信息化資源在遺傳學實驗教學中的應用

韓金磊 陳 琪 王 凱 方 輝 寇小兵 張 會

（南通大學，江蘇南通 226019）

遺傳學實驗是培養學生科學思維和實踐能力的重要環節，也是培養創新型人才的重要途經之一。信息化資源是指涉及電子信息技術的多種數字化資源，包括數字信息庫、數字技術應用平臺、數字化的計算機網絡、多媒體資源庫及其相關的硬件和軟件設備等[1-2]。隨著信息技術的發展，其不僅對工業、農業和醫療等領域產生了深遠的影響，也為遺傳學實驗教學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實驗教學中的應用，以提高實驗效率和教學質量。

1 現有遺傳學實驗教學模式的基本情況

現有的遺傳學實驗教學模式具備多項優勢，能夠為學生提供良好的學習體驗。其中，主要的優勢之一是為學生提供了直接實踐的機會。學生通過直接參與實驗室實驗，不僅掌握了基本的遺傳學實驗技術，還提高了團隊協作能力。一方面，學生能夠通過實踐將理論知識應用于現實生活，從而加深對遺傳學相關概念和原理的理解。另一方面，團隊合作是傳統遺傳學實驗教學模式的重要組成部分。實驗過程中經常需要學生以小組形式討論實驗設計、解決實驗問題及分析實驗結果等，有效提升了學生的溝通和團隊協作能力。

實踐中遺傳學實驗教學模式同樣面臨著一些挑戰[5-7]。一是實施實驗需要場地和耗材投入，增加了教學成本。對于實驗室資源有限的教學單位，學生進行所有必要實驗的機會可能較少，這不利于學生對實踐經驗的積累和對遺傳學相關概念的理解。二是教學模式中學生處于被動學習狀態。在課堂環境中，學生通過教師課堂講授和演示被動地接收信息。這種被動的學習無法充分激發學生的學習興趣，也不利于培養學生的創造力和獨立思考能力。三是教學模式的靈活性不足，尚無法滿足學生多樣化的學習需求。

有限的資源、被動的學習方法以及缺乏靈活性等制約因素，突出了在遺傳學實驗教學中采用創新教學方法和整合新技術的必要性。隨著信息技術的快速發展，越來越需要將數字平臺、模擬軟件和在線資源納入遺傳學實驗教學中。這些工具的應用可以實現復雜遺傳學相關概念的可視化，提供交互式學習體驗，還可以通過虛擬實驗對傳統實驗室實驗進行有效補充，為學生提供全面的學習體驗。

2 信息化資源在遺傳學實驗教學中的應用

目前，信息化資源在生物學實驗中得到了越來越廣泛的應用[8-10]，其突破了傳統教學模式在時間、空間和資源等方面的局限性，提高了生物學實驗的效率和精度，使生物學實驗開展更加方便，結果更可靠。信息化資源在遺傳學實驗教學中的應用主要在以下4個方面。

2.1 虛擬實驗室和模擬實驗平臺的設計與開發

虛擬現實技術正成為遺傳學實驗教學的有力工具[11-13]。虛擬現實為學生提供了參與實踐和互動學習體驗的機會，使他們能夠在可控和互動的環境中探索復雜的概念和技術，通過操縱變量、觀察和分析結果，獲得實用技能和深入理解遺傳學原理。例如，虛擬現實平臺Labster（https：//www.labster.com/）提供了一系列專門為生物學教育設計的虛擬實驗室，學生可以在虛擬平臺進行實驗、分析數據和得出結論，從而增強學生的整體學習體驗。BioInteractive（https：//www.biointeractive.org/）提供了大量的虛擬實驗、動畫和視頻資源，涵蓋了DNA結構、基因表達和基因工程等主題。通過BioInteractive 平臺，學生可以探索復雜的遺傳學概念、可視化的分子分解及合成過程，加深對遺傳機制的理解。交互式模擬平臺PhET（https：//phet.colorado.edu/）提供了許多模擬實驗，學生可以通過模擬實驗探索遺傳物質的傳遞和遺傳變異等過程。FlyLabJS（https：//www.sciencecourseware.org/FlyLabJS/）是一個專門研究果蠅的虛擬實驗室。果蠅是遺傳學研究中廣泛使用的模式生物，該虛擬實驗室允許學生對虛擬果蠅進行遺傳實驗，包括雜交、突變和遺傳作圖等。通過這些模擬實驗，學生可以探索遺傳模式、分析表型以及理解遺傳學基本原理。

虛擬實驗室和模擬實驗平臺通過圖形化界面、交互式操作和實時數據反饋等，為學生提供了與傳統實驗室相似的學習體驗，極大地豐富了遺傳學實驗教學方式，具有諸多優勢[14-15]。一是為學生提供了一個安全可控的實驗環境。二是通過讓學生參與動手實踐、分析數據和做出決策來促進主動學習。三是允許學生隨時隨地獲取材料，促進自主學習，并能滿足個性化的學習需求。四是提供了重復和強化的機會，讓學生能夠重新審視實驗并鞏固知識。

2.2 網絡資源的整合與利用

目前已有大量的網絡學習資源可用于遺傳學實驗教學。例如，NCBI GenBank（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/）是一個綜合數據庫，包含數千種生物的基因序列。學生可以利用GenBank搜索和檢索相關基因信息，用于研究基因變異和探索進化關系。在線人類孟德爾遺傳（OMIM）（https：//www.omim.org/）數據庫對遺傳疾病及其相關基因進行了分類，學生可以在OMIM獲得有關特定遺傳疾病的臨床特征、遺傳模式和分子遺傳學詳細信息。基因表達綜合數據庫（GEO）（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/）同樣是一個開放的數據庫，其收錄了大量的基因表達數據。學生可以訪問和分析特定生物體不同組織、發育階段和實驗條件下的基因表達譜。這些網絡資源的應用有助于學生理解基因調控和遺傳因素對細胞過程的影響等。

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/）以及中國大學MOOC（https：//www.icourse163.org/）等為學生提供了大量的遺傳學課程。通過這些平臺，學生可以進一步豐富和拓展相關遺傳學知識，并通過作業、在線測驗等來鞏固所掌握的知識。此外，這些在線學習平臺強調互動學習體驗，許多課程設有討論論壇，學生可以與來自不同文化背景和學科背景的學習者進行交流。在線教程、課程和數據庫資源的整合和利用極大地豐富了遺傳學實驗教學內容。通過利用這些網絡學習資源，學生可以通過探索遺傳數據集，將所學知識應用于實際環境，進一步深入探索遺傳學前沿領域。

2.3 在線實時互動和遠程實驗的應用

在線實時互動和遠程實驗為改善遺傳學實驗教學方式提供了有力支持。一方面，通過訪問在線平臺，如OpenWetWare（https：//www.openwetware.org），學生可以接觸到來自世界各地的學者分享的遺傳學實驗內容。該平臺還提供了詳細的實驗步驟，包括DNA 提取和純化、細菌轉化和基因克隆等，讓學生能夠有效地進行實驗并解決常見問題。此外，Open-WetWare 還鼓勵學生之間的協作和知識共享，這種互動和協作方式不僅提高了其對遺傳學相關概念的理解，還培養了學生的共享意識和協作能力。另一方面，在線協作工具進一步加強了遺傳學實驗教學期間學生之間的實時互動和協作。如Google Docs、Microsoft Teams以及Slack等工具提供了一個動態和互動空間，學生可以在其中共同完成小組項目，分享數據，提出問題并給予反饋。這些工具還提供了簡化協調和組織的功能，確保了高效的協作和有效的交流。通過使用這些工具，學生可以共同撰寫實驗報告，協作創建實驗數據電子表格，并對實驗結果進行深入討論。

視頻會議平臺，諸如Zoom、Webex 和騰訊會議等也為遺傳學實驗教學帶來了革新。教師可以利用這些平臺共享屏幕，與來自不同地點的學生建立聯系，實時演示實驗過程。這種互動會議能夠激發學生的參與感。視頻會議平臺的應用提高了遺傳學實驗教學的有效性和靈活性，使實驗教學更具沉浸感和吸引力。

2.4 數據分析和結果展示工具的應用

數據分析和結果展示工具在遺傳學實驗教學中發揮著至關重要的作用。數據分析工具能夠幫助學生揭示遺傳學數據中的趨勢和相關性。通過使用統計分析工具，學生能夠從海量數據中提取關鍵信息。例如，在基因組研究中，學生可以利用R、Python 及Perl 等工具進行DNA 序列分析、遺傳關聯分析和基因表達數據的挖掘。通過工具的應用，學生能夠深入分析復雜的遺傳學數據，并從中得出正確的結論。

結果展示工具在遺傳學實驗教學中的應用有助于將復雜的數據轉化為易于理解和傳達的可視化形式。通過使用繪圖軟件，學生可以創建清晰的圖表、熱圖和網絡圖等，從而直觀地展示實驗結果。例如，在基因表達研究中，可以利用HemI工具來創建熱圖以展示基因的表達模式，并將結果與不同條件下的樣本進行比較。可以通過Cytoscape 工具創建網絡圖來展示基因、蛋白質或其他生物分子之間的相互關系。這種可視化的網絡圖展示方式讓學生能夠更清晰地理解遺傳學中生物分子之間的相互作用和信號傳遞路徑。通過對網絡圖的分析，可以發現重要的節點（如關鍵基因或調控因子）及其之間的連接模式，從而深入了解生物系統的功能和調控機制。

數據分析和結果展示工具的應用有助于培養學生的思辨性思維和數據驅動的決策能力。學生通過參與實驗數據的處理和解釋過程，不僅能夠學習如何使用工具分析數據，還能夠思考和評估數據的可靠性和可解釋性，并基于分析結果提出假設、制定實驗設計方案，對研究問題提出合理的解釋和推論。這種思辨性思維和數據驅動的決策過程培養了學生的科學思維和實驗設計能力，使他們能夠更好地應對未來的遺傳學研究和實驗挑戰。

3 結語

未來，還需要不斷地加強數字化教材，虛擬實驗軟件和實驗平臺等信息化資源的建設和更新。通過建立完善的信息化平臺，推動教育資源的可及性，讓更多學生享受到信息化帶來的學習資源的公平性和便利性。需要強調的是，教師也需要具備一定的信息技術水平才能夠更好地利用信息化資源進行實驗教學，因此，需要加強教師信息化能力的培養和培訓，為教學質量的提升提供保障。學生需要正確使用信息化資源，學會區別真實實驗和虛擬實驗之間的差別與聯系，充分發揮虛擬實驗的便利性，同時也要注重實踐經驗的積累。盡管虛擬實驗軟件可以模擬實驗環境，但由于實際的實驗條件和虛擬實驗平臺的局限性，尚不能完全滿足學生的實踐體驗。因此，建立不同的實驗平臺，并將其與科研等實際項目相連接，為學生提供更多的實踐機會，是未來的一個探索方向。

總之，利用信息化資源不斷完善遺傳學實驗教學，是一項必要而且重要的任務。需要加強資源建設，提高教師信息化教學能力，引導學生正確使用信息化資源，為遺傳學實驗教學的發展注入新的動力。