虛擬仿真技術在動物遺傳學教學中的應用
來源:用戶上傳
作者:劉志紅 王步鈺 馬金偉 周薇 王志新
[摘 要] 虛擬仿真技術是通過將一個現實存在或抽象的事物利用一個虛擬的系統模仿現實的技術。將仿真技
術的直觀性引入動物遺傳學課程教學中，直接豐富了課程內容，又因加入動畫元素大幅度提高了學生聽課效率，加深了學生對生命現象和遺傳機制的理解。
[關 鍵 詞] 虛擬仿真;動物遺傳學;特點
[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2019）25-0094-02
當下學校的教育普遍存在一種現象，教師在講臺上講自己的，學生在臺下干自己的，這種現象嚴重影響了學生的上課效率。為什么會出現這種現象？歸根結底是授課內容不吸引人，如動物遺傳學，傳統的授課方式十分枯燥，很多教師將科研式教學、多元自主學習、翻轉課堂、案例式教學、互動式教學引入課堂，試圖提升學生對動物遺傳學的興趣，加深對課程內容的理解。
科技的發展使大部分學生對互聯網、電腦、游戲等感興趣。隨著網絡信息技術飛速發展，促使教育逐漸革新，將教學和信息科技有效結合，將平時乏味的課件與有趣的互聯網仿真技術結合起來，既提高了學生學習的興趣，也減輕了教師上課的壓力。動物遺傳學課程本身是基礎理論課，具有抽象且不易理解的特點，將仿真技術的直觀性引入動物遺傳學課程的教學中，可以提升學生的學習興趣和上課效率。
一、遺傳學的課程定位與特點
動物遺傳學作為遺傳學分支，是動物遺傳育種與繁殖的基礎必修課程，也是生物學領域中最重要的理論基礎。其課程內容講述了分子遺傳學原理與方法、遺傳基本規律及其擴展、非孟德爾遺傳、細胞遺傳的原理與方法、群體遺傳學、基因組學等內容，實現了分子水平、細胞水平、個體水平、群體水平的跨越，對發現生命科學理念以及擴展生命科學技術具有巨大推動作用。動物遺傳學側重于對各種動物性狀遺傳機制進行解析以及對遺傳改良方式進行研究，其教學不僅要求學生要對生命現象進行理解，還需要運用動物遺傳學知識解析與其相關的育種、營養、生產和疾病產生相關機制。隨著生命科學技術的快速發展，動物遺傳學的教學內容多為前沿技術知識，對進行生命科學相關領域的研究具有至關重要的作用。因此，動物遺傳學課程具有抽象性、難理解性和前沿性的特點。
二、虛擬仿真技術在動物遺傳學教學中的應用
隨著信息技術的發展，虛擬仿真技術以其逼真、立體的表現形式將抽象的過程形象地演示出來，最大限度地發揮了虛擬軟件資源的優勢。同時該技術借助對多媒體、傳感、輸入輸出等技術，學習者能夠實現互動學習，打破了時間和空間的限制，讓學習者如身臨其境般地操作，以提高學生的實戰技能，最大限度地激發學生自主學習的興趣，開拓學生思維，增加課堂趣味性。虛擬仿真技術的這種特性彌補了動物遺傳學難以直觀理解和調控機制理論抽象的不足。對動物遺傳學教學效果的提升具有重要作用。
所謂虛擬仿真技術，是通過將一個現實存在或抽象的事物利用一個虛擬的系統去模仿現實的技術。目前最具代表性的就是VR（虛擬現實），這項技術已經應用在很多領域，如醫療、工程實習等，但卻很少出現在教學平臺上。在動物遺傳方面，目前虛擬仿真技術應用于動物胚胎工程綜合仿真實驗的錄屏，學習者可以在虛擬環境下進行胚胎培養和操作，降低了實驗成本;進行豬外周血淋巴細胞培養、染色體標本制備及減數分裂過程虛擬仿真實驗，將細胞培養這類實驗周期過長的實驗通過虛擬技術快速完成;進行小鼠超排卵子體外受精虛擬仿真實驗，將復雜的實驗簡單直觀地展現;進行單克隆抗體制備及應用的虛擬仿真實驗，將傳統實驗通過仿真的形式直觀地展現;進行豬遺傳育種關鍵技能虛擬仿真實驗，將實驗室無法直接完成的實驗快速展現出來。目前，虛擬仿真在動物遺傳學主要應用于實驗技術的直觀展現上，將虛擬仿真應用于動物遺傳學教學還未見相關報道。
虛擬仿真遺傳課程的教學內容設計以經典遺傳學、分子遺傳學、細胞遺傳學為基礎，首先構建動物模型、DNA模型、細胞模型以及染色體模型，通過動畫設計，加入可互動的操作，在教學的基礎上進行開發設計，適當增加可變性，優化美觀度。
將仿真技術引入教學課堂，能加深學生對抽象概念的理解，在上課時，當講到自由組合定律時，學生通過圖像很難想象，這時屏幕上出現了動態的、可控的基因，然后他們進行組合，直觀并且有趣。當講到基因調控，學生學習正調控與負調控的機制機理時，往往很難理解，通過虛擬的基因調控模型，學生可以看到在染色體上如何形成開關，調控元件如何組合移動，直觀地理解了難懂的調控機制機理。當講到細胞有絲分裂，學生通過虛擬的細胞，可以直觀地看到細胞在不同時期的變化，加深理解，提升了學習興趣。當講到不能直觀看到的分子級反應時，可以利用虛擬仿真技術構建三維立體的動態模型，直接豐富了課程內容。通過使用虛擬仿真技術，使課堂內容直觀有趣，又因為加入了動畫元素大幅度提高了學生的聽課效率。
將仿真技術引入動物遺傳學實習教學，如基因的檢測和細胞培養與遺傳檢測，學生在動手之前，通過虛擬仿真技術先了解實驗的全過程，減少實驗誤操作，同時也降低了實驗操作的危險，提升了實驗安全性。由于動物遺傳學的試驗周期長、操作難等特點，通過該虛擬仿真在短期內直觀體驗，節約了實驗成本。
在動物遺傳學教學中應用虛擬仿真技術是未來的發展趨勢，但動物遺傳學技術日新月異，教學內容中前沿性知識多，需要對課程內容實時更新。同時隨著遺傳學的研究機制機理不斷深入，需要不斷抽象和擴充虛擬仿真的模型，這對于動物遺傳學教學者來說存在一定的難度。 三、結語
信息技術和生物技術的快速發展與有機結合，必將加速生物學研究的深度和廣度。生物學的快速發展對學習者提出了更高的要求——更好的抽象思維與理解能力。這就需要在教學中將難以理解的知識抽象化，將枯燥的課堂生動化，以提升學生學習的興趣和自主學習的愿望。虛擬仿真技術為動物遺傳學教學提供了新的技術和手段，直觀、有趣的課堂教學內容，生動、靈活的課堂教學方式，將虛擬仿真與動物遺傳學相結合，通過直接豐富的課程內容，又因加入動畫元素，轉變了枯燥的學習方式，提高了學生的聽課效率，必將有效提升傳統理論課教學的效率。
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編輯 武生智
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