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STEM+C视域下的跨学科编程教学设计

张余萍江南大学人文学院

跨学科项目探究需要为学生设置具体的、生动的探究情境，促使学生在形象、直观的氛围中参与解决问题的过程。本例由两个课时构成，都围绕“兔子种群的性状变化”这一情境展开。第一课时借助计算机模拟，引出种群过度繁殖产生性状突变型的真实问题；第二课时通过合作编程进行问题解决，综合分析并预测兔子种群变化趋势。

让学科知识作为进行编程学习的载体，驻进信息技术课堂往往需要结合多方面因素，如教学对象的特征、内容的特点、实施的条件以及技术特点，其中技术特点与教学内容的相融程度直接决定了教学的效果。在本例中，笔者选用PhET仿真模拟实验室中的自然选择模型，以兔子的繁殖演化为例创设探究情境（如图1）。通过设置毛皮基因（白毛和棕毛）并为兔子添加配偶，系统会自动计算并演示出数代之后兔子种群的性状构成。在这一过程中，学生发现白色兔子种群经过几代繁殖后会出现棕色的表现型。这时，学生就会产生困惑：棕毛兔子如何而来？这时，教师可以引导学生对“性状与基因”的关系作出猜想，并给出解答：生物的性状由基因控制，产生棕色兔子是因为繁衍的过程中发生了基因重组，隐性性状表现了出来。例如，白毛兔子1（Aa）和白毛兔子2（Aa）交配生下棕毛兔子3（aa）。

图1自然选择教学实验模型

在PhET仿真模拟实验室中，学生可以进一步设置三对基因——白毛—棕毛、长牙—短牙、竖耳—垂耳，同时还能设置食物是否充沛、是否有狼（天敌）等外部变量。学生可以对不同情境下兔子种群繁衍情况提出自己的假设和猜测，然后利用模拟实验室来验证假设。在多次尝试后，学生会有以下三点发现：①棕毛的兔子因为毛色更为接近草原裸露的土壤，不易被捕食者发现，生存率更高；②当环境变得恶劣时，食物可食性降低，长牙兔子更有生存优势；③竖耳兔相较于垂耳兔对捕食者（狼）的反应更灵敏，生存率更高。这时，教师抛出下一个探究问题：一个种群中表现型对生存率的影响如何计算？是否可以通过编程的方法来进行模拟？

首先由教师告知学生，用ABC来分别代表毛色、牙齿、耳朵三个性状，大写为显性基因，小写为隐性基因。以毛色为例，显性基因（白毛）为A，隐性基因（棕毛）为a。学生分成小组展开编程活动，每组随机从毛色、牙齿、耳形三对性状的基因型中选择一种，并组合成一只兔子的完整基因型，如一只白毛短牙垂耳的兔子完整基因型为Aabbcc，一只棕毛长牙竖耳的兔子完整基因型为aaBbCC。

教师任意选取两组进行互动PK，假定任意两个个体都能交配，哪一组的兔子生存率更高？哪些性状能被种群所保留？学生可以根据教师给出的兔子生存环境特征进行猜测，然后使用Python编程模拟子代种群繁衍过程，通过输入基因型计算生存率。教师先带领学生设计只考虑一对性状的模拟程序，然后再由学生进一步编写三种性状都考虑的程序。下页图2是只考虑毛色性状的样例代码。根据“适者生存”的基本情况，假设白毛兔子的存活率为65%，棕毛兔子的存活率为95%。再通过班级随机抽签结果，记种群中显性纯合个体数、杂合个体数、隐性纯合个体数分别为k、m、n。

图2编程活动参考代码

为了提升协作思维，本课程在最后设置了小组综合性探究任务：全班学生自由组成2～3人一组，每个小组在计算机网页模型上自主设计初始参数，包括兔种群的三种性状的显隐关系，以及食物、狼、气温等环境因素。学生借助模型观察该种群进化过程，并整合分析其统计出的种群不同阶段特征值，进行数据动态变化的监测与记录，分析进化过程与进化结果。最后小组成员共同撰写实验报告并提交。这一部分虽然没有涉及具体代码的书写，但可以帮助学生基于数据进行抽象思考与总结。至此，整个教学设计已真正做到了计算思维可视化、学习情境数据化，学生编程知识的综合应用能力得到了提升，问题也真正得到了解决。

本文以探究项目“自然选择”为例，呈现了STEM+C视域下跨学科编程教学设计的思路。这类教学设计需要以探究项目为载体，以编程或其他技术脚手架为工具，通过特定教学情境的学生探究来实现。“跨学科”作为新课标的重要内容，为教学创新提供了新的视角，但是也提出了挑战。跨学科教学需要不同学科教师共同设计，需要在不同学科中找到适合跨学科的切入点。在这个技术高速发展的时代，信息技术与其他学科进行跨学科融合应该是一个优势点，因为这样能够为其他学科的教学提供强有力的技术脚手架。而编程与计算思维作为新时代学生需要掌握的必要技能，在教学过程中也需要真实的问题情境做支撑。因此，将编程教学与具体的学科问题解决相融合，为跨学科教学这一理念提供了最佳实践路径。本文只是抛砖引玉，希望在未来有更多同仁能够围绕这一主题进行探索，分享更多精彩案例。