2022年3月31日

scratch作丟硬幣活動模擬遺傳法則

 歷年各版教科書中,在孟德爾遺傳法則的課程中,有一個活動是用來模擬遺傳法則的,大致上像這樣:

兩人一組,每人兩張紙卡,分別寫上A和a,或是每人一個硬幣,以人頭當A,字當a。接下來每個人隨機丟出一張紙卡或是投擲硬幣,模擬生小孩,把兩人出的A/a組合在一起就成了下一代的基因型。

重複這個步驟10次後,計算AA、Aa、aa 的數量,並計算顯隱性的比為多少,理論上Aa x Aa的子代中,顯隱性的比值是3,但是實際上全班作這樣的活動下來,真的能拿到比值為3的組數十分稀少。即便把全班的數據都加在一起平均,恐怕也還是拿不到3。

當然,我們知道比值為3這件事,得在數量夠大的情況才能達到,但是數量到底要多大呢?


我用Scratch寫了一個視覺化的程式來模擬看看。這裡可以調整的參數有兩個,第一個是每組生幾個,也就是兩人一組作活動,一組規定產生幾個子代。第二個是總共有幾組參加活動。

若是依照一般教科書活動中的參數來進行,每組生10個子代,全班分成15組,會發生什麼結果呢?當你按下一次「生吧」的按鈕,就代表全班都進行了一輪這樣的活動,你會發現右下角的長條圖從比值為1到比值為9的,通通都有。而圖表上的平均值和標準差,則幾乎都呈現Infinity,這是因為其中有一組以上根本沒有生出aa,以至於無法計算比值,進而就無法統計全班的平均值和標準差了。



你多按幾下有機會用這樣的參數,能生出可以計算平均值標準差的情況。但即便能計算,能算出平均值為3的機會也很少。



注意我這邊計算的平均值和標準差是將各組的比值進行統計,而非一般教室進行時,將全班的AA、Aa、aa合併數量計算單一平均值。如果是後者的計算方式,那等同於全班只有一組,共生150個孩子的模式。雖然總數是一樣的,但統計上的意義完全不同。




我們把數據調極端一點來看,如果依舊是每組生10個,但是共有1000組進行活動,那會是怎樣呢?全班的數據分佈情況非常廣,而因為每組只有生10個,所以很容易出現沒生出aa的情況,所以平均值和標準差就無法計算了。


但如果每一組生的小孩數量多一些呢?例如,一組生100個,而共有1000組進行,則我們會觀察到分佈圖呈現集中在3,往兩端的數據會減少。


而逐步將每組生的數量提高後,分佈情形會開始往中間集中,也就是標準差漸少的情況


如果你對這樣的模擬有興趣,可以到下面這個連結試試看。

https://scratch.mit.edu/projects/667462387

2022年3月27日

花的觀察-咸豐草的排序

在作「花的觀察」的課程活動時,我一直很喜歡加上 從花到果的大花咸豐草觀察

材料取得很方便,只是要注意每次作這觀察時,通常都剛好是學校修剪花木的時候,我得搶時間。

給學生的採集任務很簡單,讓學生採出五個不同的階段就好



要能在同一個時間看到花和果,其實還不太容易耶,但是因為有咸豐草,喔事情就簡單很多了。


採集完之後,就是讓學生在桌上進行排序了,通常有一半以上的學生在第一次排序時都會排錯。此時也先不用糾正,就只要給個提醒「想想哪些階段是可以沾在衣服上的?這些階段能沾在衣服上又有什麼好處?」




給了這樣的提示,大多數學生也都能排對了。

接著就讓學生如這篇「 從花到果的大花咸豐草觀察」,從最後一個階段開始拆開,也就是那個學生通常以為是種子,但其實是瘦果的階段開始。一路拆到那個以為是一朵花,但其實是一個花序的階段。

大部分學生拆到管狀花時,只要再略給點提示,他們必定能發現原來以為只是花蕊的部份居然是一朵小花,而且他們也都能看到五枚花瓣呢!

接著就可以進入顯微鏡的觀察,讓學生觀察花瓣上的突起、花粉粒、瘦果倒勾等。如果是想看胚珠,那咸豐草可能就不太適合了。


分子模型的分子課程

這學期生物專研的前幾週安排的課程主軸是從DNA到蛋白質,不過內容還包含了認識一些常講到的分子結構,像是葡萄糖、澱粉、胺基酸、蛋白質等,所以就採取講解了結構之後,再讓學生實際拼出分子模型。

材料包含了四種原子和連接棒


第一個認識的就是胺基酸,其實對國中生來說胺基酸就只是個名詞,要講得清楚勢必要多花一些時間,不過教科書的設計也沒有打算要讓學生多清楚。好在專研課可以讓學生多了解一些,知道胺基酸是個帶有胺基的酸。
大家先按圖組出了胺基酸的基本構造之後,隨後由學生任由圖裡20種胺基酸任組出一種,並且記得名字和縮寫。



隨後,兩個兩個一組,把胺基酸組成二肽



然後十多個學生就可以組成寡肽到多肽化合物




再讓學生想像一下,這個東西如果到50幾個胺基酸的話,就會是怎樣的分子。相對於水分子或氧分子,大家的分子大小差異是如何。

而由於大家組成的寡肽是有特定序列的,所以接續的課程就可以再說明胺基酸的序列會影響蛋白質的結構和功能,這部份就由點突變的鐮刀型貧血症來說明,然後就可以再倒回去說DNA的結構、序列如何影響胺基酸的序列,進而影響蛋白質的功能。

中間課程還可再穿插葡萄糖和其他單醣的結構,或是兩兩單醣組成雙醣的方式等。可以動手組裝分子模型,至少是比單純講述要生動多了,而且有趣很多。只是呢,要在一般課程實施,其實還是有時間和學生理解上的問題存在。

用Scratch 實作「反應時間程式」的探究課程

幾個月前,應邀「國民中小學探究課程設計與執行能力提升計畫」的線上揪團研習,主講了一個STEM研習。我設計了一個課程,實作從提出問題、提出假設、設計實驗、收集數據進行實驗分析的探究歷程。

我給的課程大綱如下:

探究的主題為「反應時間」,你覺得紅色的刺激物會比綠色刺激物,有更快的反應時間嗎?大的刺激物會比小的刺激物有更快的反應時間嗎?你可以用這次的課程學會如何設計屬於自己的程式。

整個課程中,你將實作以下過程:

1.練習預測,在做實驗之前,依照現有的知識及理論,推論可能發生的實驗結果。

2.使用scratch或micro:bit開發線上測試反應時間的程式。研究者將根據自己提出的問題,設計不同刺激類型的程式,觀察其對反應時間的影響。

3.統整實驗數據,學習以EXCEL進行實驗分析,製作解決不同問題所需的圖表。但在進行實驗之前,你想過應該如何設計紀錄表格嗎?紀錄收集後,又應該使用哪種圖表來呈現資訊,來解釋你所提出的問題?

4.寫出結果和結論,「結果」是將實驗數據以適合的圖表客觀呈現,並輔以合宜充分的圖說進行說明,使圖表得以獨立於報告正文存在。「結論」是回應你所提出的問題,並提出假說,在觀察到這些現象之後,猜測背後可能的原因。


當天實作是採用Scratch進行的,相對於Micro:bit有更多可以加入操縱變因的部份,而且也能方便匯出數據進行後續分析。

當天課程採用了混成式學習,包含線上同步與非同步方式進行。非同步的部份,由我事先錄製影片說明,教學影片和範例程式如下。有興趣學習的,可以藉由以下的影片連結,自己學習。

1.用scratch製作反應時間測試程式-01-基礎程式


2.用scratch製作反應時間測試程式-02-設計等待時間為操縱變因


3.反應時間的EXCEL分析-分析刺激物出現前的等待時間與反應時間關係


4.用scratch製作反應時間測試程式-03-改變刺激物的顏色為操縱變因