VGL軟件在高中遺傳學教學中的應用

何燕玲 韓垚 黃紫筠 李洋 范曾麗

摘要 介紹國外開發的一款虛擬遺傳學實驗室軟件及其應用，為轉變高中遺傳學教學方式、有效實施模擬孟德爾遺傳學雜交實驗提供途徑和操作層面的參考。

關鍵詞 遺傳學教學 VCL 孟德爾

中圖分類號G633. 91

文獻標志碼B

孟德爾遺傳學雜交實驗是高中生物課程中重要的教學內容。由于時間空間等限制，該實驗一般無法在學校開展，學生只能通過教師創造的教學情境體驗孟德爾進行科學探究的過程。如何突破此種教學約束，為遺傳學教學注入新的活力，值得教育工作者關注。隨著信息技術的高速發展和計算機的普及化，技術與課程的整合成為教育信息化進程中的熱點，計算機模擬實驗在此種大教育環境下受到青睞，且各科課程標準也提倡將其作為輔助手段幫助學生直觀便捷地進行相關實驗。通過介紹國外研究者開發的一款虛擬遺傳學實驗室（ Virtual Genetics Lab，VCL）軟件，為高中課堂中模擬孟德爾遺傳學雜交實驗提供操作性工具，讓學生親身體驗“科學家在觀察分析基礎上提出問題，通過推理和想象提出解釋問題的假說，根據假說進行演繹推理，再通過實驗檢驗演繹推理的結論”的真實探究過程，幫助教師變革遺傳學教學方式。

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團隊于2007年開發設計的一款計算機模擬昆蟲遺傳學雜交實驗的開源軟件。通過創造虛擬測試環境，該軟件給學生提供自行設計雜交實驗的平臺，讓學生通過研究后代表型特征并收集足夠的數據，最終確定生物性狀的遺傳方式。官方網站（http：//vgl.umb.edu）提供下載程序包、使用手冊，用戶可根據自身需求免費獲取。

1.2 運行操作

VGL軟件的界面簡潔、操作容易，基本運行原理為：計算機挑選昆蟲的某一（多）對性狀，并隨機確定控制性狀的等位基因顯隱性，從而創造出一個具有隨機基因型的昆蟲種群——野生種群（Field Popula-tion）。在使用時，通常遵循以下步驟：①根據教學需要創建問題，計算機設定潛在的種群遺傳方式;②計算機展示野生種群的表型特征，學生在觀察分析基礎上確定親本進行雜交，此時一般提出假定的遺傳方式;③計算機展示虛擬雜交產生后代的表型特征，學生根據實驗現象和數據是否與假定的遺傳方式相匹配，決定是否繼續雜交;④學生自行確定結束雜交實驗時間，并將確定的昆蟲性狀遺傳方式與老師和同學交流。該程序每次啟動都將產生不同的隨機問題，能為學生提供多種有關遺傳方式的問題進行探究。此外，VGL還允許學生輸入答案，并以作業的形式提交給教師進行評價。軟件的具體操作介紹見表1。

2 VGL軟件在生物學教學中的應用

孟德爾遺傳學是高中學習難度偏高的學習內容，遺傳學部分又在試卷上占有較大分值，而常規遺傳學教法采用傳統灌輸式教學，其教學效果往往不能達到期望。因此，為了補齊傳統教學方法的短板，提高學生學習效率，教師在教學中引入VCL軟件，不僅可以提高高中生對遺傳學知識點的掌握程度，又能增強學生科學素養，訓練學生理性分析的能力。

2.1 啟動程序，創建新問題

“提出問題”是科學探究的第一步，VGL軟件可以讓學生親臨實驗室一般完成科學探究。每次點擊文件（File）、新問題（New Problem）開始，計算機都將隨機選擇新的性狀特征，在不同問題中具有相同名稱的字符可能具有不同的屬性。根據教學需要，選擇不同水平層次難度的文件（下面以One G ene Olp.pr2為例），此時桌面將出現裝著隨機產生的野生種群籠子——Cage 1。此時，軟件操作界面如圖1所示。

當新問題成功創建，學生應當觀察分析籠子1后獲得有關信息：該野生種群數量（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相對性狀的基因遺傳方式（即黑色與綠色的顯隱性關系、是否存在不完全顯性現象、基因位于常染色體或性染色體等）。

2.2 選定親本，設計雜交實驗

設計實驗方案是科學探究過程中重要一環。明確任務后，為探究昆蟲眼色遺傳方式、探究親本與子代間的遺傳規律，學生需從籠子1中選擇一只雄性個體與一只雌性個體作為親本，并單擊VCL軟件窗口頂部的“Cross”按鈕進行雜交操作。此時，計算機界面顯示裝有雜交后代的新籠子-Cage 2，根據后代種群表型特征，學生確定新信息是否能確定遺傳方式，如若不能，再次選擇個體進行雜交，產生新籠子Cage 3，以此類推，如圖2所示。從圖2中學生應當觀察分析后獲得有關信息：親本為籠子1中的兩只黑色/綠色個體，產生后代全部為黑色/綠色，無法判斷顯隱性關系，需要繼續雜交。假說一演繹法是孟德爾遺傳實驗的核心，VCL軟件模擬了真實的遺傳學實驗室，學生必須自行設計雜交實驗以獲取足夠的數據信息，從而在不斷的提出假說、設計實驗、檢驗假說的過程中逐步確立相應問題中有關性狀的遺傳方式。繼續選擇親本雜交結果如圖3所示，根據籠子5可知黑眼對綠眼應為顯性，根據籠子7可知籠子1中選中的雜交親本應為黑眼雜合顯性、綠眼純合隱形。

基于證據和事實進行演繹推理是生物學學科核心素養之科學思維的重要內容。此時，學生需再次做出假設繼續演繹：若將籠子7中的黑眼雌雄個體進行雜交，后代出現黑眼和綠眼兩種性狀，且分離比為3：1，則上述判定成立。選中親本點擊Cross按鈕，計算機界面顯示如圖4所示，由圖5可知黑眼個體比綠眼個體為19：6，接近孟德爾分離定律，由此學生通過雜交實驗最終確證該野生種群的遺傳方式為常染色體遺傳，其中黑眼對綠眼為完全顯性，由一對等位基因控制。并將其輸入VCL的模型器（圖5）中。

在整個過程中，學生通過不斷地試誤，意識到科學成果來之不易、科學研究應當遵循學術規范。VCL軟件不僅提高了學習效率，使課堂具有趣味性，還能培養學生創造性思維，促進學生生物核心素養的形成。

3 結語

為了幫助學生理解核心概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”，《普通高中生物學課程標準（2017年版）》建議教學活動過程中開展模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗。在VCL創造的假想實驗場景中，學生可以在計算機交互式情境中反復操作設計雜交實驗，通過確定生物性狀遺傳方式的形式體驗科學探究，加強對孟德爾遺傳學雜交實驗的理解。此外，VGL因其免費、操作便捷、真實體驗的特點，己在國外課堂開展實施并獲得成效。

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