虚拟仿真教学在遗传学果蝇杂交实验教学中的应用与思考

王春秀 孙向丽

【摘要】针对根据国家高教趋势，建设在线开放课程教学，理论课的在线建设教学已经彰显其优势，但对实验课怎样与之同步开展进行教学模式改革迫在眉睫。本文从动物遗传学实验中果蝇杂交实验的特点论述了该实验运用仿真教学的必要性，教学中如何使用仿真教学，以及使用仿真教学的几点建议，为遗传学果蝇杂交的实验教学提供帮助和参考。

【关键词】动物遗传学实验课  仿真教学  果蝇杂交

【基金项目】河南省2021年线上线下混合一流本科课程《动物遗传学》（教高【2021】174号）。

【中图分类号】G64   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）33-0189-02

动物遗传学是高校生物类科学专业重要的专业课基础课，动物遗传学实验是遗传学理论的进一步延申，是该课程教学体系的重要组成部分，通过实验的操作加强理解抽象的遗传学理论。果蝇的单因子杂交实验，伴性遗传和双因子杂交实验是本门实验课中极为重要的实验，让学生更好地理解掌握这三个果蝇的杂交实验，是动物类遗传实验课的主要内容。由于果蝇生长和杂交过程受各种因素的影响，使得实验结果误差较大，直接影响了该实验课的教学效果。2012年国家提出在线开放课程，在2015年出台《关于加强高等学校在线课程建设应用和管理的意见》，受2020年新冠肺炎疫情的影响，教育部发文[2020]7号和高教厅[2020]2号文件等，扬州大学、中国农业大学和河南农业大学等高校农业专业开展了动物遗传学在线课程建设，但实验课有需要学生参与实践操作的特点，本文就仿真教学在果蝇杂交实验教学中的应用，谈谈自已对这方面的认识。

1.遗传学果蝇三大杂交实验的特点

在遗传学实验的教学中， 验证遗传学分离规律、自由组合规律和连锁互换规律，动物遗传学采用果蝇作为研究对象验证遗传学规律的经典实验。果蝇的杂交实验结果的成功与否，对遗传学相关专业的学习意义重大，孟敏[1]等对果蝇杂交小实验进行探讨，齐璐璐[2]等开展了果蝇杂交综合实验模块的探索，孙桂荣[3]等对实验课内容整合优化果蝇实验课内容。果蝇杂交实验的目标任务通过对已知的独立的相对性状，通过F2代设计，收集F2代不同表型个体，验证是否孟德尔遗传规律，加深理解孟德尔遗传学规律的内涵。因此，F2群体的杂交过程，F2代个体数量是否足够，表型分离是否明细等尤为重要。而果蝇杂交实验主要包括培养基的配制，果蝇的生活史观察、果蝇雌雄性别鉴定、处女蝇选择、亲本杂交，F1的自交、F2 代表现型的结果统计，最后的结果统计和卡方检验。由于饲养的周期比较长，需要购买大量的果蝇瓶和制作培养基的材料。环节多，任务重。有的还会出现培养基发霉，果蝇培养基在制作过程中，对灭菌的要求非常严格，稍有不慎，就会出现培养基发霉的现象，让果蝇无法生长，培养基过干过稠，果蝇无法吸收营养而生长缓慢，培养基过稀，果蝇容易粘到培养基上而导致死亡。加上果蝇因生长周期短，如果放飞不及时，很容易近亲繁殖等，造成果蝇质量较低。F1代群体数量少以及受温度湿度的影响，温度高，果蝇容易死亡，温度低，果蝇无法正常生长;果蝇生长的生化箱温度、湿度、通风等不能满足果蝇生长环境时，果蝇生长受影响，也会导致最后的实验无法按时进行，甚至造成实验失败。果蝇雌雄性状识别难度大，在F2代统计时，由于果蝇雌雄分辨不准确、造成收集F2代表型数据误差大等，统计结果可能出现不符合孟德尔遗传规律，让学生进入误区，与实验初衷相悖。上述果蝇杂交实验存在工作量大、影响果蝇生长的因素多等问题，说明常规的实验方法已经不能很好地满足遗传学实验，因此需要改进新的教学模式。

2.虚拟仿真教学在果蝇杂交实验中应用的意义

虚拟仿真实验教学，就是通过虚拟的系统把动物生长发育、操作复杂技术等过程演示出，让学习者如身临其境的操作一样，是现代信息技术和专业知识相融合的新型产物，这项技术在人类医学、工程管理等领域有了应用。虚拟仿真实验教学其核心是依托虚拟现实的景象、利用多媒体技术、人机交互、动画制作等技术，构建出高度能模拟动物生长发育等复杂环境的仿真虚拟实验环境和实验对象，完成我们现实无法按时完成的或者不容易完成的实验内容。通过这种教学，让学生在虚拟环境中开展实验，来提高认知以达到实践教学的效果。理论课教中仿真技术在也得到利用[4]，虚拟仿真教学也在实验课教学中进行探索[5-6]，让虚拟仿真运用到教学中，不仅是更是实验教学的发展方向，更是未来实验教学的大方向和趋势。

2.1 降低实验教学成本，缩短实验周期

仿真教学可以模拟果蝇生长的整个过程，在外界条件适宜情况下，果蝇生长需要12天，培养亲本到杂交F2代的产生，前后大约需要45天。一旦某个环境失败，需要从新杂交，需要时间更长，另一方面，针对学生多，实验经费不足的情况下，选择虚拟仿真，把果蝇杂交过程需要注意的核心事项和关键环境通过设置通过选项，通过才可以进行下一步的学习，运用特殊技术将实验过程压缩成几十分钟，使学生在短时间内经历果蝇从卵变成一龄幼虫，二龄幼虫，三龄幼虫，蛹，最后变成成虫;先选择处女蝇进行杂交，得到亲本，然后用雌雄亲本杂交得到F1代，F1代自交得到F2代。这一过程，利用仿真技术来完成降低教学成本，因学生了解全部过程，增加学习的积极性。

2.2 杂交过程能自行掌握，避免實验失误，减少误差

利用仿真教学，果蝇的种类，雌雄果蝇的数目，果蝇在不同环境条件下生长规律等进行设置，可以根据实验群组的需要自行设定，使学生清楚地把握整个实验过程的来龙去脉。学生可以控制实验过程的进程，随时可以重复学习某个章节，不受疫情停课的影响，这是在传统课堂中不可想象的。

2.3 节约资源，增强实验效果

仿真教学在果蝇杂交实验中的运用，不用购买很多的果蝇瓶和做培养基的材料。这不仅节省了资源，降低成本，提高了效率，还增强了实验的效果。而且运用多媒体仿真技术创造出阵势优美的画面，配以动听的音乐，大大提高了学生对果蝇杂交实验这几个章节的学习兴趣，节约了资源，提高了效率，增强了效果，让实验课的课堂变得更加多样化、科学化。

3.在果蝇杂交实验中运用多媒体仿真教学的几点建议

3.1 多媒体仿真制作的技术要求

完整的仿真教学硬件系统大致包括电脑、投影仪、话筒、音响设备、学生终端、课件播放软件、教学效果反馈软件等等，只有这样一套完整的系统才能保障教师最佳的实验教学效果。而且，作为遗传课实验的教师必须熟悉仿真教学的流程，随时解答学生对仿真教学提出的问题，及时答疑。

3.2 对果蝇的杂交的制作要求

针对蝇杂交的特点，仿真教学要做到将音频、视频、动画等多种形式结合起来。能熟练运用仿真教学，实用与制作的完美结合，力求生动、鲜明，让学生身临其境，易于理解和掌握，并且有视觉上的享受。仿真三维动画的应用，让果蝇的生长和杂交更为逼真。

3.3 结合实验存在的问题模拟场景

果蝇的交杂，在适宜的温度下进行，亲本的选择，F1代的放飞和自交，F2代的数目都严格按照实验的要求设定，做好正反交的结果统计。在实际实验中，受环境的影响，处女蝇的选择，F1代放飞的是否完全，果蝇转移过程中有部分未被转移干净等，存在实验误差，所以在设计多媒体仿真课件时，也必须模拟这些要素存在时的实验结果，让学生更好地了解此实验。如果条件允许，在多媒体仿真课件中，播放以往果蝇杂交实验中学生实际操作的视频，让学生更直观实际地了解这个实验的注意事项。也可以是学生先看多媒体中果蝇杂交的过程，提高实验的准确性和对实验细节的记忆力。

总之，如何更好地上好果蝇杂交实验课，还有很多的经验值得摸索，多媒体虚拟仿真的应用只是其中的一种辅助手段。仿真实验可以说是实际实验的的前提，而实际的操作又是对仿真实验的验证。二者的关系是相辅相成的，相互印证的过程。虚拟仿真实验最核心技术是构建出合适模型，而构建符合专业特点的模型，需要前期的理論和实践结果。同时，仿真结果是在一个特定模型下的计算结果。所以，从这一点来看，仿真不能完全代替实际实验。从另一个哲学的观点来看，“实践是检验真理的唯一标准”，仿真也不能完全代替实践，但是也不能因此就否认仿真的合理性。

虚拟仿真多媒体教学，解决实验周期长、环境复杂等实验课的教学，但学生需亲自动手实验，亲自动手不仅加深印象，提高动手能力，而且能很好地分析实验失败的原因，还能提高学生对实验的兴趣，体会实验成功的快乐，因此，需合理利用多媒体仿真教学。基于我在实验教学中的探索思考，给同行的动物遗传实验工作者提供可行的参考。

参考文献：

[1]孟敏，胡甘，王竹林等.果蝇杂交实验教学小窍门[J].实验技术与管理，2015（32）：173-175

[2]齐璐璐，姜先荣，周亚彬等.遗传学实验教学中果蝇杂交实验整合的探索[J].合肥师范学院学报，2015（3）：114-117

[3]孙桂荣，王春秀，李春丽等.地方高等农林高校动物遗传学实验教学的思考[J].课程教育研究，2017（44）：242.

[4]赵栋，张新俊，梁芳芳.多媒体技术在遗传学课程教学应用中的优势与要求[J].教学研究，2014（8）：26-27

[5]洪键.基于虚拟仿真资源的遗传学实验教学模式的构建与实践[J].高师理科学刊，2017（12）：97-99

[6]刘志红，王步钰，马金伟，周薇，王志新.虚拟仿真技术在动物遗传学教学中的应用[J].现代职业教育，2019（25）：94-95.

作者简介：

王春秀（1973年-），女，河南信阳人，硕士，实验师，从事动物遗传育种的研究。