虛擬仿真教學(xué)在遺傳學(xué)果蠅雜交實驗教學(xué)中的應(yīng)用與思考

王春秀 孫向麗

【摘要】針對根據(jù)國家高教趨勢，建設(shè)在線開放課程教學(xué)，理論課的在線建設(shè)教學(xué)已經(jīng)彰顯其優(yōu)勢，但對實驗課怎樣與之同步開展進行教學(xué)模式改革迫在眉睫。本文從動物遺傳學(xué)實驗中果蠅雜交實驗的特點論述了該實驗運用仿真教學(xué)的必要性，教學(xué)中如何使用仿真教學(xué)，以及使用仿真教學(xué)的幾點建議，為遺傳學(xué)果蠅雜交的實驗教學(xué)提供幫助和參考。

【關(guān)鍵詞】動物遺傳學(xué)實驗課? 仿真教學(xué)? 果蠅雜交

【基金項目】河南省2021年線上線下混合一流本科課程《動物遺傳學(xué)》（教高【2021】174號）。

【中圖分類號】G64 ? 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）33-0189-02

動物遺傳學(xué)是高校生物類科學(xué)專業(yè)重要的專業(yè)課基礎(chǔ)課，動物遺傳學(xué)實驗是遺傳學(xué)理論的進一步延申，是該課程教學(xué)體系的重要組成部分，通過實驗的操作加強理解抽象的遺傳學(xué)理論。果蠅的單因子雜交實驗，伴性遺傳和雙因子雜交實驗是本門實驗課中極為重要的實驗，讓學(xué)生更好地理解掌握這三個果蠅的雜交實驗，是動物類遺傳實驗課的主要內(nèi)容。由于果蠅生長和雜交過程受各種因素的影響，使得實驗結(jié)果誤差較大，直接影響了該實驗課的教學(xué)效果。2012年國家提出在線開放課程，在2015年出臺《關(guān)于加強高等學(xué)校在線課程建設(shè)應(yīng)用和管理的意見》，受2020年新冠肺炎疫情的影響，教育部發(fā)文[2020]7號和高教廳[2020]2號文件等，揚州大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和河南農(nóng)業(yè)大學(xué)等高校農(nóng)業(yè)專業(yè)開展了動物遺傳學(xué)在線課程建設(shè)，但實驗課有需要學(xué)生參與實踐操作的特點，本文就仿真教學(xué)在果蠅雜交實驗教學(xué)中的應(yīng)用，談?wù)勛砸褜@方面的認識。

1.遺傳學(xué)果蠅三大雜交實驗的特點

在遺傳學(xué)實驗的教學(xué)中， 驗證遺傳學(xué)分離規(guī)律、自由組合規(guī)律和連鎖互換規(guī)律，動物遺傳學(xué)采用果蠅作為研究對象驗證遺傳學(xué)規(guī)律的經(jīng)典實驗。果蠅的雜交實驗結(jié)果的成功與否，對遺傳學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)意義重大，孟敏[1]等對果蠅雜交小實驗進行探討，齊璐璐[2]等開展了果蠅雜交綜合實驗?zāi)K的探索，孫桂榮[3]等對實驗課內(nèi)容整合優(yōu)化果蠅實驗課內(nèi)容。果蠅雜交實驗的目標(biāo)任務(wù)通過對已知的獨立的相對性狀，通過F2代設(shè)計，收集F2代不同表型個體，驗證是否孟德爾遺傳規(guī)律，加深理解孟德爾遺傳學(xué)規(guī)律的內(nèi)涵。因此，F(xiàn)2群體的雜交過程，F(xiàn)2代個體數(shù)量是否足夠，表型分離是否明細等尤為重要。而果蠅雜交實驗主要包括培養(yǎng)基的配制，果蠅的生活史觀察、果蠅雌雄性別鑒定、處女蠅選擇、親本雜交，F(xiàn)1的自交、F2 代表現(xiàn)型的結(jié)果統(tǒng)計，最后的結(jié)果統(tǒng)計和卡方檢驗。由于飼養(yǎng)的周期比較長，需要購買大量的果蠅瓶和制作培養(yǎng)基的材料。環(huán)節(jié)多，任務(wù)重。有的還會出現(xiàn)培養(yǎng)基發(fā)霉，果蠅培養(yǎng)基在制作過程中，對滅菌的要求非常嚴(yán)格，稍有不慎，就會出現(xiàn)培養(yǎng)基發(fā)霉的現(xiàn)象，讓果蠅無法生長，培養(yǎng)基過干過稠，果蠅無法吸收營養(yǎng)而生長緩慢，培養(yǎng)基過稀，果蠅容易粘到培養(yǎng)基上而導(dǎo)致死亡。加上果蠅因生長周期短，如果放飛不及時，很容易近親繁殖等，造成果蠅質(zhì)量較低。F1代群體數(shù)量少以及受溫度濕度的影響，溫度高，果蠅容易死亡，溫度低，果蠅無法正常生長;果蠅生長的生化箱溫度、濕度、通風(fēng)等不能滿足果蠅生長環(huán)境時，果蠅生長受影響，也會導(dǎo)致最后的實驗無法按時進行，甚至造成實驗失敗。果蠅雌雄性狀識別難度大，在F2代統(tǒng)計時，由于果蠅雌雄分辨不準(zhǔn)確、造成收集F2代表型數(shù)據(jù)誤差大等，統(tǒng)計結(jié)果可能出現(xiàn)不符合孟德爾遺傳規(guī)律，讓學(xué)生進入誤區(qū)，與實驗初衷相悖。上述果蠅雜交實驗存在工作量大、影響果蠅生長的因素多等問題，說明常規(guī)的實驗方法已經(jīng)不能很好地滿足遺傳學(xué)實驗，因此需要改進新的教學(xué)模式。

2.虛擬仿真教學(xué)在果蠅雜交實驗中應(yīng)用的意義

虛擬仿真實驗教學(xué)，就是通過虛擬的系統(tǒng)把動物生長發(fā)育、操作復(fù)雜技術(shù)等過程演示出，讓學(xué)習(xí)者如身臨其境的操作一樣，是現(xiàn)代信息技術(shù)和專業(yè)知識相融合的新型產(chǎn)物，這項技術(shù)在人類醫(yī)學(xué)、工程管理等領(lǐng)域有了應(yīng)用。虛擬仿真實驗教學(xué)其核心是依托虛擬現(xiàn)實的景象、利用多媒體技術(shù)、人機交互、動畫制作等技術(shù)，構(gòu)建出高度能模擬動物生長發(fā)育等復(fù)雜環(huán)境的仿真虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，完成我們現(xiàn)實無法按時完成的或者不容易完成的實驗內(nèi)容。通過這種教學(xué)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，來提高認知以達到實踐教學(xué)的效果。理論課教中仿真技術(shù)在也得到利用[4]，虛擬仿真教學(xué)也在實驗課教學(xué)中進行探索[5-6]，讓虛擬仿真運用到教學(xué)中，不僅是更是實驗教學(xué)的發(fā)展方向，更是未來實驗教學(xué)的大方向和趨勢。

2.1 降低實驗教學(xué)成本，縮短實驗周期

仿真教學(xué)可以模擬果蠅生長的整個過程，在外界條件適宜情況下，果蠅生長需要12天，培養(yǎng)親本到雜交F2代的產(chǎn)生，前后大約需要45天。一旦某個環(huán)境失敗，需要從新雜交，需要時間更長，另一方面，針對學(xué)生多，實驗經(jīng)費不足的情況下，選擇虛擬仿真，把果蠅雜交過程需要注意的核心事項和關(guān)鍵環(huán)境通過設(shè)置通過選項，通過才可以進行下一步的學(xué)習(xí)，運用特殊技術(shù)將實驗過程壓縮成幾十分鐘，使學(xué)生在短時間內(nèi)經(jīng)歷果蠅從卵變成一齡幼蟲，二齡幼蟲，三齡幼蟲，蛹，最后變成成蟲;先選擇處女蠅進行雜交，得到親本，然后用雌雄親本雜交得到F1代，F(xiàn)1代自交得到F2代。這一過程，利用仿真技術(shù)來完成降低教學(xué)成本，因?qū)W生了解全部過程，增加學(xué)習(xí)的積極性。

2.2 雜交過程能自行掌握，避免實驗失誤，減少誤差

利用仿真教學(xué)，果蠅的種類，雌雄果蠅的數(shù)目，果蠅在不同環(huán)境條件下生長規(guī)律等進行設(shè)置，可以根據(jù)實驗群組的需要自行設(shè)定，使學(xué)生清楚地把握整個實驗過程的來龍去脈。學(xué)生可以控制實驗過程的進程，隨時可以重復(fù)學(xué)習(xí)某個章節(jié)，不受疫情停課的影響，這是在傳統(tǒng)課堂中不可想象的。

2.3 節(jié)約資源，增強實驗效果

仿真教學(xué)在果蠅雜交實驗中的運用，不用購買很多的果蠅瓶和做培養(yǎng)基的材料。這不僅節(jié)省了資源，降低成本，提高了效率，還增強了實驗的效果。而且運用多媒體仿真技術(shù)創(chuàng)造出陣勢優(yōu)美的畫面，配以動聽的音樂，大大提高了學(xué)生對果蠅雜交實驗這幾個章節(jié)的學(xué)習(xí)興趣，節(jié)約了資源，提高了效率，增強了效果，讓實驗課的課堂變得更加多樣化、科學(xué)化。

3.在果蠅雜交實驗中運用多媒體仿真教學(xué)的幾點建議

3.1 多媒體仿真制作的技術(shù)要求

完整的仿真教學(xué)硬件系統(tǒng)大致包括電腦、投影儀、話筒、音響設(shè)備、學(xué)生終端、課件播放軟件、教學(xué)效果反饋軟件等等，只有這樣一套完整的系統(tǒng)才能保障教師最佳的實驗教學(xué)效果。而且，作為遺傳課實驗的教師必須熟悉仿真教學(xué)的流程，隨時解答學(xué)生對仿真教學(xué)提出的問題，及時答疑。

3.2 對果蠅的雜交的制作要求

針對蠅雜交的特點，仿真教學(xué)要做到將音頻、視頻、動畫等多種形式結(jié)合起來。能熟練運用仿真教學(xué)，實用與制作的完美結(jié)合，力求生動、鮮明，讓學(xué)生身臨其境，易于理解和掌握，并且有視覺上的享受。仿真三維動畫的應(yīng)用，讓果蠅的生長和雜交更為逼真。

3.3 結(jié)合實驗存在的問題模擬場景

果蠅的交雜，在適宜的溫度下進行，親本的選擇，F(xiàn)1代的放飛和自交，F(xiàn)2代的數(shù)目都嚴(yán)格按照實驗的要求設(shè)定，做好正反交的結(jié)果統(tǒng)計。在實際實驗中，受環(huán)境的影響，處女蠅的選擇，F(xiàn)1代放飛的是否完全，果蠅轉(zhuǎn)移過程中有部分未被轉(zhuǎn)移干凈等，存在實驗誤差，所以在設(shè)計多媒體仿真課件時，也必須模擬這些要素存在時的實驗結(jié)果，讓學(xué)生更好地了解此實驗。如果條件允許，在多媒體仿真課件中，播放以往果蠅雜交實驗中學(xué)生實際操作的視頻，讓學(xué)生更直觀實際地了解這個實驗的注意事項。也可以是學(xué)生先看多媒體中果蠅雜交的過程，提高實驗的準(zhǔn)確性和對實驗細節(jié)的記憶力。

總之，如何更好地上好果蠅雜交實驗課，還有很多的經(jīng)驗值得摸索，多媒體虛擬仿真的應(yīng)用只是其中的一種輔助手段。仿真實驗可以說是實際實驗的的前提，而實際的操作又是對仿真實驗的驗證。二者的關(guān)系是相輔相成的，相互印證的過程。虛擬仿真實驗最核心技術(shù)是構(gòu)建出合適模型，而構(gòu)建符合專業(yè)特點的模型，需要前期的理論和實踐結(jié)果。同時，仿真結(jié)果是在一個特定模型下的計算結(jié)果。所以，從這一點來看，仿真不能完全代替實際實驗。從另一個哲學(xué)的觀點來看，“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，仿真也不能完全代替實踐，但是也不能因此就否認仿真的合理性。

虛擬仿真多媒體教學(xué)，解決實驗周期長、環(huán)境復(fù)雜等實驗課的教學(xué)，但學(xué)生需親自動手實驗，親自動手不僅加深印象，提高動手能力，而且能很好地分析實驗失敗的原因，還能提高學(xué)生對實驗的興趣，體會實驗成功的快樂，因此，需合理利用多媒體仿真教學(xué)?；谖以趯嶒灲虒W(xué)中的探索思考，給同行的動物遺傳實驗工作者提供可行的參考。

參考文獻：

[1]孟敏，胡甘，王竹林等.果蠅雜交實驗教學(xué)小竅門[J].實驗技術(shù)與管理，2015（32）：173-175

[2]齊璐璐，姜先榮，周亞彬等.遺傳學(xué)實驗教學(xué)中果蠅雜交實驗整合的探索[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報，2015（3）：114-117

[3]孫桂榮，王春秀，李春麗等.地方高等農(nóng)林高校動物遺傳學(xué)實驗教學(xué)的思考[J].課程教育研究，2017（44）：242.

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作者簡介：

王春秀（1973年-），女，河南信陽人，碩士，實驗師，從事動物遺傳育種的研究。