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生物技术教学中的数字化游戏模拟论述论文
摘要：生物技术是21世纪高新技术的核心,将关乎到一个国家的未来。随着分子生物学的高速发展及新技术、新理论的出现给生物技术的教学带来了巨大的挑战。数字化游戏模拟教学将有助于提高学生兴趣、动机及学习效果。在生物技术教学中引入数字化游戏化模拟将有助于学生更好地理解生物技术，以期学生能更好地面对生物技术所带了的机遇和挑战。
关键词：生物技术；数字化游戏模拟；实验
在当今社会发展中，经济的发展依赖于知识、信息和高水平的技术。科学和技术的发展将对我们下一代产生很深远的影响。从社会整体来看，科学技术带给我们可持续经济繁荣，提高人类生活水平。随着科学和技术的高速发展，尤其是生物技术的快速发展已经产生了相当大的影响和关注。在我国高中和高校普及生物技术科学，一方面是为了培养下一代科学家、工程师和技工，培养创造性人才有助于推动经济增长及增强国际竞争力；另一方面，今天的学生将成为明天的公民，理解科学和技术有助于在社会科学重大问题上做出明智的抉择，例如从全球变暖到个人医疗等方面。生物技术教学的引入也是职业教育发展和研究的一次机会，这也反映了经济、社会和环境发展的需要。大部分高中和高校学生对生物技术学习的兴趣不高，其中部分原因在于我国中小学有限的生物科学知识普及导致学生对科学技术缺乏兴趣和积极性；此外目前生物教学中大部分还是采用概念记忆，学生被动地听讲及执行“食谱式”实验操作，而不是激发学生的天生好奇心及将科学技术与生活有机结合。生物技术是一门应用性很强的学科，在生物技术教学中将生物技术和“现实世界中的问题”相结合将更能激发学生学习的兴趣。许多科学家在基于认知基础上寻找一种新的方法进行科学、技术教育。在这种教学方法中，教师可以通过让学生参与调查的方式来激发学生学习兴趣，帮助学生理解科学概念和科学技术。
一数字化游戏模拟教学的提出
数字化教学不是新的想法，在教学中整合模拟练习是很有效的方法，例如军事训练中，飞行员落地培训课中结合飞行模拟器的教学效果被证实非常有效果[2]。美国国家教育技术计划部声明美国教育体制所面临的挑战是如何将科学的学习和现代技术有机结合起来，并创造出引人入胜、个性化的学习经验这些科学和技术的学习能将反映到学生的日常生活和其未来设想的实现。相对于传统的课题教学，这需要以学生为中心，为他们在多方面提供灵活的教学方法来资助掌控学习[13]。近几年，越来越多的研究表明计算机游戏可以为教学提供强有力的学习环境，且游戏化教学策略引入课堂来提升学生内在的学习动机[12;7;4]。各种各样的想法应运而生，如何将游戏或游戏化元素整合到课堂教学或是在线学习中。2011年美国国家研究委员会对教学中计算机模拟和游戏化应用进行了可行性分析，表明“模拟和游戏化教学”在中学和本科生教学中具有提高科学知识学习的巨大潜能[10]。戈登委员会（GordonCommissions）关于未来教育报告中指出数字化游戏和模拟具有很大的潜力整合教学和评估，这种整合对教育领域的最优发展是必要的[5]。数字化游戏模拟使学习者能够观察到科学现象并与之互动，这样有助于对科学现象形成科学地、正确地解释[6]。“数字化游戏模拟”可以激发学习者的挑战，并根据每个学习者的需要和兴趣进行快速反馈和制定指令。对于生物科学边缘学科的专业或是对生物技术不感兴趣的学生来说，被动式教学方法很难取得效果。传统生物技术教学中，实验课的开设是生物技术理论课的重要支撑。一般来说，生物技术实验课的开设需要较大的实验场地，实验费用较高，花费时间较长，有些实验会因安全性问题受限。随着生物技术的高速发展，一些新技术和新理论层出不穷，掌握这些新技术和理论对于生物科学专业人士是必备的。然而，一些最新的设备和耗材的价格往往令人望而却步，使得一般的学校几乎无法提供这些现代化的仪器、设备，如第二代基因测序仪、LTQ-orbitrap系列质谱仪等等。即使一些高校拥有这些最新的设备、仪器，但由于仪器维护、使用费高也不能用于教学。将生物实验数字化游戏模拟后不仅节约成本、安全而且还能大大提高学生对生物技术学习的兴趣和动力，生物实验数字化游戏模拟将很大程度提高教学效果[1]。因此拟在生物技术概论教学过程中引入数字化游戏模拟生物技术实验来提高学生积极参与性和学习兴趣，进而提高教学效果。将生物技术与现实生活结合起来，例如在基因工程教学过程中利用互动3-D动画引入“犯罪侦破”，学生通过学习的基因工程的知识参与游戏故事中，进而通过犯罪现场采集血液，PCR和凝胶实验来确定犯罪人。
二生物技术实验数字化游戏模拟
目前生物科学或生物技术数字化游戏模拟较成功的网站：Labster网站，EteRNA网站和Phlyo网站。截止到目前为止Labster网站已经制作29个数字化游戏模拟实验，包括细胞培养实验(cellculturebasicslab),血糖实验(室bloodsugarlab),生物电路实验室(biologicalcircuitlab),合成生物学实验室(syntheticbiologylab),减速分离实验(meiosislab),(基因表达实验室)geneexpressionlab,(细胞呼吸实验室)cellualrrespirationlab,(蛋白质合成实验室)proteinsynthesislab,(海洋生态生物学实验室)ecology-marinebiologylab,进化实验室(evolutionlab),有丝分裂实验室(mitosislab),光合实验室(photosynthesislab),富营养化生态实验室(ecology-eutrophicantionlab),酶动力学实验室(enzymekineticslab),发酵实验(fermentationlab),介绍性实验室(introductorylab),动物遗传实验室(animalgeneticslab),基因调控实验室(generegulationlab),医学遗传实验室(medicalgenenticslab),分子克隆实验室(molecularcloninglab),第二代测序实验室(nextgenerationsequencinglab),犯罪现场调查实验(CSIlab),细胞遗传实验室(cytogeneticslab),细菌分离实验室(bacterialisolationlab),显微实验室(microscopylab)和(高效液相色谱实验室)HPLClab（）。游戏化模拟生物技术实验还不断地在更新，例如正在制作的植物转基因实验室(planttranscriptomicslab),流动注射分析实验室(flowinjectionanalyisislab),抗体实验室(antibodieslab)等。例如CSIlab中学生通过一个神秘的谋杀案的调查、分析来学习聚合酶链式反应（PCR）和凝胶电泳。CSIlab中设置科学问题，引导学生寻找线索，科学分析，最终提供确凿的证据来指控犯罪嫌疑人。在CSIlab中，首选在犯罪现场收集谋杀者遗留下的血迹来获得DNA，之后学生可以将血样带到虚拟实验室进行提取、纯化DNA，PCR扩增，凝胶电泳。在游戏化模拟实验中不仅可模仿真实实验室的PCR操作，还可在实验过程中伴随着回答科学问题来检查学生对内容的理解。在CSIlab中也提供了DNA，PCR，DNA图谱及小串联重复序列的背景知识。更重要的是如果学生指认无辜的人为犯罪嫌疑人的话，在游戏化模拟期间将会收到一份重要虚拟报纸式文章来认定学生在实验过程中不坚持科学的方法。Labster团队制作数字化游戏模拟生物技术实验提供一个身临其境的实验室环境和3D动画视觉，其中并伴随着科学问题的回答。学生通过选择答案的方式回答科学问题，直到选择到正确的答案才可以继续下一步，随后数字化游戏模拟生物技术实验给出答案正确的原因。这种即时反馈可激发学生反思实验操作过程，提高对潜在理论知识的理解。此外，为了增强学生对不可见分子事件的理解，3D动画展示了微观分子发生过程。生物科学教学中数字化游戏模拟不仅仅用于学生的课堂教育，最近有团队开了“公民科学”游戏，例如：Foldit，EteRNA和Phlyo，其不仅教给公民科学现象，同时也帮助研究人员开发新的科学有效的理论或软件。尽管这些科学游戏模拟的主要目的不是为了教育，而是鼓励公民参与科学过程。但这些“公民科学”数字化游戏仍需要应用教育的策略来传授给玩家基本知识，使他们能更好地发挥[11]。
三数字化游戏模拟实验效果及前景
相对于传统的教学，数字化游戏模拟可以显著地提高教学结果和学校的动机。Malasetal（2016）建立“Gamifiede-learningdesignmodel(GED)”并通过收集的数据、问卷调查及应用游戏化系统学习学生的测试表明数字化游戏学习可以提高学生的参与性，行为能力及学习动机，进而促进学习效果[9]。Makranskyetal.,(2015)在哥本哈根大学对一年级本科生进行了细胞遗传学数字化游戏模拟实验教学。该课程三小时，其中包括30分钟的预测试—根据基础知识，动机和自我效率对学生进行评估；而后学生参与数字化游戏模拟实验室教学2小时，最后30分钟进行测试。该研究表明从预测试到测试学生的知识，动机和自我效率有着明显的提高，其中在动机和自我效率方面最差的学生的收获最大，而低，中和高成绩的学生获得了相似的正相关增长[8]。Bondeetal.,(2014)报道对丹麦技术大学91个学生进行测试，在生命科学教学中引入了CSIlab，测试结果显示与讲座式教学相比，数字化游戏模拟实验结合讲座与数字化游戏模拟实验教学相结合的教学效果有明显提高（Studentst-test,t(89)=-4.37,P<0.0005;**t(90)=-7.49,P<0.0005）[1]。Drace（2013）在本科生微生物概论教学中引入数字化游戏模拟实验，教学氛围三个阶段：第一阶段时训练计划，学习学习一些基本技术和和微生物学技能；第二阶段是训练、发展技能，如给予每个实验中一个虚拟的病原体，来确定未知细菌。并通过纸片扩散法研究其抗抗生素潜力；第三个阶段时应用微生物学技能阶段，即学生可以利用微生物净化水质、发酵食品及微生物燃料产能。学生对数字化游戏实验方式反应是积极的，匿名调查表明学生积极并非常有兴趣地参与实验。学生喜欢数字化游戏实验中互动，并能将学习的技能和知识很好的结合起来[3]。总体来说，这种数字化游戏模拟教学方式仅少数教育部门应用到生物技术教学中，原因可能大部分教育机构仍然更注重知识的传授及资源和条件的限制。在今后生物技术教育中引入数字化游戏模拟是非常有潜力的教学方式，学生可以反复模拟练习，节约实验室空间、无限昂贵的实验设备及避免真实实验操作过程中的危险。未来期望更多的研究者和公司合作研发、评估更多的生物技术数字化游戏模拟用于生命科学的教育中。
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