虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中的探索與實(shí)踐

耿曉進(jìn)，李海清，馮 雪，孫艷香，賈永紅

（廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000）

0 引言

遺傳學(xué)是生物專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其中的果蠅雜交是經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，綜合性很強(qiáng)，也是遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前許多高校開(kāi)展的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，果蠅雜交系列實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)雖然有助于學(xué)生快速獲取并內(nèi)化基礎(chǔ)知識(shí)，掌握基本實(shí)驗(yàn)操作技能［1］，但驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)往往存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有限、方法單一、結(jié)果固化、學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和科研探索能力得不到鍛煉、部分學(xué)生甚至敷衍應(yīng)付［2］等問(wèn)題，教學(xué)效果不夠理想，并且雜交實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多、耗時(shí)長(zhǎng)。為此，多數(shù)高校設(shè)計(jì)了整合方案，通過(guò)遺傳定律的內(nèi)在聯(lián)系，將雜交實(shí)驗(yàn)整合成一個(gè)雜交組合來(lái)完成［3］。綜合實(shí)驗(yàn)雖然節(jié)省了時(shí)間，但內(nèi)容過(guò)多，實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析易混亂，短時(shí)間內(nèi)學(xué)生難以吃透綜合實(shí)驗(yàn)的原理和操作，未能形成綜合、系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)思維，達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果。

為解決以上問(wèn)題，本著“虛實(shí)結(jié)合，以虛促實(shí)”的原則，引入了北京歐倍爾公司果蠅雜交系列實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，并將此模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)踐，以期激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力，從而提高實(shí)驗(yàn)效率。

1 研究對(duì)象與數(shù)據(jù)分析

1.1 研究對(duì)象

采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)合的教學(xué)模式，在廊坊師范學(xué)院2020級(jí)生物科學(xué)類本科專業(yè)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)——果蠅雜交實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了實(shí)踐與研究。該專業(yè)2020級(jí)共212名學(xué)生，大二春季學(xué)期開(kāi)設(shè)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，此前已完成遺傳學(xué)理論課程學(xué)習(xí)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

課程結(jié)束后，從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)導(dǎo)出學(xué)生操作和考核數(shù)據(jù)，從教務(wù)管理系統(tǒng)導(dǎo)出學(xué)生考核成績(jī)，用Excel 軟件分析數(shù)據(jù)。將采用虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式的2020 級(jí)與未采用虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式的2019 級(jí)生物科學(xué)類本科學(xué)生的考核成績(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，用IBM SPSS Statistics 21 軟件做統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析。

2 虛實(shí)結(jié)合的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建

2.1 果蠅雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

果蠅雜交系列實(shí)驗(yàn)共有7 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，涉及雜交實(shí)驗(yàn)的全部過(guò)程，包括果蠅雜交基本技術(shù)、果蠅雜交實(shí)驗(yàn)（單因子雜交、兩對(duì)因子的自由組合、伴性遺傳、基因的連鎖和交換、三點(diǎn)試驗(yàn)）以及果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的拓展（兩對(duì)因子的自由組合特例）3 個(gè)模塊。通過(guò)虛擬仿真與實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)合，構(gòu)建了“虛實(shí)結(jié)合、以虛促實(shí)”的教學(xué)體系（表1）?！疤搶?shí)結(jié)合”是指對(duì)于操作復(fù)雜的雜交實(shí)驗(yàn)，采用課前線上虛擬仿真練習(xí)，線上交流，教師根據(jù)練習(xí)和交流情況，線下有針對(duì)性地講解示教，學(xué)生實(shí)體操作的混合式教學(xué)模式，以便在有限的實(shí)體操作次數(shù)下，達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果?！耙蕴摯賹?shí)”一方面是指學(xué)生通過(guò)虛擬仿真練習(xí)，熟練掌握操作節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)效率；另一方面，“拓展提高”部分作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高教學(xué)深度，學(xué)生在線上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)后，在教師的引導(dǎo)下查閱文獻(xiàn)，研究討論，助力學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)。

2.2 果蠅雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系

教學(xué)評(píng)價(jià)采用實(shí)體實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，構(gòu)建多元化的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系（圖1），主要包括過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)，各占50%。過(guò)程性評(píng)價(jià)除了線下出勤情況、課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、章節(jié)測(cè)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告幾個(gè)方面外，還將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中練習(xí)情況、在線交流、在線考核等作為評(píng)價(jià)內(nèi)容。終結(jié)性評(píng)價(jià)為期末考試，教師就實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)、方法、關(guān)鍵步驟、學(xué)生實(shí)驗(yàn)和交流過(guò)程中存在的問(wèn)題等重難點(diǎn)進(jìn)行期末考核。多樣化的考核方式不僅能對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)起到一定監(jiān)督作用，還能更有效地反饋學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，有利于教師隨時(shí)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和內(nèi)容。

圖1 果蠅雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系

2.3 果蠅雜交實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

教學(xué)實(shí)施過(guò)程分為課前、課中、課后3 個(gè)模塊，具體流程見(jiàn)圖2。

圖2 果蠅雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過(guò)程

課前，教師按照教學(xué)進(jìn)度布置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)任務(wù)。學(xué)生可在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下載實(shí)驗(yàn)報(bào)告和操作手冊(cè)，在預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)習(xí)安排進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，應(yīng)用虛擬材料和設(shè)備，通過(guò)人機(jī)交互式操作進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析等實(shí)驗(yàn)流程。學(xué)生可在留言區(qū)提出自己遇到的問(wèn)題，發(fā)表學(xué)習(xí)感想。教師在后臺(tái)查看學(xué)生操作記錄，包括操作時(shí)間、次數(shù)、操作失誤點(diǎn)、考核情況和留言區(qū)反饋等，初步掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，了解學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和弱點(diǎn)，進(jìn)一步調(diào)整和完善實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)。

課中，教師就虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作中遇到的問(wèn)題和難點(diǎn)進(jìn)行講解和示教，在此基礎(chǔ)上學(xué)生進(jìn)行實(shí)體操作，主要操作內(nèi)容包括培養(yǎng)基配制、果蠅生活史觀察、性狀觀察、性別鑒定、接種、麻醉、收集親本蠅、雜交實(shí)驗(yàn)等。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)選取的親本蠅做雜交實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，匯報(bào)討論，教師引導(dǎo)、答疑。

課后，學(xué)生查看雜交情況，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和章節(jié)測(cè)驗(yàn)。同時(shí)，學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況，進(jìn)入拓展提高項(xiàng)目，展開(kāi)個(gè)性化學(xué)習(xí)。教師根據(jù)教學(xué)情況反思教學(xué)過(guò)程，進(jìn)一步完善教學(xué)體系。

3 教學(xué)實(shí)施效果

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用情況分析

在統(tǒng)計(jì)分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生參與度非常高，多數(shù)學(xué)生反復(fù)練習(xí)實(shí)驗(yàn)操作，在線考核成績(jī)逐次遞增。尤其是三點(diǎn)試驗(yàn)和伴性遺傳2 個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生操作次數(shù)最高，均超過(guò)500 人次（圖3）。而且，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的完成率均達(dá)到80%以上。由此可見(jiàn)，學(xué)生對(duì)虛擬三維高仿真度、高交互性的實(shí)驗(yàn)操作有很大的興趣，愿意克服困難，不斷進(jìn)行模擬訓(xùn)練。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作人次統(tǒng)計(jì)分析

圖4 實(shí)驗(yàn)平均用時(shí)統(tǒng)計(jì)分析

學(xué)生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平均用時(shí)在12min 左右（圖4），與國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)上果蠅雜交系列實(shí)驗(yàn)的平均用時(shí)（12min）一致。說(shuō)明學(xué)生在理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)操作和計(jì)算機(jī)操作等方面達(dá)到了國(guó)內(nèi)同專業(yè)學(xué)生平均水平。

3.2 考核成績(jī)分析

3.2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在線考核成績(jī)分析

學(xué)生虛擬仿真6 個(gè)實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)，除伴性遺傳實(shí)驗(yàn)優(yōu)秀率77.84%外，其他5 個(gè)實(shí)驗(yàn)優(yōu)秀率均在80%以上，不及格率均低于15%。而國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)上果蠅雜交系列實(shí)驗(yàn)優(yōu)秀率僅56.56%，不達(dá)標(biāo)率為24.55%，說(shuō)明廊坊師范學(xué)院2020 級(jí)生物科學(xué)類本科專業(yè)學(xué)生在果蠅雜交系列實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)理解和實(shí)驗(yàn)操作技能等方面取得了很好的學(xué)習(xí)效果。

與其他實(shí)驗(yàn)相比，三點(diǎn)試驗(yàn)和伴性遺傳實(shí)驗(yàn)優(yōu)秀率占比較低，不及格率較高。可能與學(xué)生高中生物學(xué)習(xí)基礎(chǔ)有很大關(guān)系，基因分離定律、自由組合定律及連鎖互換定律是高中生物的重點(diǎn)內(nèi)容，在反復(fù)教學(xué)過(guò)程中學(xué)生已經(jīng)熟練掌握這些規(guī)律。三點(diǎn)試驗(yàn)是用一次雜交和一次測(cè)交確定三個(gè)基因在同一染色體上的順序和距離，也就是確定遺傳圖距，操作復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)原理的理解和數(shù)據(jù)分析都有一定難度，而且是學(xué)生未接觸過(guò)的實(shí)驗(yàn)。伴性遺傳雖然也是高中生物的內(nèi)容，但高中偏重于定性分析，雜交實(shí)驗(yàn)不僅有定性分析，而且需要定量分析，這也是優(yōu)秀率低、不及格率高的原因之一。雖然這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)難度較大，但三點(diǎn)實(shí)驗(yàn)學(xué)生操作人次最高（圖3），說(shuō)明學(xué)生對(duì)于果蠅雜交系列實(shí)驗(yàn)有很高的學(xué)習(xí)熱情。

3.2.2 期末成績(jī)分析

為了更好地分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，將2019 級(jí)與2020 級(jí)生物科學(xué)類遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)期末成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表2）。2019級(jí)學(xué)生僅采用實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)，未采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式。2 個(gè)年級(jí)前期學(xué)習(xí)基礎(chǔ)相同，雖然期末試卷題目不同，但是涉及的知識(shí)點(diǎn)相似。由表2 可以看出，2020 級(jí)學(xué)生平均成績(jī)比2019 級(jí)學(xué)生平均成績(jī)高2.055 分，標(biāo)準(zhǔn)差和標(biāo)準(zhǔn)誤也明顯較低。說(shuō)明虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)，而且明顯縮小了學(xué)生之間的成績(jī)差異，班級(jí)整體學(xué)習(xí)效果良好。

表2 學(xué)生成績(jī)統(tǒng)計(jì)分析

3.2.3 學(xué)生期末成績(jī)與果蠅雜交虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)相關(guān)性分析

將2020 級(jí)學(xué)生遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)期末成績(jī)與果蠅雜交虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)做相關(guān)性分析，去除5 個(gè)未全部完成基礎(chǔ)雜交實(shí)驗(yàn)的學(xué)生成績(jī)，共獲得203 組有效成績(jī)進(jìn)行相關(guān)性分析。由表3 可以看出，學(xué)生期末成績(jī)與果蠅雜交實(shí)驗(yàn)成績(jī)均呈正相關(guān)。其中，與單因子雜交實(shí)驗(yàn)和三點(diǎn)測(cè)交實(shí)驗(yàn)在0.01 水平上顯著正相關(guān)，與兩對(duì)因子的自由組合和基因的連鎖和互換實(shí)驗(yàn)在0.05 水平上顯著正相關(guān)。說(shuō)明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有助于提高學(xué)生對(duì)果蠅雜交系列實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識(shí)和操作技能的掌握程度。

表3 期末成績(jī)與果蠅雜交虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)相關(guān)性分析

4 討論

4.1 把握好“虛”與“實(shí)”的度

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供沉浸式、交互式實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)有身臨其境的感受和體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)教學(xué)，極大限度地增加了學(xué)習(xí)的趣味性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然而，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不能完全代替實(shí)體操作?！疤摗迸c“實(shí)”的安排要符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律，根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)掌握程度合理安排。果蠅雜交實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多，操作復(fù)雜，采用課前線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作預(yù)習(xí)，課中教師示教講解、學(xué)生實(shí)體操作，課后虛擬仿真實(shí)驗(yàn)鞏固練習(xí)、拓展提高的混合式教學(xué)模式，有助于在有限的實(shí)驗(yàn)操作次數(shù)下達(dá)到更好的教學(xué)效果。

4.2 合理選擇和利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類似于教材，作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工具和手段，能夠購(gòu)買到現(xiàn)有的高水平虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，就沒(méi)有必要花費(fèi)巨大的人力、財(cái)力重復(fù)開(kāi)發(fā)［4］。但由于各高校在實(shí)驗(yàn)室基本條件、實(shí)驗(yàn)方法等方面有所不同，導(dǎo)致虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)略有差異。因此，在購(gòu)買使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)充分考慮各自實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件的匹配度，盡量采用匹配度高的項(xiàng)目，無(wú)法匹配的操作可以采取補(bǔ)充措施。如歐倍爾公司開(kāi)發(fā)的果蠅雜交虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與本實(shí)驗(yàn)室在培養(yǎng)基配制方法、麻醉方法、果蠅培養(yǎng)瓶選擇等方面存在不同。虛擬實(shí)驗(yàn)按照傳統(tǒng)方法配制培養(yǎng)基，而本實(shí)驗(yàn)室已將傳統(tǒng)方法改良，這部分內(nèi)容由教師制作微課，供學(xué)生觀看。培養(yǎng)瓶、麻醉方法的選擇等，教師不提供固定方法，而是引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，選取不同的方法觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而優(yōu)化出最佳實(shí)驗(yàn)條件。

5 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式對(duì)遺傳學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)——果蠅雜交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)改革，從實(shí)踐研究結(jié)果來(lái)看，取得了一定效果。學(xué)生通過(guò)課前虛擬仿真練習(xí)，更好地把握了實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，提高了完成復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的能力，為順利完成實(shí)體實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)原理的理解更加深入，數(shù)據(jù)收集和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析更清晰、更深入，實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量有所提高。通過(guò)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、線上線下討論、章節(jié)測(cè)驗(yàn)、拓展提高等方式，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，鍛煉了理論學(xué)習(xí)和應(yīng)用能力，體現(xiàn)在期末成績(jī)明顯提高，班級(jí)整體學(xué)習(xí)效果良好。