信息化资源在遗传学实验教学中的应用

韩金磊 陈 琪 王 凯 方 辉 寇小兵 张 会

（南通大学，江苏南通 226019）

遗传学实验是培养学生科学思维和实践能力的重要环节，也是培养创新型人才的重要途经之一。信息化资源是指涉及电子信息技术的多种数字化资源，包括数字信息库、数字技术应用平台、数字化的计算机网络、多媒体资源库及其相关的硬件和软件设备等[1-2]。随着信息技术的发展，其不仅对工业、农业和医疗等领域产生了深远的影响，也为遗传学实验教学提供了新的方法和手段[3-4]。本文将探讨信息化资源在遗传学实验教学中的应用，以提高实验效率和教学质量。

1 现有遗传学实验教学模式的基本情况

现有的遗传学实验教学模式具备多项优势，能够为学生提供良好的学习体验。其中，主要的优势之一是为学生提供了直接实践的机会。学生通过直接参与实验室实验，不仅掌握了基本的遗传学实验技术，还提高了团队协作能力。一方面，学生能够通过实践将理论知识应用于现实生活，从而加深对遗传学相关概念和原理的理解。另一方面，团队合作是传统遗传学实验教学模式的重要组成部分。实验过程中经常需要学生以小组形式讨论实验设计、解决实验问题及分析实验结果等，有效提升了学生的沟通和团队协作能力。

实践中遗传学实验教学模式同样面临着一些挑战[5-7]。一是实施实验需要场地和耗材投入，增加了教学成本。对于实验室资源有限的教学单位，学生进行所有必要实验的机会可能较少，这不利于学生对实践经验的积累和对遗传学相关概念的理解。二是教学模式中学生处于被动学习状态。在课堂环境中，学生通过教师课堂讲授和演示被动地接收信息。这种被动的学习无法充分激发学生的学习兴趣，也不利于培养学生的创造力和独立思考能力。三是教学模式的灵活性不足，尚无法满足学生多样化的学习需求。

有限的资源、被动的学习方法以及缺乏灵活性等制约因素，突出了在遗传学实验教学中采用创新教学方法和整合新技术的必要性。随着信息技术的快速发展，越来越需要将数字平台、模拟软件和在线资源纳入遗传学实验教学中。这些工具的应用可以实现复杂遗传学相关概念的可视化，提供交互式学习体验，还可以通过虚拟实验对传统实验室实验进行有效补充，为学生提供全面的学习体验。

2 信息化资源在遗传学实验教学中的应用

目前，信息化资源在生物学实验中得到了越来越广泛的应用[8-10]，其突破了传统教学模式在时间、空间和资源等方面的局限性，提高了生物学实验的效率和精度，使生物学实验开展更加方便，结果更可靠。信息化资源在遗传学实验教学中的应用主要在以下4个方面。

2.1 虚拟实验室和模拟实验平台的设计与开发

虚拟现实技术正成为遗传学实验教学的有力工具[11-13]。虚拟现实为学生提供了参与实践和互动学习体验的机会，使他们能够在可控和互动的环境中探索复杂的概念和技术，通过操纵变量、观察和分析结果，获得实用技能和深入理解遗传学原理。例如，虚拟现实平台Labster（https：//www.labster.com/）提供了一系列专门为生物学教育设计的虚拟实验室，学生可以在虚拟平台进行实验、分析数据和得出结论，从而增强学生的整体学习体验。BioInteractive（https：//www.biointeractive.org/）提供了大量的虚拟实验、动画和视频资源，涵盖了DNA结构、基因表达和基因工程等主题。通过BioInteractive 平台，学生可以探索复杂的遗传学概念、可视化的分子分解及合成过程，加深对遗传机制的理解。交互式模拟平台PhET（https：//phet.colorado.edu/）提供了许多模拟实验，学生可以通过模拟实验探索遗传物质的传递和遗传变异等过程。FlyLabJS（https：//www.sciencecourseware.org/FlyLabJS/）是一个专门研究果蝇的虚拟实验室。果蝇是遗传学研究中广泛使用的模式生物，该虚拟实验室允许学生对虚拟果蝇进行遗传实验，包括杂交、突变和遗传作图等。通过这些模拟实验，学生可以探索遗传模式、分析表型以及理解遗传学基本原理。

虚拟实验室和模拟实验平台通过图形化界面、交互式操作和实时数据反馈等，为学生提供了与传统实验室相似的学习体验，极大地丰富了遗传学实验教学方式，具有诸多优势[14-15]。一是为学生提供了一个安全可控的实验环境。二是通过让学生参与动手实践、分析数据和做出决策来促进主动学习。三是允许学生随时随地获取材料，促进自主学习，并能满足个性化的学习需求。四是提供了重复和强化的机会，让学生能够重新审视实验并巩固知识。

2.2 网络资源的整合与利用

目前已有大量的网络学习资源可用于遗传学实验教学。例如，NCBI GenBank（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/）是一个综合数据库，包含数千种生物的基因序列。学生可以利用GenBank搜索和检索相关基因信息，用于研究基因变异和探索进化关系。在线人类孟德尔遗传（OMIM）（https：//www.omim.org/）数据库对遗传疾病及其相关基因进行了分类，学生可以在OMIM获得有关特定遗传疾病的临床特征、遗传模式和分子遗传学详细信息。基因表达综合数据库（GEO）（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/）同样是一个开放的数据库，其收录了大量的基因表达数据。学生可以访问和分析特定生物体不同组织、发育阶段和实验条件下的基因表达谱。这些网络资源的应用有助于学生理解基因调控和遗传因素对细胞过程的影响等。

此外，广泛利用在线教程和课程资源也是一种重要方式。如Coursera（https：//www.coursera.org/）、edX（https：//www.edx.org/）以及中国大学MOOC（https：//www.icourse163.org/）等为学生提供了大量的遗传学课程。通过这些平台，学生可以进一步丰富和拓展相关遗传学知识，并通过作业、在线测验等来巩固所掌握的知识。此外，这些在线学习平台强调互动学习体验，许多课程设有讨论论坛，学生可以与来自不同文化背景和学科背景的学习者进行交流。在线教程、课程和数据库资源的整合和利用极大地丰富了遗传学实验教学内容。通过利用这些网络学习资源，学生可以通过探索遗传数据集，将所学知识应用于实际环境，进一步深入探索遗传学前沿领域。

2.3 在线实时互动和远程实验的应用

在线实时互动和远程实验为改善遗传学实验教学方式提供了有力支持。一方面，通过访问在线平台，如OpenWetWare（https：//www.openwetware.org），学生可以接触到来自世界各地的学者分享的遗传学实验内容。该平台还提供了详细的实验步骤，包括DNA 提取和纯化、细菌转化和基因克隆等，让学生能够有效地进行实验并解决常见问题。此外，Open-WetWare 还鼓励学生之间的协作和知识共享，这种互动和协作方式不仅提高了其对遗传学相关概念的理解，还培养了学生的共享意识和协作能力。另一方面，在线协作工具进一步加强了遗传学实验教学期间学生之间的实时互动和协作。如Google Docs、Microsoft Teams以及Slack等工具提供了一个动态和互动空间，学生可以在其中共同完成小组项目，分享数据，提出问题并给予反馈。这些工具还提供了简化协调和组织的功能，确保了高效的协作和有效的交流。通过使用这些工具，学生可以共同撰写实验报告，协作创建实验数据电子表格，并对实验结果进行深入讨论。

视频会议平台，诸如Zoom、Webex 和腾讯会议等也为遗传学实验教学带来了革新。教师可以利用这些平台共享屏幕，与来自不同地点的学生建立联系，实时演示实验过程。这种互动会议能够激发学生的参与感。视频会议平台的应用提高了遗传学实验教学的有效性和灵活性，使实验教学更具沉浸感和吸引力。

2.4 数据分析和结果展示工具的应用

数据分析和结果展示工具在遗传学实验教学中发挥着至关重要的作用。数据分析工具能够帮助学生揭示遗传学数据中的趋势和相关性。通过使用统计分析工具，学生能够从海量数据中提取关键信息。例如，在基因组研究中，学生可以利用R、Python 及Perl 等工具进行DNA 序列分析、遗传关联分析和基因表达数据的挖掘。通过工具的应用，学生能够深入分析复杂的遗传学数据，并从中得出正确的结论。

结果展示工具在遗传学实验教学中的应用有助于将复杂的数据转化为易于理解和传达的可视化形式。通过使用绘图软件，学生可以创建清晰的图表、热图和网络图等，从而直观地展示实验结果。例如，在基因表达研究中，可以利用HemI工具来创建热图以展示基因的表达模式，并将结果与不同条件下的样本进行比较。可以通过Cytoscape 工具创建网络图来展示基因、蛋白质或其他生物分子之间的相互关系。这种可视化的网络图展示方式让学生能够更清晰地理解遗传学中生物分子之间的相互作用和信号传递路径。通过对网络图的分析，可以发现重要的节点（如关键基因或调控因子）及其之间的连接模式，从而深入了解生物系统的功能和调控机制。

数据分析和结果展示工具的应用有助于培养学生的思辨性思维和数据驱动的决策能力。学生通过参与实验数据的处理和解释过程，不仅能够学习如何使用工具分析数据，还能够思考和评估数据的可靠性和可解释性，并基于分析结果提出假设、制定实验设计方案，对研究问题提出合理的解释和推论。这种思辨性思维和数据驱动的决策过程培养了学生的科学思维和实验设计能力，使他们能够更好地应对未来的遗传学研究和实验挑战。

3 结语

未来，还需要不断地加强数字化教材，虚拟实验软件和实验平台等信息化资源的建设和更新。通过建立完善的信息化平台，推动教育资源的可及性，让更多学生享受到信息化带来的学习资源的公平性和便利性。需要强调的是，教师也需要具备一定的信息技术水平才能够更好地利用信息化资源进行实验教学，因此，需要加强教师信息化能力的培养和培训，为教学质量的提升提供保障。学生需要正确使用信息化资源，学会区别真实实验和虚拟实验之间的差别与联系，充分发挥虚拟实验的便利性，同时也要注重实践经验的积累。尽管虚拟实验软件可以模拟实验环境，但由于实际的实验条件和虚拟实验平台的局限性，尚不能完全满足学生的实践体验。因此，建立不同的实验平台，并将其与科研等实际项目相连接，为学生提供更多的实践机会，是未来的一个探索方向。

总之，利用信息化资源不断完善遗传学实验教学，是一项必要而且重要的任务。需要加强资源建设，提高教师信息化教学能力，引导学生正确使用信息化资源，为遗传学实验教学的发展注入新的动力。