種群遺傳學的多人互動式學習研究

《種群遺傳學的多人互動式學習研究》是依託清華大學，由秦永強擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：種群遺傳學的多人互動式學習研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：秦永強
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

在生物專業本科的種群遺傳學學習中，學習者理解其中的動態過程存在困難，具體表現為難以從靜態的公式、文本及圖表中理解到種群逐代繁殖過程中等位基因頻率的變化規律以及各種參數的影響。現有的輔助學習方法均針對如何由已知的種群遺傳學規律和參數得到指定變數的變化結果，忽略了向學習者表達本質原因及動態變化的過程，對協同學習未能提供支持。針對這些問題，本課題以多點觸摸桌面為平台，將種群遺傳學中的客觀規律通過支持多名學習者協同互動的動態仿真過程呈現出來，以最終達到增強學習者認知水平的目的。課題研究內容包括：1、種群遺傳學中規則所表達的數學模型研究；2、種群遺傳學數學模型所表達的動態過程的可視化仿真方法研究；3、針對仿真過程的多用戶協同互動設計。本課題通過分析種群遺傳學中客觀規律所表達的數學模型，研究相應的多人協同互動式可視化方法，能夠建立學習者對種群遺傳學的學習認知效果的科學依據，目標明確，預期效果顯著。

結題摘要

本課題針對生物專業本科生在種群遺傳學的學習效果上進行改進。當採用傳統的教育方式時，靜態的文本和圖表會造成學習者對於其中複雜的參數調整以及由於參數變化對動態過程造成的影響存在學習認知上的困難。本課題以多人互動式桌面為學習平台，研製出FloGene，將基本的概念如個體、種群、基因型、表現型、生命周期等通過可視化的手段呈現在水平的顯示表面，支持多用戶直接的手指觸摸操控；在二維的顯示表面空間上表現出生物種群的物理空間、時間、種群分布等多維信息；直接的手指觸控輸入可以方便、快捷地調節如突變率、環境選擇係數、環境承載力等各類自然相關的參數，可以準確、快速地模擬自然界的種群繁殖與進化的進程。在多人互動設計方面，採用多層級的互動原語以避免互動輸入衝突，並為用戶的面對面討論留下足夠的可能性。 本課題在設計和研發過程中一直採用“設計驗證完善測試修改完善”的疊代式互動設計方法，集合專家用戶、普通用戶測試研究於整個互動設計的進程，保證互動設計與視覺設計可以很好的為學習者提供學習幫助。FloGene進入穩定版本之後，課題組與國外的University of Nebraska-Lincoln進行深度合作，隨機從500名本科生中選取了59名用戶進行了初步的用戶研究，研究結果表明FloGene的教學效果優於已有的商業教學軟體Populus，實驗結果差異顯著。 本課題完成之後，我們將繼續進行長期深入的用戶研究，並計畫加入對移動平台的支持。互動學習是主動學習的主要發展方向，我們也將總結本課題中積累的有關用戶認知的研究，以推動更多類似互動式教育系統的進步。