生物技術教學中的數字化遊戲模擬論述論文

摘要：生物技術是21世紀高新技術的核心,將關乎到一個國家的未來。隨着分子生物學的高速發展及新技術、新理論的出現給生物技術的教學帶來了巨大的挑戰。數字化遊戲模擬教學將有助於提高學生興趣、動機及學習效果。在生物技術教學中引入數字化遊戲化模擬將有助於學生更好地理解生物技術，以期學生能更好地面對生物技術所帶了的機遇和挑戰。

關鍵詞：生物技術；數字化遊戲模擬；實驗

在當今社會發展中，經濟的發展依賴於知識、信息和高水平的技術。科學和技術的發展將對我們下一代產生很深遠的影響。從社會整體來看，科學技術帶給我們可持續經濟繁榮，提高人類生活水平。隨着科學和技術的高速發展，尤其是生物技術的快速發展已經產生了相當大的影響和關注。在我國高中和高校普及生物技術科學，一方面是爲了培養下一代科學家、工程師和技工，培養創造性人才有助於推動經濟增長及增強國際競爭力；另一方面，今天的學生將成爲明天的公民，理解科學和技術有助於在社會科學重大問題上做出明智的抉擇，例如從全球變暖到個人醫療等方面。生物技術教學的引入也是職業教育發展和研究的一次機會，這也反映了經濟、社會和環境發展的需要。大部分高中和高校學生對生物技術學習的興趣不高，其中部分原因在於我國中國小有限的生物科學知識普及導致學生對科學技術缺乏興趣和積極性；此外目前生物教學中大部分還是採用概念記憶，學生被動地聽講及執行“食譜式”實驗操作，而不是激發學生的天生好奇心及將科學技術與生活有機結合。生物技術是一門應用性很強的學科，在生物技術教學中將生物技術和“現實世界中的問題”相結合將更能激發學生學習的興趣。許多科學家在基於認知基礎上尋找一種新的方法進行科學、技術教育。在這種教學方法中，教師可以通過讓學生參與調查的方式來激發學生學習興趣，幫助學生理解科學概念和科學技術。

一數字化遊戲模擬教學的提出

數字化教學不是新的`想法，在教學中整合模擬練習是很有效的方法，例如軍事訓練中，飛行員落地培訓課中結合飛行模擬器的教學效果被證實非常有效果[2]。美國國家教育技術計劃部聲明美國教育體制所面臨的挑戰是如何將科學的學習和現代技術有機結合起來，並創造出引人入勝、個性化的學習經驗這些科學和技術的學習能將反映到學生的日常生活和其未來設想的實現。相對於傳統的課題教學，這需要以學生爲中心，爲他們在多方面提供靈活的教學方法來資助掌控學習[13]。近幾年，越來越多的研究表明計算機遊戲可以爲教學提供強有力的學習環境，且遊戲化教學策略引入課堂來提升學生內在的學習動機[12;7;4]。各種各樣的想法應運而生，如何將遊戲或遊戲化元素整合到課堂教學或是在線學習中。2011年美國國家研究委員會對教學中計算機模擬和遊戲化應用進行了可行性分析，表明“模擬和遊戲化教學”在中學和本科生教學中具有提高科學知識學習的巨大潛能[10]。戈登委員會（GordonCommissions）關於未來教育報告中指出數字化遊戲和模擬具有很大的潛力整合教學和評估，這種整合對教育領域的最優發展是必要的[5]。數字化遊戲模擬使學習者能夠觀察到科學現象並與之互動，這樣有助於對科學現象形成科學地、正確地解釋[6]。“數字化遊戲模擬”可以激發學習者的挑戰，並根據每個學習者的需要和興趣進行快速反饋和制定指令。對於生物科學邊緣學科的專業或是對生物技術不感興趣的學生來說，被動式教學方法很難取得效果。傳統生物技術教學中，實驗課的開設是生物技術理論課的重要支撐。一般來說，生物技術實驗課的開設需要較大的實驗場地，實驗費用較高，花費時間較長，有些實驗會因安全性問題受限。隨着生物技術的高速發展，一些新技術和新理論層出不窮，掌握這些新技術和理論對於生物科學專業人士是必備的。然而，一些最新的設備和耗材的價格往往令人望而卻步，使得一般的學校幾乎無法提供這些現代化的儀器、設備，如第二代基因測序儀、LTQ-orbitrap系列質譜儀等等。即使一些高校擁有這些最新的設備、儀器，但由於儀器維護、使用費高也不能用於教學。將生物實驗數字化遊戲模擬後不僅節約成本、安全而且還能大大提高學生對生物技術學習的興趣和動力，生物實驗數字化遊戲模擬將很大程度提高教學效果[1]。因此擬在生物技術概論教學過程中引入數字化遊戲模擬生物技術實驗來提高學生積極參與性和學習興趣，進而提高教學效果。將生物技術與現實生活結合起來，例如在基因工程教學過程中利用互動3-D動畫引入“犯罪偵破”，學生通過學習的基因工程的知識參與遊戲故事中，進而通過犯罪現場採集血液，PCR和凝膠實驗來確定犯罪人。

二生物技術實驗數字化遊戲模擬

目前生物科學或生物技術數字化遊戲模擬較成功的網站：Labster網站，EteRNA網站和Phlyo網站。截止到目前爲止Labster網站已經制作29個數字化遊戲模擬實驗，包括細胞培養實驗(cellculturebasicslab),血糖實驗(室bloodsugarlab),生物電路實驗室(biologicalcircuitlab),合成生物學實驗室(syntheticbiologylab),減速分離實驗(meiosislab),(基因表達實驗室)geneexpressionlab,(細胞呼吸實驗室)cellualrrespirationlab,(蛋白質合成實驗室)proteinsynthesislab,(海洋生態生物學實驗室)ecology-marinebiologylab,進化實驗室(evolutionlab),有絲分裂實驗室(mitosislab),光合實驗室(photosynthesislab),富營養化生態實驗室(ecology-eutrophicantionlab),酶動力學實驗室(enzymekineticslab),發酵實驗(fermentationlab),介紹性實驗室(introductorylab),動物遺傳實驗室(animalgeneticslab),基因調控實驗室(generegulationlab),醫學遺傳實驗室(medicalgenenticslab),分子克隆實驗室(molecularcloninglab),第二代測序實驗室(nextgenerationsequencinglab),犯罪現場調查實驗(CSIlab),細胞遺傳實驗室(cytogeneticslab),細菌分離實驗室(bacterialisolationlab),顯微實驗室(microscopylab)和(高效液相色譜實驗室)HPLClab（）。遊戲化模擬生物技術實驗還不斷地在更新，例如正在製作的植物轉基因實驗室(planttranscriptomicslab),流動注射分析實驗室(flowinjectionanalyisislab),抗體實驗室(antibodieslab)等。例如CSIlab中學生通過一個神祕的謀殺案的調查、分析來學習聚合酶鏈式反應（PCR）和凝膠電泳。CSIlab中設置科學問題，引導學生尋找線索，科學分析，最終提供確鑿的證據來指控犯罪嫌疑人。在CSIlab中，首選在犯罪現場收集謀殺者遺留下的血跡來獲得DNA，之後學生可以將血樣帶到虛擬實驗室進行提取、純化DNA，PCR擴增，凝膠電泳。在遊戲化模擬實驗中不僅可模仿真實實驗室的PCR操作，還可在實驗過程中伴隨着回答科學問題來檢查學生對內容的理解。在CSIlab中也提供了DNA，PCR，DNA圖譜及小串聯重複序列的背景知識。更重要的是如果學生指認無辜的人爲犯罪嫌疑人的話，在遊戲化模擬期間將會收到一份重要虛擬報紙式文章來認定學生在實驗過程中不堅持科學的方法。Labster團隊製作數字化遊戲模擬生物技術實驗提供一個身臨其境的實驗室環境和3D動畫視覺，其中並伴隨着科學問題的回答。學生通過選擇答案的方式回答科學問題，直到選擇到正確的答案纔可以繼續下一步，隨後數字化遊戲模擬生物技術實驗給出答案正確的原因。這種即時反饋可激發學生反思實驗操作過程，提高對潛在理論知識的理解。此外，爲了增強學生對不可見分子事件的理解，3D動畫展示了微觀分子發生過程。生物科學教學中數字化遊戲模擬不僅僅用於學生的課堂教育，最近有團隊開了“公民科學”遊戲，例如：Foldit，EteRNA和Phlyo，其不僅教給公民科學現象，同時也幫助研究人員開發新的科學有效的理論或軟件。儘管這些科學遊戲模擬的主要目的不是爲了教育，而是鼓勵公民參與科學過程。但這些“公民科學”數字化遊戲仍需要應用教育的策略來傳授給玩家基本知識，使他們能更好地發揮[11]。

三數字化遊戲模擬實驗效果及前景

相對於傳統的教學，數字化遊戲模擬可以顯著地提高教學結果和學校的動機。Malasetal（2016）建立“Gamifiede-learningdesignmodel(GED)”並通過收集的數據、問卷調查及應用遊戲化系統學習學生的測試表明數字化遊戲學習可以提高學生的參與性，行爲能力及學習動機，進而促進學習效果[9]。Makranskyetal.,(2015)在哥本哈根大學對一年級本科生進行了細胞遺傳學數字化遊戲模擬實驗教學。該課程三小時，其中包括30分鐘的預測試—根據基礎知識，動機和自我效率對學生進行評估；而後學生參與數字化遊戲模擬實驗室教學2小時，最後30分鐘進行測試。該研究表明從預測試到測試學生的知識，動機和自我效率有着明顯的提高，其中在動機和自我效率方面最差的學生的收穫最大，而低，中和高成績的學生獲得了相似的正相關增長[8]。Bondeetal.,(2014)報道對丹麥技術大學91個學生進行測試，在生命科學教學中引入了CSIlab，測試結果顯示與講座式教學相比，數字化遊戲模擬實驗結合講座與數字化遊戲模擬實驗教學相結合的教學效果有明顯提高（Studentst-test,t(89)=-4.37,P<0.0005;**t(90)=-7.49,P<0.0005）[1]。Drace（2013）在本科生微生物概論教學中引入數字化遊戲模擬實驗，教學氛圍三個階段：第一階段時訓練計劃，學習學習一些基本技術和和微生物學技能；第二階段是訓練、發展技能，如給予每個實驗中一個虛擬的病原體，來確定未知細菌。並通過紙片擴散法研究其抗抗生素潛力；第三個階段時應用微生物學技能階段，即學生可以利用微生物淨化水質、發酵食品及微生物燃料產能。學生對數字化遊戲實驗方式反應是積極的，匿名調查表明學生積極並非常有興趣地參與實驗。學生喜歡數字化遊戲實驗中互動，並能將學習的技能和知識很好的結合起來[3]。總體來說，這種數字化遊戲模擬教學方式僅少數教育部門應用到生物技術教學中，原因可能大部分教育機構仍然更注重知識的傳授及資源和條件的限制。在今後生物技術教育中引入數字化遊戲模擬是非常有潛力的教學方式，學生可以反覆模擬練習，節約實驗室空間、無限昂貴的實驗設備及避免真實實驗操作過程中的危險。未來期望更多的研究者和公司合作研發、評估更多的生物技術數字化遊戲模擬用於生命科學的教育中。