虚拟仿真技术在动物遗传学教学中的应用
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作者:刘志红 王步钰 马金伟 周薇 王志新
[摘 要] 虚拟仿真技术是通过将一个现实存在或抽象的事物利用一个虚拟的系统模仿现实的技术。将仿真技
术的直观性引入动物遗传学课程教学中，直接丰富了课程内容，又因加入动画元素大幅度提高了学生听课效率，加深了学生对生命现象和遗传机制的理解。
[关 键 词] 虚拟仿真;动物遗传学;特点
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）25-0094-02
当下学校的教育普遍存在一种现象，教师在讲台上讲自己的，学生在台下干自己的，这种现象严重影响了学生的上课效率。为什么会出现这种现象？归根结底是授课内容不吸引人，如动物遗传学，传统的授课方式十分枯燥，很多教师将科研式教学、多元自主学习、翻转课堂、案例式教学、互动式教学引入课堂，试图提升学生对动物遗传学的兴趣，加深对课程内容的理解。
科技的发展使大部分学生对互联网、电脑、游戏等感兴趣。随着网络信息技术飞速发展，促使教育逐渐革新，将教学和信息科技有效结合，将平时乏味的课件与有趣的互联网仿真技术结合起来，既提高了学生学习的兴趣，也减轻了教师上课的压力。动物遗传学课程本身是基础理论课，具有抽象且不易理解的特点，将仿真技术的直观性引入动物遗传学课程的教学中，可以提升学生的学习兴趣和上课效率。
一、遗传学的课程定位与特点
动物遗传学作为遗传学分支，是动物遗传育种与繁殖的基础必修课程，也是生物学领域中最重要的理论基础。其课程内容讲述了分子遗传学原理与方法、遗传基本规律及其扩展、非孟德尔遗传、细胞遗传的原理与方法、群体遗传学、基因组学等内容，实现了分子水平、细胞水平、个体水平、群体水平的跨越，对发现生命科学理念以及扩展生命科学技术具有巨大推动作用。动物遗传学侧重于对各种动物性状遗传机制进行解析以及对遗传改良方式进行研究，其教学不仅要求学生要对生命现象进行理解，还需要运用动物遗传学知识解析与其相关的育种、营养、生产和疾病产生相关机制。随着生命科学技术的快速发展，动物遗传学的教学内容多为前沿技术知识，对进行生命科学相关领域的研究具有至关重要的作用。因此，动物遗传学课程具有抽象性、难理解性和前沿性的特点。
二、虚拟仿真技术在动物遗传学教学中的应用
随着信息技术的发展，虚拟仿真技术以其逼真、立体的表现形式将抽象的过程形象地演示出来，最大限度地发挥了虚拟软件资源的优势。同时该技术借助对多媒体、传感、输入输出等技术，学习者能够实现互动学习，打破了时间和空间的限制，让学习者如身临其境般地操作，以提高学生的实战技能，最大限度地激发学生自主学习的兴趣，开拓学生思维，增加课堂趣味性。虚拟仿真技术的这种特性弥补了动物遗传学难以直观理解和调控机制理论抽象的不足。对动物遗传学教学效果的提升具有重要作用。
所谓虚拟仿真技术，是通过将一个现实存在或抽象的事物利用一个虚拟的系统去模仿现实的技术。目前最具代表性的就是VR（虚拟现实），这项技术已经应用在很多领域，如医疗、工程实习等，但却很少出现在教学平台上。在动物遗传方面，目前虚拟仿真技术应用于动物胚胎工程综合仿真实验的录屏，学习者可以在虚拟环境下进行胚胎培养和操作，降低了实验成本;进行猪外周血淋巴细胞培养、染色体标本制备及减数分裂过程虚拟仿真实验，将细胞培养这类实验周期过长的实验通过虚拟技术快速完成;进行小鼠超排卵子体外受精虚拟仿真实验，将复杂的实验简单直观地展现;进行单克隆抗体制备及应用的虚拟仿真实验，将传统实验通过仿真的形式直观地展现;进行猪遗传育种关键技能虚拟仿真实验，将实验室无法直接完成的实验快速展现出来。目前，虚拟仿真在动物遗传学主要应用于实验技术的直观展现上，将虚拟仿真应用于动物遗传学教学还未见相关报道。
虚拟仿真遗传课程的教学内容设计以经典遗传学、分子遗传学、细胞遗传学为基础，首先构建动物模型、DNA模型、细胞模型以及染色体模型，通过动画设计，加入可互动的操作，在教学的基础上进行开发设计，适当增加可变性，优化美观度。
将仿真技术引入教学课堂，能加深学生对抽象概念的理解，在上课时，当讲到自由组合定律时，学生通过图像很难想象，这时屏幕上出现了动态的、可控的基因，然后他们进行组合，直观并且有趣。当讲到基因調控，学生学习正调控与负调控的机制机理时，往往很难理解，通过虚拟的基因调控模型，学生可以看到在染色体上如何形成开关，调控元件如何组合移动，直观地理解了难懂的调控机制机理。当讲到细胞有丝分裂，学生通过虚拟的细胞，可以直观地看到细胞在不同时期的变化，加深理解，提升了学习兴趣。当讲到不能直观看到的分子级反应时，可以利用虚拟仿真技术构建三维立体的动态模型，直接丰富了课程内容。通过使用虚拟仿真技术，使课堂内容直观有趣，又因为加入了动画元素大幅度提高了学生的听课效率。
将仿真技术引入动物遗传学实习教学，如基因的检测和细胞培养与遗传检测，学生在动手之前，通过虚拟仿真技术先了解实验的全过程，减少实验误操作，同时也降低了实验操作的危险，提升了实验安全性。由于动物遗传学的试验周期长、操作难等特点，通过该虚拟仿真在短期内直观体验，节约了实验成本。
在动物遗传学教学中应用虚拟仿真技术是未来的发展趋势，但动物遗传学技术日新月异，教学内容中前沿性知识多，需要对课程内容实时更新。同时随着遗传学的研究机制机理不断深入，需要不断抽象和扩充虚拟仿真的模型，这对于动物遗传学教学者来说存在一定的难度。 三、结语
信息技术和生物技术的快速发展与有机结合，必将加速生物学研究的深度和广度。生物学的快速发展对学习者提出了更高的要求——更好的抽象思维与理解能力。这就需要在教学中将难以理解的知识抽象化，将枯燥的课堂生动化，以提升学生学习的兴趣和自主学习的愿望。虚拟仿真技术为动物遗传学教学提供了新的技术和手段，直觀、有趣的课堂教学内容，生动、灵活的课堂教学方式，将虚拟仿真与动物遗传学相结合，通过直接丰富的课程内容，又因加入动画元素，转变了枯燥的学习方式，提高了学生的听课效率，必将有效提升传统理论课教学的效率。
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编辑 武生智
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