王春秀 孫向麗

【摘要】針對(duì)根據(jù)國(guó)家高教趨勢(shì)，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(shì)，但對(duì)實(shí)驗(yàn)課怎樣與之同步開展進(jìn)行教學(xué)模式改革迫在眉睫。本文從動(dòng)物遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)論述了該實(shí)驗(yàn)運(yùn)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(diǎn)建議，為遺傳學(xué)果蠅雜交的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供幫助和參考。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)物遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課? 仿真教學(xué)? 果蠅雜交

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

【中圖分類號(hào)】G64 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）33-0189-02

動(dòng)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(dòng)物遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)是遺傳學(xué)理論的進(jìn)一步延申，是該課程教學(xué)體系的重要組成部分，通過實(shí)驗(yàn)的操作加強(qiáng)理解抽象的遺傳學(xué)理論。果蠅的單因子雜交實(shí)驗(yàn)，伴性遺傳和雙因子雜交實(shí)驗(yàn)是本門實(shí)驗(yàn)課中極為重要的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生更好地理解掌握這三個(gè)果蠅的雜交實(shí)驗(yàn)，是動(dòng)物類遺傳實(shí)驗(yàn)課的主要內(nèi)容。由于果蠅生長(zhǎng)和雜交過程受各種因素的影響，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大，直接影響了該實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。2012年國(guó)家提出在線開放課程，在2015年出臺(tái)《關(guān)于加強(qiáng)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(hào)和高教廳[2020]2號(hào)文件等，揚(yáng)州大學(xué)、中國(guó)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(dòng)物遺傳學(xué)在線課程建設(shè)，但實(shí)驗(yàn)課有需要學(xué)生參與實(shí)踐操作的特點(diǎn)，本文就仿真教學(xué)在果蠅雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，談?wù)勛砸褜?duì)這方面的認(rèn)識(shí)。

1.遺傳學(xué)果蠅三大雜交實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中， 驗(yàn)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(dòng)物遺傳學(xué)采用果蠅作為研究對(duì)象驗(yàn)證遺傳學(xué)規(guī)律的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。果蠅的雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的成功與否，對(duì)遺傳學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)意義重大，孟敏[1]等對(duì)果蠅雜交小實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探討，齊璐璐[2]等開展了果蠅雜交綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K的探索，孫桂榮[3]等對(duì)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容整合優(yōu)化果蠅實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容。果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)任務(wù)通過對(duì)已知的獨(dú)立的相對(duì)性狀，通過F2代設(shè)計(jì)，收集F2代不同表型個(gè)體，驗(yàn)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(gè)體數(shù)量是否足夠，表型分離是否明細(xì)等尤為重要。而果蠅雜交實(shí)驗(yàn)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(jì)，最后的結(jié)果統(tǒng)計(jì)和卡方檢驗(yàn)。由于飼養(yǎng)的周期比較長(zhǎng)，需要購(gòu)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(huì)出現(xiàn)培養(yǎng)基發(fā)霉，果蠅培養(yǎng)基在制作過程中，對(duì)滅菌的要求非常嚴(yán)格，稍有不慎，就會(huì)出現(xiàn)培養(yǎng)基發(fā)霉的現(xiàn)象，讓果蠅無法生長(zhǎng)，培養(yǎng)基過干過稠，果蠅無法吸收營(yíng)養(yǎng)而生長(zhǎng)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(zhǎng)周期短，如果放飛不及時(shí)，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(zhǎng);果蠅生長(zhǎng)的生化箱溫度、濕度、通風(fēng)等不能滿足果蠅生長(zhǎng)環(huán)境時(shí)，果蠅生長(zhǎng)受影響，也會(huì)導(dǎo)致最后的實(shí)驗(yàn)無法按時(shí)進(jìn)行，甚至造成實(shí)驗(yàn)失敗。果蠅雌雄性狀識(shí)別難度大，在F2代統(tǒng)計(jì)時(shí)，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(jì)結(jié)果可能出現(xiàn)不符合孟德爾遺傳規(guī)律，讓學(xué)生進(jìn)入誤區(qū)，與實(shí)驗(yàn)初衷相悖。上述果蠅雜交實(shí)驗(yàn)存在工作量大、影響果蠅生長(zhǎng)的因素多等問題，說明常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)不能很好地滿足遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，因此需要改進(jìn)新的教學(xué)模式。

2.虛擬仿真教學(xué)在果蠅雜交實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的意義

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就是通過虛擬的系統(tǒng)把動(dòng)物生長(zhǎng)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(shí)相融合的新型產(chǎn)物，這項(xiàng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)其核心是依托虛擬現(xiàn)實(shí)的景象、利用多媒體技術(shù)、人機(jī)交互、動(dòng)畫制作等技術(shù)，構(gòu)建出高度能模擬動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育等復(fù)雜環(huán)境的仿真虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，完成我們現(xiàn)實(shí)無法按時(shí)完成的或者不容易完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過這種教學(xué)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，來提高認(rèn)知以達(dá)到實(shí)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(shí)驗(yàn)課教學(xué)中進(jìn)行探索[5-6]，讓虛擬仿真運(yùn)用到教學(xué)中，不僅是更是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向，更是未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)的大方向和趨勢(shì)。

2.1 降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，縮短實(shí)驗(yàn)周期

仿真教學(xué)可以模擬果蠅生長(zhǎng)的整個(gè)過程，在外界條件適宜情況下，果蠅生長(zhǎng)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(gè)環(huán)境失敗，需要從新雜交，需要時(shí)間更長(zhǎng)，另一方面，針對(duì)學(xué)生多，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)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(xiàng)和關(guān)鍵環(huán)境通過設(shè)置通過選項(xiàng)，通過才可以進(jìn)行下一步的學(xué)習(xí)，運(yùn)用特殊技術(shù)將實(shí)驗(yàn)過程壓縮成幾十分鐘，使學(xué)生在短時(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)規(guī)律等進(jìn)行設(shè)置，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)群組的需要自行設(shè)定，使學(xué)生清楚地把握整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的來龍去脈。學(xué)生可以控制實(shí)驗(yàn)過程的進(jìn)程，隨時(shí)可以重復(fù)學(xué)習(xí)某個(gè)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(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果

仿真教學(xué)在果蠅雜交實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用，不用購(gòu)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(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的效果。而且運(yùn)用多媒體仿真技術(shù)創(chuàng)造出陣勢(shì)優(yōu)美的畫面，配以動(dòng)聽的音樂，大大提高了學(xué)生對(duì)果蠅雜交實(shí)驗(yàn)這幾個(gè)章節(jié)的學(xué)習(xí)興趣，節(jié)約了資源，提高了效率，增強(qiáng)了效果，讓實(shí)驗(yàn)課的課堂變得更加多樣化、科學(xué)化。

3.在果蠅雜交實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用多媒體仿真教學(xué)的幾點(diǎn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。而且，作為遺傳課實(shí)驗(yàn)的教師必須熟悉仿真教學(xué)的流程，隨時(shí)解答學(xué)生對(duì)仿真教學(xué)提出的問題，及時(shí)答疑。

3.2 對(duì)果蠅的雜交的制作要求

針對(duì)蠅雜交的特點(diǎn)，仿真教學(xué)要做到將音頻、視頻、動(dòng)畫等多種形式結(jié)合起來。能熟練運(yùn)用仿真教學(xué)，實(shí)用與制作的完美結(jié)合，力求生動(dòng)、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(dòng)畫的應(yīng)用，讓果蠅的生長(zhǎng)和雜交更為逼真。

3.3 結(jié)合實(shí)驗(yàn)存在的問題模擬場(chǎng)景

果蠅的交雜，在適宜的溫度下進(jìn)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(shí)驗(yàn)的要求設(shè)定，做好正反交的結(jié)果統(tǒng)計(jì)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)誤差，所以在設(shè)計(jì)多媒體仿真課件時(shí)，也必須模擬這些要素存在時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓學(xué)生更好地了解此實(shí)驗(yàn)。如果條件允許，在多媒體仿真課件中，播放以往果蠅雜交實(shí)驗(yàn)中學(xué)生實(shí)際操作的視頻，讓學(xué)生更直觀實(shí)際地了解這個(gè)實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)。也可以是學(xué)生先看多媒體中果蠅雜交的過程，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的記憶力。

總之，如何更好地上好果蠅雜交實(shí)驗(yàn)課，還有很多的經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)可以說是實(shí)際實(shí)驗(yàn)的的前提，而實(shí)際的操作又是對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)的模型，需要前期的理論和實(shí)踐結(jié)果。同時(shí)，仿真結(jié)果是在一個(gè)特定模型下的計(jì)算結(jié)果。所以，從這一點(diǎn)來看，仿真不能完全代替實(shí)際實(shí)驗(yàn)。從另一個(gè)哲學(xué)的觀點(diǎn)來看，“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，仿真也不能完全代替實(shí)踐，但是也不能因此就否認(rèn)仿真的合理性。

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

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作者簡(jiǎn)介：

王春秀（1973年-），女，河南信陽(yáng)人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，從事動(dòng)物遺傳育種的研究。