何燕玲 韓垚 黃紫筠 李洋 范曾麗

摘要 介紹國外開發(fā)的一款虛擬遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室軟件及其應(yīng)用，為轉(zhuǎn)變高中遺傳學(xué)教學(xué)方式、有效實(shí)施模擬孟德爾遺傳學(xué)雜交實(shí)驗(yàn)提供途徑和操作層面的參考。

關(guān)鍵詞 遺傳學(xué)教學(xué) VCL 孟德爾

中圖分類號(hào)G633. 91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

孟德爾遺傳學(xué)雜交實(shí)驗(yàn)是高中生物課程中重要的教學(xué)內(nèi)容。由于時(shí)間空間等限制，該實(shí)驗(yàn)一般無法在學(xué)校開展，學(xué)生只能通過教師創(chuàng)造的教學(xué)情境體驗(yàn)孟德爾進(jìn)行科學(xué)探究的過程。如何突破此種教學(xué)約束，為遺傳學(xué)教學(xué)注入新的活力，值得教育工作者關(guān)注。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及化，技術(shù)與課程的整合成為教育信息化進(jìn)程中的熱點(diǎn)，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)在此種大教育環(huán)境下受到青睞，且各科課程標(biāo)準(zhǔn)也提倡將其作為輔助手段幫助學(xué)生直觀便捷地進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。通過介紹國外研究者開發(fā)的一款虛擬遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室（ Virtual Genetics Lab，VCL）軟件，為高中課堂中模擬孟德爾遺傳學(xué)雜交實(shí)驗(yàn)提供操作性工具，讓學(xué)生親身體驗(yàn)“科學(xué)家在觀察分析基礎(chǔ)上提出問題，通過推理和想象提出解釋問題的假說，根據(jù)假說進(jìn)行演繹推理，再通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)演繹推理的結(jié)論”的真實(shí)探究過程，幫助教師變革遺傳學(xué)教學(xué)方式。

1 VGL軟件簡介

1.1下載安裝

VGL軟件是由美國馬薩諸塞大學(xué)團(tuán)隊(duì)于2007年開發(fā)設(shè)計(jì)的一款計(jì)算機(jī)模擬昆蟲遺傳學(xué)雜交實(shí)驗(yàn)的開源軟件。通過創(chuàng)造虛擬測(cè)試環(huán)境，該軟件給學(xué)生提供自行設(shè)計(jì)雜交實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，讓學(xué)生通過研究后代表型特征并收集足夠的數(shù)據(jù)，最終確定生物性狀的遺傳方式。官方網(wǎng)站（http：//vgl.umb.edu）提供下載程序包、使用手冊(cè)，用戶可根據(jù)自身需求免費(fèi)獲取。

1.2 運(yùn)行操作

VGL軟件的界面簡潔、操作容易，基本運(yùn)行原理為：計(jì)算機(jī)挑選昆蟲的某一（多）對(duì)性狀，并隨機(jī)確定控制性狀的等位基因顯隱性，從而創(chuàng)造出一個(gè)具有隨機(jī)基因型的昆蟲種群——野生種群（Field Popula-tion）。在使用時(shí)，通常遵循以下步驟：①根據(jù)教學(xué)需要?jiǎng)?chuàng)建問題，計(jì)算機(jī)設(shè)定潛在的種群遺傳方式;②計(jì)算機(jī)展示野生種群的表型特征，學(xué)生在觀察分析基礎(chǔ)上確定親本進(jìn)行雜交，此時(shí)一般提出假定的遺傳方式;③計(jì)算機(jī)展示虛擬雜交產(chǎn)生后代的表型特征，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)是否與假定的遺傳方式相匹配，決定是否繼續(xù)雜交;④學(xué)生自行確定結(jié)束雜交實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并將確定的昆蟲性狀遺傳方式與老師和同學(xué)交流。該程序每次啟動(dòng)都將產(chǎn)生不同的隨機(jī)問題，能為學(xué)生提供多種有關(guān)遺傳方式的問題進(jìn)行探究。此外，VGL還允許學(xué)生輸入答案，并以作業(yè)的形式提交給教師進(jìn)行評(píng)價(jià)。軟件的具體操作介紹見表1。

2 VGL軟件在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

孟德爾遺傳學(xué)是高中學(xué)習(xí)難度偏高的學(xué)習(xí)內(nèi)容，遺傳學(xué)部分又在試卷上占有較大分值，而常規(guī)遺傳學(xué)教法采用傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)，其教學(xué)效果往往不能達(dá)到期望。因此，為了補(bǔ)齊傳統(tǒng)教學(xué)方法的短板，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，教師在教學(xué)中引入VCL軟件，不僅可以提高高中生對(duì)遺傳學(xué)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，又能增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，訓(xùn)練學(xué)生理性分析的能力。

2.1 啟動(dòng)程序，創(chuàng)建新問題

“提出問題”是科學(xué)探究的第一步，VGL軟件可以讓學(xué)生親臨實(shí)驗(yàn)室一般完成科學(xué)探究。每次點(diǎn)擊文件（File）、新問題（New Problem）開始，計(jì)算機(jī)都將隨機(jī)選擇新的性狀特征，在不同問題中具有相同名稱的字符可能具有不同的屬性。根據(jù)教學(xué)需要，選擇不同水平層次難度的文件（下面以O(shè)ne G ene Olp.pr2為例），此時(shí)桌面將出現(xiàn)裝著隨機(jī)產(chǎn)生的野生種群籠子——Cage 1。此時(shí)，軟件操作界面如圖1所示。

當(dāng)新問題成功創(chuàng)建，學(xué)生應(yīng)當(dāng)觀察分析籠子1后獲得有關(guān)信息：該野生種群數(shù)量（黑眼昆蟲18只，綠眼昆蟲10只），需判定控制昆蟲眼睛顏色這對(duì)相對(duì)性狀的基因遺傳方式（即黑色與綠色的顯隱性關(guān)系、是否存在不完全顯性現(xiàn)象、基因位于常染色體或性染色體等）。

2.2 選定親本，設(shè)計(jì)雜交實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案是科學(xué)探究過程中重要一環(huán)。明確任務(wù)后，為探究昆蟲眼色遺傳方式、探究親本與子代間的遺傳規(guī)律，學(xué)生需從籠子1中選擇一只雄性個(gè)體與一只雌性個(gè)體作為親本，并單擊VCL軟件窗口頂部的“Cross”按鈕進(jìn)行雜交操作。此時(shí)，計(jì)算機(jī)界面顯示裝有雜交后代的新籠子-Cage 2，根據(jù)后代種群表型特征，學(xué)生確定新信息是否能確定遺傳方式，如若不能，再次選擇個(gè)體進(jìn)行雜交，產(chǎn)生新籠子Cage 3，以此類推，如圖2所示。從圖2中學(xué)生應(yīng)當(dāng)觀察分析后獲得有關(guān)信息：親本為籠子1中的兩只黑色/綠色個(gè)體，產(chǎn)生后代全部為黑色/綠色，無法判斷顯隱性關(guān)系，需要繼續(xù)雜交。假說一演繹法是孟德爾遺傳實(shí)驗(yàn)的核心，VCL軟件模擬了真實(shí)的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生必須自行設(shè)計(jì)雜交實(shí)驗(yàn)以獲取足夠的數(shù)據(jù)信息，從而在不斷的提出假說、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、檢驗(yàn)假說的過程中逐步確立相應(yīng)問題中有關(guān)性狀的遺傳方式。繼續(xù)選擇親本雜交結(jié)果如圖3所示，根據(jù)籠子5可知黑眼對(duì)綠眼應(yīng)為顯性，根據(jù)籠子7可知籠子1中選中的雜交親本應(yīng)為黑眼雜合顯性、綠眼純合隱形。

基于證據(jù)和事實(shí)進(jìn)行演繹推理是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之科學(xué)思維的重要內(nèi)容。此時(shí)，學(xué)生需再次做出假設(shè)繼續(xù)演繹：若將籠子7中的黑眼雌雄個(gè)體進(jìn)行雜交，后代出現(xiàn)黑眼和綠眼兩種性狀，且分離比為3：1，則上述判定成立。選中親本點(diǎn)擊Cross按鈕，計(jì)算機(jī)界面顯示如圖4所示，由圖5可知黑眼個(gè)體比綠眼個(gè)體為19：6，接近孟德爾分離定律，由此學(xué)生通過雜交實(shí)驗(yàn)最終確證該野生種群的遺傳方式為常染色體遺傳，其中黑眼對(duì)綠眼為完全顯性，由一對(duì)等位基因控制。并將其輸入VCL的模型器（圖5）中。

在整個(gè)過程中，學(xué)生通過不斷地試誤，意識(shí)到科學(xué)成果來之不易、科學(xué)研究應(yīng)當(dāng)遵循學(xué)術(shù)規(guī)范。VCL軟件不僅提高了學(xué)習(xí)效率，使課堂具有趣味性，還能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維，促進(jìn)學(xué)生生物核心素養(yǎng)的形成。

3 結(jié)語

為了幫助學(xué)生理解核心概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》建議教學(xué)活動(dòng)過程中開展模擬植物或動(dòng)物性狀分離的雜交實(shí)驗(yàn)。在VCL創(chuàng)造的假想實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)交互式情境中反復(fù)操作設(shè)計(jì)雜交實(shí)驗(yàn)，通過確定生物性狀遺傳方式的形式體驗(yàn)科學(xué)探究，加強(qiáng)對(duì)孟德爾遺傳學(xué)雜交實(shí)驗(yàn)的理解。此外，VGL因其免費(fèi)、操作便捷、真實(shí)體驗(yàn)的特點(diǎn)，己在國外課堂開展實(shí)施并獲得成效。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇米，黃致新，鄧先君.利用Algodoo軟件輔助物理教學(xué)[J].物理教學(xué)，2019， 41（4）：21-23.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[s].北京：人民教育出版社，2018： 56-59.

[3] White BA， Bolker ED， Koolar N，et al.The Virtual Ge-netics Lab：A Freely-Availahle Open-Source Genetics Simula-tion[JI American Biology Teacher. 2007， 69（1）：29-32.

[4] White BA. The Virtual Genetics Lab II： Improvements toa Freelv Available Software Simulation of Genetics EJl. Ameri-can Biology Teacher. 2012， 74 （5）： 336-7.

[6] Williams CT， Rudge DW. Mendel and the Nature of Sci-ence[JI American Biology Teacher. 2015， 77（7）： 492-9.