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生物技術(shù)教學(xué)中的數(shù)字化游戲模擬論述論文
摘要：生物技術(shù)是21世紀(jì)高新技術(shù)的核心,將關(guān)乎到一個國家的未來。隨著分子生物學(xué)的高速發(fā)展及新技術(shù)、新理論的出現(xiàn)給生物技術(shù)的教學(xué)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。數(shù)字化游戲模擬教學(xué)將有助于提高學(xué)生興趣、動機(jī)及學(xué)習(xí)效果。在生物技術(shù)教學(xué)中引入數(shù)字化游戲化模擬將有助于學(xué)生更好地理解生物技術(shù)，以期學(xué)生能更好地面對生物技術(shù)所帶了的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵詞：生物技術(shù)；數(shù)字化游戲模擬；實驗
在當(dāng)今社會發(fā)展中，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展依賴于知識、信息和高水平的技術(shù)。科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展將對我們下一代產(chǎn)生很深遠(yuǎn)的影響。從社會整體來看，科學(xué)技術(shù)帶給我們可持續(xù)經(jīng)濟(jì)繁榮，提高人類生活水平。隨著科學(xué)和技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是生物技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響和關(guān)注。在我國高中和高校普及生物技術(shù)科學(xué)，一方面是為了培養(yǎng)下一代科學(xué)家、工程師和技工，培養(yǎng)創(chuàng)造性人才有助于推動經(jīng)濟(jì)增長及增強(qiáng)國際競爭力；另一方面，今天的學(xué)生將成為明天的公民，理解科學(xué)和技術(shù)有助于在社會科學(xué)重大問題上做出明智的抉擇，例如從全球變暖到個人醫(yī)療等方面。生物技術(shù)教學(xué)的引入也是職業(yè)教育發(fā)展和研究的一次機(jī)會，這也反映了經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境發(fā)展的需要。大部分高中和高校學(xué)生對生物技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣不高，其中部分原因在于我國中小學(xué)有限的生物科學(xué)知識普及導(dǎo)致學(xué)生對科學(xué)技術(shù)缺乏興趣和積極性；此外目前生物教學(xué)中大部分還是采用概念記憶，學(xué)生被動地聽講及執(zhí)行“食譜式”實驗操作，而不是激發(fā)學(xué)生的天生好奇心及將科學(xué)技術(shù)與生活有機(jī)結(jié)合。生物技術(shù)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，在生物技術(shù)教學(xué)中將生物技術(shù)和“現(xiàn)實世界中的問題”相結(jié)合將更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。許多科學(xué)家在基于認(rèn)知基礎(chǔ)上尋找一種新的方法進(jìn)行科學(xué)、技術(shù)教育。在這種教學(xué)方法中，教師可以通過讓學(xué)生參與調(diào)查的方式來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生理解科學(xué)概念和科學(xué)技術(shù)。
一數(shù)字化游戲模擬教學(xué)的提出
數(shù)字化教學(xué)不是新的想法，在教學(xué)中整合模擬練習(xí)是很有效的方法，例如軍事訓(xùn)練中，飛行員落地培訓(xùn)課中結(jié)合飛行模擬器的教學(xué)效果被證實非常有效果[2]。美國國家教育技術(shù)計劃部聲明美國教育體制所面臨的挑戰(zhàn)是如何將科學(xué)的學(xué)習(xí)和現(xiàn)代技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，并創(chuàng)造出引人入勝、個性化的學(xué)習(xí)經(jīng)驗這些科學(xué)和技術(shù)的學(xué)習(xí)能將反映到學(xué)生的日常生活和其未來設(shè)想的實現(xiàn)。相對于傳統(tǒng)的課題教學(xué)，這需要以學(xué)生為中心，為他們在多方面提供靈活的教學(xué)方法來資助掌控學(xué)習(xí)[13]。近幾年，越來越多的研究表明計算機(jī)游戲可以為教學(xué)提供強(qiáng)有力的學(xué)習(xí)環(huán)境，且游戲化教學(xué)策略引入課堂來提升學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機(jī)[12;7;4]。各種各樣的想法應(yīng)運而生，如何將游戲或游戲化元素整合到課堂教學(xué)或是在線學(xué)習(xí)中。2011年美國國家研究委員會對教學(xué)中計算機(jī)模擬和游戲化應(yīng)用進(jìn)行了可行性分析，表明“模擬和游戲化教學(xué)”在中學(xué)和本科生教學(xué)中具有提高科學(xué)知識學(xué)習(xí)的巨大潛能[10]。戈登委員會（GordonCommissions）關(guān)于未來教育報告中指出數(shù)字化游戲和模擬具有很大的潛力整合教學(xué)和評估，這種整合對教育領(lǐng)域的最優(yōu)發(fā)展是必要的[5]。數(shù)字化游戲模擬使學(xué)習(xí)者能夠觀察到科學(xué)現(xiàn)象并與之互動，這樣有助于對科學(xué)現(xiàn)象形成科學(xué)地、正確地解釋[6]�！皵�(shù)字化游戲模擬”可以激發(fā)學(xué)習(xí)者的挑戰(zhàn)，并根據(jù)每個學(xué)習(xí)者的需要和興趣進(jìn)行快速反饋和制定指令。對于生物科學(xué)邊緣學(xué)科的專業(yè)或是對生物技術(shù)不感興趣的學(xué)生來說，被動式教學(xué)方法很難取得效果。傳統(tǒng)生物技術(shù)教學(xué)中，實驗課的開設(shè)是生物技術(shù)理論課的重要支撐。一般來說，生物技術(shù)實驗課的開設(shè)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。隨著生物技術(shù)的高速發(fā)展，一些新技術(shù)和新理論層出不窮，掌握這些新技術(shù)和理論對于生物科學(xué)專業(yè)人士是必備的。然而，一些最新的設(shè)備和耗材的價格往往令人望而卻步，使得一般的學(xué)校幾乎無法提供這些現(xiàn)代化的儀器、設(shè)備，如第二代基因測序儀、LTQ-orbitrap系列質(zhì)譜儀等等。即使一些高校擁有這些最新的設(shè)備、儀器，但由于儀器維護(hù)、使用費高也不能用于教學(xué)。將生物實驗數(shù)字化游戲模擬后不僅節(jié)約成本、安全而且還能大大提高學(xué)生對生物技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣和動力，生物實驗數(shù)字化游戲模擬將很大程度提高教學(xué)效果[1]。因此擬在生物技術(shù)概論教學(xué)過程中引入數(shù)字化游戲模擬生物技術(shù)實驗來提高學(xué)生積極參與性和學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提高教學(xué)效果。將生物技術(shù)與現(xiàn)實生活結(jié)合起來，例如在基因工程教學(xué)過程中利用互動3-D動畫引入“犯罪偵破”，學(xué)生通過學(xué)習(xí)的基因工程的知識參與游戲故事中，進(jìn)而通過犯罪現(xiàn)場采集血液，PCR和凝膠實驗來確定犯罪人。
二生物技術(shù)實驗數(shù)字化游戲模擬
目前生物科學(xué)或生物技術(shù)數(shù)字化游戲模擬較成功的網(wǎng)站：Labster網(wǎng)站，EteRNA網(wǎng)站和Phlyo網(wǎng)站。截止到目前為止Labster網(wǎng)站已經(jīng)制作29個數(shù)字化游戲模擬實驗，包括細(xì)胞培養(yǎng)實驗(cellculturebasicslab),血糖實驗(室bloodsugarlab),生物電路實驗室(biologicalcircuitlab),合成生物學(xué)實驗室(syntheticbiologylab),減速分離實驗(meiosislab),(基因表達(dá)實驗室)geneexpressionlab,(細(xì)胞呼吸實驗室)cellualrrespirationlab,(蛋白質(zhì)合成實驗室)proteinsynthesislab,(海洋生態(tài)生物學(xué)實驗室)ecology-marinebiologylab,進(jìn)化實驗室(evolutionlab),有絲分裂實驗室(mitosislab),光合實驗室(photosynthesislab),富營養(yǎng)化生態(tài)實驗室(ecology-eutrophicantionlab),酶動力學(xué)實驗室(enzymekineticslab),發(fā)酵實驗(fermentationlab),介紹性實驗室(introductorylab),動物遺傳實驗室(animalgeneticslab),基因調(diào)控實驗室(generegulationlab),醫(yī)學(xué)遺傳實驗室(medicalgenenticslab),分子克隆實驗室(molecularcloninglab),第二代測序?qū)嶒炇?nextgenerationsequencinglab),犯罪現(xiàn)場調(diào)查實驗(CSIlab),細(xì)胞遺傳實驗室(cytogeneticslab),細(xì)菌分離實驗室(bacterialisolationlab),顯微實驗室(microscopylab)和(高效液相色譜實驗室)HPLClab（）。游戲化模擬生物技術(shù)實驗還不斷地在更新，例如正在制作的植物轉(zhuǎn)基因?qū)嶒炇?planttranscriptomicslab),流動注射分析實驗室(flowinjectionanalyisislab),抗體實驗室(antibodieslab)等。例如CSIlab中學(xué)生通過一個神秘的謀殺案的調(diào)查、分析來學(xué)習(xí)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）和凝膠電泳。CSIlab中設(shè)置科學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生尋找線索，科學(xué)分析，最終提供確鑿的證據(jù)來指控犯罪嫌疑人。在CSIlab中，首選在犯罪現(xiàn)場收集謀殺者遺留下的血跡來獲得DNA，之后學(xué)生可以將血樣帶到虛擬實驗室進(jìn)行提取、純化DNA，PCR擴(kuò)增，凝膠電泳。在游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著回答科學(xué)問題來檢查學(xué)生對內(nèi)容的理解。在CSIlab中也提供了DNA，PCR，DNA圖譜及小串聯(lián)重復(fù)序列的背景知識。更重要的是如果學(xué)生指認(rèn)無辜的人為犯罪嫌疑人的話，在游戲化模擬期間將會收到一份重要虛擬報紙式文章來認(rèn)定學(xué)生在實驗過程中不堅持科學(xué)的方法。Labster團(tuán)隊制作數(shù)字化游戲模擬生物技術(shù)實驗提供一個身臨其境的實驗室環(huán)境和3D動畫視覺，其中并伴隨著科學(xué)問題的回答。學(xué)生通過選擇答案的方式回答科學(xué)問題，直到選擇到正確的答案才可以繼續(xù)下一步，隨后數(shù)字化游戲模擬生物技術(shù)實驗給出答案正確的原因。這種即時反饋可激發(fā)學(xué)生反思實驗操作過程，提高對潛在理論知識的理解。此外，為了增強(qiáng)學(xué)生對不可見分子事件的理解，3D動畫展示了微觀分子發(fā)生過程。生物科學(xué)教學(xué)中數(shù)字化游戲模擬不僅僅用于學(xué)生的課堂教育，最近有團(tuán)隊開了“公民科學(xué)”游戲，例如：Foldit，EteRNA和Phlyo，其不僅教給公民科學(xué)現(xiàn)象，同時也幫助研究人員開發(fā)新的科學(xué)有效的理論或軟件。盡管這些科學(xué)游戲模擬的主要目的不是為了教育，而是鼓勵公民參與科學(xué)過程。但這些“公民科學(xué)”數(shù)字化游戲仍需要應(yīng)用教育的策略來傳授給玩家基本知識，使他們能更好地發(fā)揮[11]。
三數(shù)字化游戲模擬實驗效果及前景
相對于傳統(tǒng)的教學(xué)，數(shù)字化游戲模擬可以顯著地提高教學(xué)結(jié)果和學(xué)校的動機(jī)。Malasetal（2016）建立“Gamifiede-learningdesignmodel(GED)”并通過收集的數(shù)據(jù)、問卷調(diào)查及應(yīng)用游戲化系統(tǒng)學(xué)習(xí)學(xué)生的測試表明數(shù)字化游戲?qū)W習(xí)可以提高學(xué)生的參與性，行為能力及學(xué)習(xí)動機(jī)，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)習(xí)效果[9]。Makranskyetal.,(2015)在哥本哈根大學(xué)對一年級本科生進(jìn)行了細(xì)胞遺傳學(xué)數(shù)字化游戲模擬實驗教學(xué)。該課程三小時，其中包括30分鐘的預(yù)測試—根據(jù)基礎(chǔ)知識，動機(jī)和自我效率對學(xué)生進(jìn)行評估；而后學(xué)生參與數(shù)字化游戲模擬實驗室教學(xué)2小時，最后30分鐘進(jìn)行測試。該研究表明從預(yù)測試到測試學(xué)生的知識，動機(jī)和自我效率有著明顯的提高，其中在動機(jī)和自我效率方面最差的學(xué)生的收獲最大，而低，中和高成績的學(xué)生獲得了相似的正相關(guān)增長[8]。Bondeetal.,(2014)報道對丹麥技術(shù)大學(xué)91個學(xué)生進(jìn)行測試，在生命科學(xué)教學(xué)中引入了CSIlab，測試結(jié)果顯示與講座式教學(xué)相比，數(shù)字化游戲模擬實驗結(jié)合講座與數(shù)字化游戲模擬實驗教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)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(xué)中引入數(shù)字化游戲模擬實驗，教學(xué)氛圍三個階段：第一階段時訓(xùn)練計劃，學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)一些基本技術(shù)和和微生物學(xué)技能；第二階段是訓(xùn)練、發(fā)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(xì)菌。并通過紙片擴(kuò)散法研究其抗抗生素潛力；第三個階段時應(yīng)用微生物學(xué)技能階段，即學(xué)生可以利用微生物凈化水質(zhì)、發(fā)酵食品及微生物燃料產(chǎn)能。學(xué)生對數(shù)字化游戲?qū)嶒灧绞椒磻?yīng)是積極的，匿名調(diào)查表明學(xué)生積極并非常有興趣地參與實驗。學(xué)生喜歡數(shù)字化游戲?qū)嶒炛谢�，并能將學(xué)習(xí)的技能和知識很好的結(jié)合起來[3]。總體來說，這種數(shù)字化游戲模擬教學(xué)方式僅少數(shù)教育部門應(yīng)用到生物技術(shù)教學(xué)中，原因可能大部分教育機(jī)構(gòu)仍然更注重知識的傳授及資源和條件的限制。在今后生物技術(shù)教育中引入數(shù)字化游戲模擬是非常有潛力的教學(xué)方式，學(xué)生可以反復(fù)模擬練習(xí)，節(jié)約實驗室空間、無限昂貴的實驗設(shè)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(fā)、評估更多的生物技術(shù)數(shù)字化游戲模擬用于生命科學(xué)的教育中。
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