虚实结合教学模式在遗传学实验中的探索与实践

耿晓进，李海清，冯 雪，孙艳香，贾永红

（廊坊师范学院，河北 廊坊 065000）

0 引言

遗传学是生物专业一门重要的专业基础课，其中的果蝇杂交是经典实验，综合性很强，也是遗传学实验的重点和难点。目前许多高校开展的遗传学实验课程中，果蝇杂交系列实验以验证性实验为主。验证性实验虽然有助于学生快速获取并内化基础知识，掌握基本实验操作技能［1］，但验证性实验往往存在实验内容有限、方法单一、结果固化、学生学习主动性和科研探索能力得不到锻炼、部分学生甚至敷衍应付［2］等问题，教学效果不够理想，并且杂交实验内容多、耗时长。为此，多数高校设计了整合方案，通过遗传定律的内在联系，将杂交实验整合成一个杂交组合来完成［3］。综合实验虽然节省了时间，但内容过多，实验操作和数据分析易混乱，短时间内学生难以吃透综合实验的原理和操作，未能形成综合、系统性的实验思维，达不到应有的教学效果。

为解决以上问题，本着“虚实结合，以虚促实”的原则，引入了北京欧倍尔公司果蝇杂交系列实验虚拟仿真实验项目，构建虚实结合的教学模式，并将此模式在实验教学中实践，以期激发学生学习兴趣，培养自主学习能力，从而提高实验效率。

1 研究对象与数据分析

1.1 研究对象

采用虚拟仿真实验与实体实验结合的教学模式，在廊坊师范学院2020级生物科学类本科专业遗传学实验课程中的经典实验——果蝇杂交实验中进行了实践与研究。该专业2020级共212名学生，大二春季学期开设遗传学实验课程，此前已完成遗传学理论课程学习。

1.2 数据分析

课程结束后，从虚拟仿真实验项目平台导出学生操作和考核数据，从教务管理系统导出学生考核成绩，用Excel 软件分析数据。将采用虚实结合教学模式的2020 级与未采用虚实结合教学模式的2019 级生物科学类本科学生的考核成绩进行对比分析，用IBM SPSS Statistics 21 软件做统计和相关性分析。

2 虚实结合的果蝇杂交实验教学模式构建

2.1 果蝇杂交实验教学体系

果蝇杂交系列实验共有7 个实验项目，涉及杂交实验的全部过程，包括果蝇杂交基本技术、果蝇杂交实验（单因子杂交、两对因子的自由组合、伴性遗传、基因的连锁和交换、三点试验）以及果蝇杂交实验的拓展（两对因子的自由组合特例）3 个模块。通过虚拟仿真与实体实验结合，构建了“虚实结合、以虚促实”的教学体系（表1）。“虚实结合”是指对于操作复杂的杂交实验，采用课前线上虚拟仿真练习，线上交流，教师根据练习和交流情况，线下有针对性地讲解示教，学生实体操作的混合式教学模式，以便在有限的实体操作次数下，达到更好的实验效果。“以虚促实”一方面是指学生通过虚拟仿真练习，熟练掌握操作节点，进而提高实验效率；另一方面，“拓展提高”部分作为实体实验的有力补充，拓展实验内容，提高教学深度，学生在线上进行虚拟实验后，在教师的引导下查阅文献，研究讨论，助力学生个性化学习。

2.2 果蝇杂交实验教学评价体系

教学评价采用实体实验评价与虚拟仿真实验评价相结合的方式，构建多元化的果蝇杂交实验评价体系（图1），主要包括过程性评价和终结性评价，各占50%。过程性评价除了线下出勤情况、课堂表现、课后作业、章节测验、实验报告几个方面外，还将虚拟仿真实验中练习情况、在线交流、在线考核等作为评价内容。终结性评价为期末考试，教师就实验理论知识、方法、关键步骤、学生实验和交流过程中存在的问题等重难点进行期末考核。多样化的考核方式不仅能对学生的预习和复习起到一定监督作用，还能更有效地反馈学生对知识的掌握程度，有利于教师随时根据学生学习情况调整教学进度和内容。

图1 果蝇杂交实验教学评价体系

2.3 果蝇杂交实验实施过程

教学实施过程分为课前、课中、课后3 个模块，具体流程见图2。

图2 果蝇杂交实验教学实施过程

课前，教师按照教学进度布置虚拟仿真实验练习任务。学生可在虚拟仿真实验平台下载实验报告和操作手册，在预习的基础上，根据学习安排进入虚拟实验项目，在3D虚拟仿真实验场景中，应用虚拟材料和设备，通过人机交互式操作进行仿真实验操作、数据分析等实验流程。学生可在留言区提出自己遇到的问题，发表学习感想。教师在后台查看学生操作记录，包括操作时间、次数、操作失误点、考核情况和留言区反馈等，初步掌握学生学习情况，了解学生学习的难点和弱点，进一步调整和完善实体实验教学中的内容和侧重点。

课中，教师就虚拟仿真实验操作中遇到的问题和难点进行讲解和示教，在此基础上学生进行实体操作，主要操作内容包括培养基配制、果蝇生活史观察、性状观察、性别鉴定、接种、麻醉、收集亲本蝇、杂交实验等。学生根据实验选取的亲本蝇做杂交实验，推导杂交实验结果，汇报讨论，教师引导、答疑。

课后，学生查看杂交情况，记录实验结果，完成实验报告和章节测验。同时，学生根据自身学习情况，进入拓展提高项目，展开个性化学习。教师根据教学情况反思教学过程，进一步完善教学体系。

3 教学实施效果

3.1 虚拟仿真实验应用情况分析

在统计分析虚拟仿真实验操作数据时，发现学生参与度非常高，多数学生反复练习实验操作，在线考核成绩逐次递增。尤其是三点试验和伴性遗传2 个实验，学生操作次数最高，均超过500 人次（图3）。而且，每个实验的完成率均达到80%以上。由此可见，学生对虚拟三维高仿真度、高交互性的实验操作有很大的兴趣，愿意克服困难，不断进行模拟训练。

图3 虚拟仿真实验操作人次统计分析

图4 实验平均用时统计分析

学生虚拟仿真实验平均用时在12min 左右（图4），与国家虚拟仿真实验共享平台上果蝇杂交系列实验的平均用时（12min）一致。说明学生在理论知识、实验操作和计算机操作等方面达到了国内同专业学生平均水平。

3.2 考核成绩分析

3.2.1 虚拟仿真实验在线考核成绩分析

学生虚拟仿真6 个实验操作成绩，除伴性遗传实验优秀率77.84%外，其他5 个实验优秀率均在80%以上，不及格率均低于15%。而国家虚拟仿真实验共享平台上果蝇杂交系列实验优秀率仅56.56%，不达标率为24.55%，说明廊坊师范学院2020 级生物科学类本科专业学生在果蝇杂交系列实验理论知识理解和实验操作技能等方面取得了很好的学习效果。

与其他实验相比，三点试验和伴性遗传实验优秀率占比较低，不及格率较高。可能与学生高中生物学习基础有很大关系，基因分离定律、自由组合定律及连锁互换定律是高中生物的重点内容，在反复教学过程中学生已经熟练掌握这些规律。三点试验是用一次杂交和一次测交确定三个基因在同一染色体上的顺序和距离，也就是确定遗传图距，操作复杂，实验原理的理解和数据分析都有一定难度，而且是学生未接触过的实验。伴性遗传虽然也是高中生物的内容，但高中偏重于定性分析，杂交实验不仅有定性分析，而且需要定量分析，这也是优秀率低、不及格率高的原因之一。虽然这两个实验难度较大，但三点实验学生操作人次最高（图3），说明学生对于果蝇杂交系列实验有很高的学习热情。

3.2.2 期末成绩分析

为了更好地分析虚拟仿真实验教学效果，将2019 级与2020 级生物科学类遗传学实验期末成绩进行统计分析（表2）。2019级学生仅采用实体实验教学，未采用虚实结合的教学模式。2 个年级前期学习基础相同，虽然期末试卷题目不同，但是涉及的知识点相似。由表2 可以看出，2020 级学生平均成绩比2019 级学生平均成绩高2.055 分，标准差和标准误也明显较低。说明虚实结合的教学模式有助于提高学生学习成绩，而且明显缩小了学生之间的成绩差异，班级整体学习效果良好。

表2 学生成绩统计分析

3.2.3 学生期末成绩与果蝇杂交虚拟仿真实验成绩相关性分析

将2020 级学生遗传学实验期末成绩与果蝇杂交虚拟仿真实验成绩做相关性分析，去除5 个未全部完成基础杂交实验的学生成绩，共获得203 组有效成绩进行相关性分析。由表3 可以看出，学生期末成绩与果蝇杂交实验成绩均呈正相关。其中，与单因子杂交实验和三点测交实验在0.01 水平上显著正相关，与两对因子的自由组合和基因的连锁和互换实验在0.05 水平上显著正相关。说明虚拟仿真实验有助于提高学生对果蝇杂交系列实验相关理论知识和操作技能的掌握程度。

表3 期末成绩与果蝇杂交虚拟仿真实验成绩相关性分析

4 讨论

4.1 把握好“虚”与“实”的度

虚拟仿真实验平台提供沉浸式、交互式实验操作环境，学生在进行虚拟实验时有身临其境的感受和体验，实现人机交互实验教学，极大限度地增加了学习的趣味性，提高了学生的学习兴趣。然而，实验教学是培养学生实践能力和创新能力的重要环节，虚拟仿真实验不能完全代替实体操作。“虚”与“实”的安排要符合实验教学规律，根据学生实验掌握程度合理安排。果蝇杂交实验内容多，操作复杂，采用课前线上虚拟仿真实验操作预习，课中教师示教讲解、学生实体操作，课后虚拟仿真实验巩固练习、拓展提高的混合式教学模式，有助于在有限的实验操作次数下达到更好的教学效果。

4.2 合理选择和利用虚拟仿真实验项目

虚拟仿真实验项目类似于教材，作为实验教学的工具和手段，能够购买到现有的高水平虚拟仿真实验项目，就没有必要花费巨大的人力、财力重复开发［4］。但由于各高校在实验室基本条件、实验方法等方面有所不同，导致虚拟仿真实验与实体实验略有差异。因此，在购买使用虚拟仿真实验项目时，应充分考虑各自实验室现有条件的匹配度，尽量采用匹配度高的项目，无法匹配的操作可以采取补充措施。如欧倍尔公司开发的果蝇杂交虚拟仿真实验与本实验室在培养基配制方法、麻醉方法、果蝇培养瓶选择等方面存在不同。虚拟实验按照传统方法配制培养基，而本实验室已将传统方法改良，这部分内容由教师制作微课，供学生观看。培养瓶、麻醉方法的选择等，教师不提供固定方法，而是引导学生查阅文献，选取不同的方法观察实验结果，从而优化出最佳实验条件。

5 结语

本文应用虚实结合的教学模式对遗传学经典实验——果蝇杂交实验进行教学改革，从实践研究结果来看，取得了一定效果。学生通过课前虚拟仿真练习，更好地把握了实验过程和实验节点，提高了完成复杂实验的能力，为顺利完成实体实验奠定了基础。学生对实验过程和实验原理的理解更加深入，数据收集和实验结果分析更清晰、更深入，实验报告质量有所提高。通过自行设计实验方案、线上线下讨论、章节测验、拓展提高等方式，引导学生深度学习，锻炼了理论学习和应用能力，体现在期末成绩明显提高，班级整体学习效果良好。