選擇的過程？

實驗教學(xué)分析：此教學(xué)案例改編自澳大利亞野兔泛濫的真實事件。借助仿真平臺，學(xué)生能夠直觀地查看兔子種群的變化，還可以調(diào)節(jié)兔子毛色、是否有狼、食物是否充足等參數(shù)，形成幾十種實驗變量組合，觀測兔子的數(shù)目、性狀比率、家族系譜等參數(shù)。這樣的實驗寓教于樂。

此外，學(xué)生借助仿真平臺可以設(shè)置實驗變量，這為他們進行科學(xué)探究提供了很好的條件。此案例中，實驗前，教師通過一系列問題，引導(dǎo)學(xué)生思考實驗設(shè)計的一般原則，積極探究基因突變、環(huán)境因子與適應(yīng)的關(guān)系。實驗時，學(xué)生提出4個關(guān)于兔子的表型、環(huán)境類型關(guān)系的假說，設(shè)計對照實驗，運行“自然選擇”程序，記錄實驗結(jié)果，得出結(jié)論。實驗后，學(xué)生繼續(xù)討論交流，修正實驗結(jié)果，思考“自然選擇”項目與自然界中自然選擇現(xiàn)象的差異，將虛擬情境與現(xiàn)實世界相聯(lián)系，提高解決現(xiàn)實問題的興趣。PhET項目科學(xué)探究的開放性程度較高，教師通過一系列的問題引導(dǎo)學(xué)生參與實驗，使學(xué)生的主體性體現(xiàn)得較為充分。

（四）“自然選擇”課后拓展

教師通過“自然選擇”程序還可以設(shè)置更多的探究活動。開展課后拓展活動意在彌補課堂教學(xué)的不足。在實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，Granada Hills設(shè)計了下列兩項課外拓展活動。

課后拓展1：性狀的顯隱性與適應(yīng)

在實驗室實驗基礎(chǔ)上，改變性狀的顯隱性。作一個假設(shè)，完成實驗，然后將結(jié)果與初始實驗比較。

（1）將等位基因轉(zhuǎn)換為顯性和隱性等位基因?qū)ν米訑?shù)量有影響嗎？做出解釋。

（2）兩只親本兔子均為該性狀雜合子。使用棋盤法分析原始實驗和新實驗，分析此證據(jù)是否支持你的發(fā)現(xiàn)。為什么？

（3）如果新實驗進行的時間更長，最終結(jié)果會與原始實驗相同還是不同？

課后拓展2：系譜分析

先添加一個配偶和一種變異。等到F5代，選擇至少有四代系譜的兩只兔子：一只兔子具有突變性狀;另一只沒有突變，但親代或祖代發(fā)生過突變?；卮鹣铝袉栴}：

（1）系譜有何作用？

（2）在兔子上方有一個黃色螺旋表示什么？

（3）兔子上面有紅色的X是什么意思？

（4）本實驗室中使用的系譜圖是否準(zhǔn)確？每對配偶只有一個后代嗎？

課后拓展分析：課外拓展活動中，教師圍繞適應(yīng)與基因顯隱性的關(guān)系、家族系譜分析等主題進行拓展。拓展1可以幫助學(xué)生理解自然選擇的對象是個體，而不是基因;拓展2則有助于學(xué)生拓展思路，從家族系譜的角度研究生物進化。通過探究，學(xué)生可以進一步理解課堂所學(xué)內(nèi)容。

（五）“自然選擇”理論教學(xué)

PhET平臺及資源同樣適用于理論教學(xué)。例如，教師可以用它進行自然選擇與適應(yīng)的形成、種群的數(shù)量變化等內(nèi)容的教學(xué)。筆者以“自然選擇”項目為例建構(gòu)自然選擇學(xué)說概念模型。

自然選擇學(xué)說概念模型的建構(gòu)：

步驟1：給兔子增加配偶，運行程序。一段時間后，兔子占領(lǐng)了地球——有過度繁殖的傾向。

步驟2：食物有限的環(huán)境條件下，進行步驟1的操作——在此環(huán)境壓力下，兔子種群數(shù)目維持相對恒定。

步驟3 ：兔子毛色出現(xiàn)灰色突變，后代出現(xiàn)灰兔， 種群有灰白2色兔子——遺傳變異普遍存在。

步驟4：增加狼，觀察幾代不同毛色兔子的數(shù)目變化情況——發(fā)生自然選擇。

理論教學(xué)分析：教師借助平臺上的“自然選擇”項目資源建構(gòu)自然選擇學(xué)說的概念模型，讓學(xué)生直觀地看到兔子種群數(shù)目的變化，使抽象的知識直觀化。學(xué)生借助平臺“數(shù)據(jù)表”，用數(shù)學(xué)的方法來分析生物學(xué)現(xiàn)象，跨學(xué)科思考問題。

三、啟示

PhET虛擬仿真實驗已在多個學(xué)科教學(xué)中深度應(yīng)用。筆者認(rèn)為，將該平臺及資源用于中學(xué)生物學(xué)教學(xué)具有積極意義。教師在生物學(xué)的虛擬仿真實驗教學(xué)中應(yīng)注意以下幾點。

第一，利用虛擬仿真實驗，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)。PhET虛擬仿真實驗教學(xué)中，教師以學(xué)生為中心，讓學(xué)生在游戲的環(huán)境中參與科學(xué)探究活動，掌握科學(xué)概念，并通過問題串引導(dǎo)學(xué)生思考。這一系列的行動有利于學(xué)生深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。我國于2019年頒布了《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案（2018—2022年）》，并要求“開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目等建設(shè)”。將虛擬仿真應(yīng)用于中學(xué)生物學(xué)教學(xué)是大勢所趨。

第二，重視中學(xué)生物學(xué)教學(xué)資源開發(fā)工作。2013開始，我國著手建設(shè)國家級虛擬仿真中心，現(xiàn)已開發(fā)出大量的生物學(xué)虛擬仿真實驗，但無一例外，所有的實驗都是針對高校的，缺乏適用于基礎(chǔ)教育的配套資源，故難以運用到中學(xué)生物學(xué)教學(xué)。目前，有必要開發(fā)適用于中學(xué)生物學(xué)教學(xué)的虛擬仿真實驗。在開發(fā)中學(xué)生物學(xué)仿真項目時，可以借鑒PhET項目開發(fā)經(jīng)驗，組建至少包括1名軟件工程師、1名科學(xué)家、1名教育行業(yè)專家的團隊，基于研究進行項目開發(fā)。

第三，積極應(yīng)對虛擬仿真帶來的教學(xué)挑戰(zhàn)。虛擬仿真項目的開發(fā)與應(yīng)用給教學(xué)帶來了諸多的便利，與此同時，在虛擬環(huán)境下學(xué)習(xí)可能存在以下問題：一是學(xué)生的注意力難以集中在學(xué)習(xí)上;二是教師難以辨別學(xué)生是在玩還是在學(xué)。PhET項目教學(xué)過程中，教師一方面要挖掘項目在科學(xué)探究方面的價值，通過開展探究活動引導(dǎo)學(xué)生積極參與教學(xué)過程，另一方面要重視教學(xué)設(shè)計，通過問題串進行引導(dǎo)，將學(xué)生的注意力集中到問題的解決中。這樣做既可以體現(xiàn)學(xué)生的主體性，又可以突出教師的主導(dǎo)性，不失為虛擬仿真實驗教學(xué)的一種有效策略。

注：本文系2019年嶺南師范學(xué)院教改項目“運用edTPA 改革生物科學(xué)專業(yè)教育實習(xí)評價模式的研究”（立項批準(zhǔn)號：LSJGYB1942）的階段性成果。

參考文獻

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

（作者余海峰系嶺南師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助教;李德紅系華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授）

責(zé)任編輯：祝元志