信息化資源在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

韓金磊 陳 琪 王 凱 方 輝 寇小兵 張 會(huì)

（南通大學(xué)，江蘇南通 226019）

遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途經(jīng)之一。信息化資源是指涉及電子信息技術(shù)的多種數(shù)字化資源，包括數(shù)字信息庫(kù)、數(shù)字技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)、數(shù)字化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體資源庫(kù)及其相關(guān)的硬件和軟件設(shè)備等[1-2]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，其不僅對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，也為遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的方法和手段[3-4]。本文將探討信息化資源在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，以提高實(shí)驗(yàn)效率和教學(xué)質(zhì)量。

1 現(xiàn)有遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的基本情況

現(xiàn)有的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。其中，主要的優(yōu)勢(shì)之一是為學(xué)生提供了直接實(shí)踐的機(jī)會(huì)。學(xué)生通過(guò)直接參與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，不僅掌握了基本的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，還提高了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。一方面，學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)踐將理論知識(shí)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活，從而加深對(duì)遺傳學(xué)相關(guān)概念和原理的理解。另一方面，團(tuán)隊(duì)合作是傳統(tǒng)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常需要學(xué)生以小組形式討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，有效提升了學(xué)生的溝通和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

實(shí)踐中遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式同樣面臨著一些挑戰(zhàn)[5-7]。一是實(shí)施實(shí)驗(yàn)需要場(chǎng)地和耗材投入，增加了教學(xué)成本。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室資源有限的教學(xué)單位，學(xué)生進(jìn)行所有必要實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)可能較少，這不利于學(xué)生對(duì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和對(duì)遺傳學(xué)相關(guān)概念的理解。二是教學(xué)模式中學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)。在課堂環(huán)境中，學(xué)生通過(guò)教師課堂講授和演示被動(dòng)地接收信息。這種被動(dòng)的學(xué)習(xí)無(wú)法充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和獨(dú)立思考能力。三是教學(xué)模式的靈活性不足，尚無(wú)法滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求。

有限的資源、被動(dòng)的學(xué)習(xí)方法以及缺乏靈活性等制約因素，突出了在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用創(chuàng)新教學(xué)方法和整合新技術(shù)的必要性。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越需要將數(shù)字平臺(tái)、模擬軟件和在線資源納入遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。這些工具的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜遺傳學(xué)相關(guān)概念的可視化，提供交互式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，還可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效補(bǔ)充，為學(xué)生提供全面的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

2 信息化資源在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

目前，信息化資源在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[8-10]，其突破了傳統(tǒng)教學(xué)模式在時(shí)間、空間和資源等方面的局限性，提高了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的效率和精度，使生物學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展更加方便，結(jié)果更可靠。信息化資源在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用主要在以下4個(gè)方面。

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室和模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正成為遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力工具[11-13]。虛擬現(xiàn)實(shí)為學(xué)生提供了參與實(shí)踐和互動(dòng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)的機(jī)會(huì)，使他們能夠在可控和互動(dòng)的環(huán)境中探索復(fù)雜的概念和技術(shù)，通過(guò)操縱變量、觀察和分析結(jié)果，獲得實(shí)用技能和深入理解遺傳學(xué)原理。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)Labster（https：//www.labster.com/）提供了一系列專(zhuān)門(mén)為生物學(xué)教育設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以在虛擬平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論，從而增強(qiáng)學(xué)生的整體學(xué)習(xí)體驗(yàn)。BioInteractive（https：//www.biointeractive.org/）提供了大量的虛擬實(shí)驗(yàn)、動(dòng)畫(huà)和視頻資源，涵蓋了DNA結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)和基因工程等主題。通過(guò)BioInteractive 平臺(tái)，學(xué)生可以探索復(fù)雜的遺傳學(xué)概念、可視化的分子分解及合成過(guò)程，加深對(duì)遺傳機(jī)制的理解。交互式模擬平臺(tái)PhET（https：//phet.colorado.edu/）提供了許多模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)探索遺傳物質(zhì)的傳遞和遺傳變異等過(guò)程。FlyLabJS（https：//www.sciencecourseware.org/FlyLabJS/）是一個(gè)專(zhuān)門(mén)研究果蠅的虛擬實(shí)驗(yàn)室。果蠅是遺傳學(xué)研究中廣泛使用的模式生物，該虛擬實(shí)驗(yàn)室允許學(xué)生對(duì)虛擬果蠅進(jìn)行遺傳實(shí)驗(yàn)，包括雜交、突變和遺傳作圖等。通過(guò)這些模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以探索遺傳模式、分析表型以及理解遺傳學(xué)基本原理。

虛擬實(shí)驗(yàn)室和模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)圖形化界面、交互式操作和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋等，為學(xué)生提供了與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相似的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，極大地豐富了遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，具有諸多優(yōu)勢(shì)[14-15]。一是為學(xué)生提供了一個(gè)安全可控的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。二是通過(guò)讓學(xué)生參與動(dòng)手實(shí)踐、分析數(shù)據(jù)和做出決策來(lái)促進(jìn)主動(dòng)學(xué)習(xí)。三是允許學(xué)生隨時(shí)隨地獲取材料，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)，并能滿足個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求。四是提供了重復(fù)和強(qiáng)化的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生能夠重新審視實(shí)驗(yàn)并鞏固知識(shí)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)資源的整合與利用

目前已有大量的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源可用于遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。例如，NCBI GenBank（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/）是一個(gè)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，包含數(shù)千種生物的基因序列。學(xué)生可以利用GenBank搜索和檢索相關(guān)基因信息，用于研究基因變異和探索進(jìn)化關(guān)系。在線人類(lèi)孟德?tīng)栠z傳（OMIM）（https：//www.omim.org/）數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)遺傳疾病及其相關(guān)基因進(jìn)行了分類(lèi)，學(xué)生可以在OMIM獲得有關(guān)特定遺傳疾病的臨床特征、遺傳模式和分子遺傳學(xué)詳細(xì)信息。基因表達(dá)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)（GEO）（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/）同樣是一個(gè)開(kāi)放的數(shù)據(jù)庫(kù)，其收錄了大量的基因表達(dá)數(shù)據(jù)。學(xué)生可以訪問(wèn)和分析特定生物體不同組織、發(fā)育階段和實(shí)驗(yàn)條件下的基因表達(dá)譜。這些網(wǎng)絡(luò)資源的應(yīng)用有助于學(xué)生理解基因調(diào)控和遺傳因素對(duì)細(xì)胞過(guò)程的影響等。

此外，廣泛利用在線教程和課程資源也是一種重要方式。如Coursera（https：//www.coursera.org/）、edX（https：//www.edx.org/）以及中國(guó)大學(xué)MOOC（https：//www.icourse163.org/）等為學(xué)生提供了大量的遺傳學(xué)課程。通過(guò)這些平臺(tái)，學(xué)生可以進(jìn)一步豐富和拓展相關(guān)遺傳學(xué)知識(shí)，并通過(guò)作業(yè)、在線測(cè)驗(yàn)等來(lái)鞏固所掌握的知識(shí)。此外，這些在線學(xué)習(xí)平臺(tái)強(qiáng)調(diào)互動(dòng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，許多課程設(shè)有討論論壇，學(xué)生可以與來(lái)自不同文化背景和學(xué)科背景的學(xué)習(xí)者進(jìn)行交流。在線教程、課程和數(shù)據(jù)庫(kù)資源的整合和利用極大地豐富了遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)利用這些網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，學(xué)生可以通過(guò)探索遺傳數(shù)據(jù)集，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境，進(jìn)一步深入探索遺傳學(xué)前沿領(lǐng)域。

2.3 在線實(shí)時(shí)互動(dòng)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

在線實(shí)時(shí)互動(dòng)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)為改善遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式提供了有力支持。一方面，通過(guò)訪問(wèn)在線平臺(tái)，如OpenWetWare（https：//www.openwetware.org），學(xué)生可以接觸到來(lái)自世界各地的學(xué)者分享的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該平臺(tái)還提供了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，包括DNA 提取和純化、細(xì)菌轉(zhuǎn)化和基因克隆等，讓學(xué)生能夠有效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并解決常見(jiàn)問(wèn)題。此外，Open-WetWare 還鼓勵(lì)學(xué)生之間的協(xié)作和知識(shí)共享，這種互動(dòng)和協(xié)作方式不僅提高了其對(duì)遺傳學(xué)相關(guān)概念的理解，還培養(yǎng)了學(xué)生的共享意識(shí)和協(xié)作能力。另一方面，在線協(xié)作工具進(jìn)一步加強(qiáng)了遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)期間學(xué)生之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)和協(xié)作。如Google Docs、Microsoft Teams以及Slack等工具提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)和互動(dòng)空間，學(xué)生可以在其中共同完成小組項(xiàng)目，分享數(shù)據(jù)，提出問(wèn)題并給予反饋。這些工具還提供了簡(jiǎn)化協(xié)調(diào)和組織的功能，確保了高效的協(xié)作和有效的交流。通過(guò)使用這些工具，學(xué)生可以共同撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，協(xié)作創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)電子表格，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入討論。

視頻會(huì)議平臺(tái)，諸如Zoom、Webex 和騰訊會(huì)議等也為遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了革新。教師可以利用這些平臺(tái)共享屏幕，與來(lái)自不同地點(diǎn)的學(xué)生建立聯(lián)系，實(shí)時(shí)演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這種互動(dòng)會(huì)議能夠激發(fā)學(xué)生的參與感。視頻會(huì)議平臺(tái)的應(yīng)用提高了遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性和靈活性，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更具沉浸感和吸引力。

2.4 數(shù)據(jù)分析和結(jié)果展示工具的應(yīng)用

數(shù)據(jù)分析和結(jié)果展示工具在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。數(shù)據(jù)分析工具能夠幫助學(xué)生揭示遺傳學(xué)數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)和相關(guān)性。通過(guò)使用統(tǒng)計(jì)分析工具，學(xué)生能夠從海量數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵信息。例如，在基因組研究中，學(xué)生可以利用R、Python 及Perl 等工具進(jìn)行DNA 序列分析、遺傳關(guān)聯(lián)分析和基因表達(dá)數(shù)據(jù)的挖掘。通過(guò)工具的應(yīng)用，學(xué)生能夠深入分析復(fù)雜的遺傳學(xué)數(shù)據(jù)，并從中得出正確的結(jié)論。

結(jié)果展示工具在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用有助于將復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易于理解和傳達(dá)的可視化形式。通過(guò)使用繪圖軟件，學(xué)生可以創(chuàng)建清晰的圖表、熱圖和網(wǎng)絡(luò)圖等，從而直觀地展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，在基因表達(dá)研究中，可以利用HemI工具來(lái)創(chuàng)建熱圖以展示基因的表達(dá)模式，并將結(jié)果與不同條件下的樣本進(jìn)行比較?？梢酝ㄟ^(guò)Cytoscape 工具創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)圖來(lái)展示基因、蛋白質(zhì)或其他生物分子之間的相互關(guān)系。這種可視化的網(wǎng)絡(luò)圖展示方式讓學(xué)生能夠更清晰地理解遺傳學(xué)中生物分子之間的相互作用和信號(hào)傳遞路徑。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)圖的分析，可以發(fā)現(xiàn)重要的節(jié)點(diǎn)（如關(guān)鍵基因或調(diào)控因子）及其之間的連接模式，從而深入了解生物系統(tǒng)的功能和調(diào)控機(jī)制。

數(shù)據(jù)分析和結(jié)果展示工具的應(yīng)用有助于培養(yǎng)學(xué)生的思辨性思維和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策能力。學(xué)生通過(guò)參與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和解釋過(guò)程，不僅能夠?qū)W習(xí)如何使用工具分析數(shù)據(jù)，還能夠思考和評(píng)估數(shù)據(jù)的可靠性和可解釋性，并基于分析結(jié)果提出假設(shè)、制定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，對(duì)研究問(wèn)題提出合理的解釋和推論。這種思辨性思維和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策過(guò)程培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，使他們能夠更好地應(yīng)對(duì)未來(lái)的遺傳學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)，還需要不斷地加強(qiáng)數(shù)字化教材，虛擬實(shí)驗(yàn)軟件和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等信息化資源的建設(shè)和更新。通過(guò)建立完善的信息化平臺(tái)，推動(dòng)教育資源的可及性，讓更多學(xué)生享受到信息化帶來(lái)的學(xué)習(xí)資源的公平性和便利性。需要強(qiáng)調(diào)的是，教師也需要具備一定的信息技術(shù)水平才能夠更好地利用信息化資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因此，需要加強(qiáng)教師信息化能力的培養(yǎng)和培訓(xùn)，為教學(xué)質(zhì)量的提升提供保障。學(xué)生需要正確使用信息化資源，學(xué)會(huì)區(qū)別真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)之間的差別與聯(lián)系，充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的便利性，同時(shí)也要注重實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累。盡管虛擬實(shí)驗(yàn)軟件可以模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，但由于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的局限性，尚不能完全滿足學(xué)生的實(shí)踐體驗(yàn)。因此，建立不同的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并將其與科研等實(shí)際項(xiàng)目相連接，為學(xué)生提供更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，是未來(lái)的一個(gè)探索方向。

總之，利用信息化資源不斷完善遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是一項(xiàng)必要而且重要的任務(wù)。需要加強(qiáng)資源建設(shè)，提高教師信息化教學(xué)能力，引導(dǎo)學(xué)生正確使用信息化資源，為遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展注入新的動(dòng)力。