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摘要 介绍国外开发的一款虚拟遗传学实验室软件及其应用，为转变高中遗传学教学方式、有效实施模拟孟德尔遗传学杂交实验提供途径和操作层面的参考。
关键词 遗传学教学 VCL 孟德尔
中图分类号G633. 91
文献标志码B
孟德尔遗传学杂交实验是高中生物课程中重要的教学内容。由于时间空间等限制，该实验一般无法在学校开展，学生只能通过教师创造的教学情境体验孟德尔进行科学探究的过程。如何突破此种教学约束，为遗传学教学注入新的活力，值得教育工作者关注。随着信息技术的高速发展和计算机的普及化，技术与课程的整合成为教育信息化进程中的热点，计算机模拟实验在此种大教育环境下受到青睐，且各科课程标准也提倡将其作为辅助手段帮助学生直观便捷地进行相关实验。通过介绍国外研究者开发的一款虚拟遗传学实验室（ Virtual Genetics Lab，VCL）软件，为高中课堂中模拟孟德尔遗传学杂交实验提供操作性工具，让学生亲身体验“科学家在观察分析基础上提出问题，通过推理和想象提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验检验演绎推理的结论”的真实探究过程，帮助教师变革遗传学教学方式。
1 VGL软件简介
1.1下载安装
VGL软件是由美国马萨诸塞大学团队于2007年开发设计的一款计算机模拟昆虫遗传学杂交实验的开源软件。通过创造虚拟测试环境，该软件给学生提供自行设计杂交实验的平台，让学生通过研究后代表型特征并收集足够的数据，最终确定生物性状的遗传方式。官方网站（http：//vgl.umb.edu）提供下载程序包、使用手册，用户可根据自身需求免费获取。
1.2 运行操作
VGL软件的界面简洁、操作容易，基本运行原理为：计算机挑选昆虫的某一（多）对性状，并随机确定控制性状的等位基因显隐性，从而创造出一个具有随机基因型的昆虫种群——野生种群（Field Popula-tion）。在使用时，通常遵循以下步骤：①根据教学需要创建问题，计算机设定潜在的种群遗传方式;②计算机展示野生种群的表型特征，学生在观察分析基础上确定亲本进行杂交，此时一般提出假定的遗传方式;③计算机展示虚拟杂交产生后代的表型特征，学生根据实验现象和数据是否与假定的遗传方式相匹配，决定是否继续杂交;④学生自行确定结束杂交实验时间，并将确定的昆虫性状遗传方式与老师和同学交流。该程序每次启动都将产生不同的随机问题，能为学生提供多种有关遗传方式的问题进行探究。此外，VGL还允许学生输入答案，并以作业的形式提交给教师进行评价。软件的具体操作介绍见表1。
2 VGL软件在生物学教学中的应用
孟德尔遗传学是高中学习难度偏高的学习内容，遗传学部分又在试卷上占有较大分值，而常规遗传学教法采用传统灌输式教学，其教学效果往往不能达到期望。因此，为了补齐传统教学方法的短板，提高学生学习效率，教师在教学中引入VCL软件，不仅可以提高高中生对遗传学知识点的掌握程度，又能增强学生科学素养，训练学生理性分析的能力。
2.1 启动程序，创建新问题
“提出问题”是科学探究的第一步，VGL软件可以让学生亲临实验室一般完成科学探究。每次点击文件（File）、新问题（New Problem）开始，计算机都将随机选择新的性状特征，在不同问题中具有相同名称的字符可能具有不同的属性。根据教学需要，选择不同水平层次难度的文件（下面以One G ene Olp.pr2为例），此时桌面将出现装着随机产生的野生种群笼子——Cage 1。此时，软件操作界面如图1所示。
当新问题成功创建，学生应当观察分析笼子1后获得有关信息：该野生种群数量（黑眼昆虫18只，绿眼昆虫10只），需判定控制昆虫眼睛颜色这对相对性状的基因遗传方式（即黑色与绿色的显隐性关系、是否存在不完全显性现象、基因位于常染色体或性染色体等）。
2.2 选定亲本，设计杂交实验
设计实验方案是科学探究过程中重要一环。明确任务后，为探究昆虫眼色遗传方式、探究亲本与子代间的遗传规律，学生需从笼子1中选择一只雄性个体与一只雌性个体作为亲本，并单击VCL软件窗口顶部的“Cross”按钮进行杂交操作。此时，计算机界面显示装有杂交后代的新笼子-Cage 2，根据后代种群表型特征，学生确定新信息是否能确定遗传方式，如若不能，再次选择个体进行杂交，产生新笼子Cage 3，以此类推，如图2所示。从图2中学生应当观察分析后获得有关信息：亲本为笼子1中的两只黑色/绿色個体，产生后代全部为黑色/绿色，无法判断显隐性关系，需要继续杂交。假说一演绎法是孟德尔遗传实验的核心，VCL软件模拟了真实的遗传学实验室，学生必须自行设计杂交实验以获取足够的数据信息，从而在不断的提出假说、设计实验、检验假说的过程中逐步确立相应问题中有关性状的遗传方式。继续选择亲本杂交结果如图3所示，根据笼子5可知黑眼对绿眼应为显性，根据笼子7可知笼子1中选中的杂交亲本应为黑眼杂合显性、绿眼纯合隐形。
基于证据和事实进行演绎推理是生物学学科核心素养之科学思维的重要内容。此时，学生需再次做出假设继续演绎：若将笼子7中的黑眼雌雄个体进行杂交，后代出现黑眼和绿眼两种性状，且分离比为3：1，则上述判定成立。选中亲本点击Cross按钮，计算机界面显示如图4所示，由图5可知黑眼个体比绿眼个体为19：6，接近孟德尔分离定律，由此学生通过杂交实验最终确证该野生种群的遗传方式为常染色体遗传，其中黑眼对绿眼为完全显性，由一对等位基因控制。并将其输入VCL的模型器（图5）中。
在整个过程中，学生通过不断地试误，意识到科学成果来之不易、科学研究应当遵循学术规范。VCL软件不仅提高了学习效率，使课堂具有趣味性，还能培养学生创造性思维，促进学生生物核心素养的形成。
3 结语
为了帮助学生理解核心概念“遗传信息控制生物性状，并代代相传”，《普通高中生物学课程标准（2017年版）》建议教学活动过程中开展模拟植物或动物性状分离的杂交实验。在VCL创造的假想实验场景中，学生可以在计算机交互式情境中反复操作设计杂交实验，通过确定生物性状遗传方式的形式体验科学探究，加强对孟德尔遗传学杂交实验的理解。此外，VGL因其免费、操作便捷、真实体验的特点，己在国外课堂开展实施并获得成效。
参考文献：
[1]苏米，黄致新，邓先君.利用Algodoo软件辅助物理教学[J].物理教学，2019， 41（4）：21-23.
[2]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[s].北京：人民教育出版社，2018： 56-59.
[3] White BA， Bolker ED， Koolar N，et al.The Virtual Ge-netics Lab：A Freely-Availahle Open-Source Genetics Simula-tion[JI American Biology Teacher. 2007， 69（1）：29-32.
[4] White BA. The Virtual Genetics Lab II： Improvements toa Freelv Available Software Simulation of Genetics EJl. Ameri-can Biology Teacher. 2012， 74 （5）： 336-7.
[6] Williams CT， Rudge DW. Mendel and the Nature of Sci-ence[JI American Biology Teacher. 2015， 77（7）： 492-9.
关键词 遗传学教学 VCL 孟德尔
中图分类号G633. 91
文献标志码B
孟德尔遗传学杂交实验是高中生物课程中重要的教学内容。由于时间空间等限制，该实验一般无法在学校开展，学生只能通过教师创造的教学情境体验孟德尔进行科学探究的过程。如何突破此种教学约束，为遗传学教学注入新的活力，值得教育工作者关注。随着信息技术的高速发展和计算机的普及化，技术与课程的整合成为教育信息化进程中的热点，计算机模拟实验在此种大教育环境下受到青睐，且各科课程标准也提倡将其作为辅助手段帮助学生直观便捷地进行相关实验。通过介绍国外研究者开发的一款虚拟遗传学实验室（ Virtual Genetics Lab，VCL）软件，为高中课堂中模拟孟德尔遗传学杂交实验提供操作性工具，让学生亲身体验“科学家在观察分析基础上提出问题，通过推理和想象提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验检验演绎推理的结论”的真实探究过程，帮助教师变革遗传学教学方式。
1 VGL软件简介
1.1下载安装
VGL软件是由美国马萨诸塞大学团队于2007年开发设计的一款计算机模拟昆虫遗传学杂交实验的开源软件。通过创造虚拟测试环境，该软件给学生提供自行设计杂交实验的平台，让学生通过研究后代表型特征并收集足够的数据，最终确定生物性状的遗传方式。官方网站（http：//vgl.umb.edu）提供下载程序包、使用手册，用户可根据自身需求免费获取。
1.2 运行操作
VGL软件的界面简洁、操作容易，基本运行原理为：计算机挑选昆虫的某一（多）对性状，并随机确定控制性状的等位基因显隐性，从而创造出一个具有随机基因型的昆虫种群——野生种群（Field Popula-tion）。在使用时，通常遵循以下步骤：①根据教学需要创建问题，计算机设定潜在的种群遗传方式;②计算机展示野生种群的表型特征，学生在观察分析基础上确定亲本进行杂交，此时一般提出假定的遗传方式;③计算机展示虚拟杂交产生后代的表型特征，学生根据实验现象和数据是否与假定的遗传方式相匹配，决定是否继续杂交;④学生自行确定结束杂交实验时间，并将确定的昆虫性状遗传方式与老师和同学交流。该程序每次启动都将产生不同的随机问题，能为学生提供多种有关遗传方式的问题进行探究。此外，VGL还允许学生输入答案，并以作业的形式提交给教师进行评价。软件的具体操作介绍见表1。
2 VGL软件在生物学教学中的应用
孟德尔遗传学是高中学习难度偏高的学习内容，遗传学部分又在试卷上占有较大分值，而常规遗传学教法采用传统灌输式教学，其教学效果往往不能达到期望。因此，为了补齐传统教学方法的短板，提高学生学习效率，教师在教学中引入VCL软件，不仅可以提高高中生对遗传学知识点的掌握程度，又能增强学生科学素养，训练学生理性分析的能力。
2.1 启动程序，创建新问题
“提出问题”是科学探究的第一步，VGL软件可以让学生亲临实验室一般完成科学探究。每次点击文件（File）、新问题（New Problem）开始，计算机都将随机选择新的性状特征，在不同问题中具有相同名称的字符可能具有不同的属性。根据教学需要，选择不同水平层次难度的文件（下面以One G ene Olp.pr2为例），此时桌面将出现装着随机产生的野生种群笼子——Cage 1。此时，软件操作界面如图1所示。
当新问题成功创建，学生应当观察分析笼子1后获得有关信息：该野生种群数量（黑眼昆虫18只，绿眼昆虫10只），需判定控制昆虫眼睛颜色这对相对性状的基因遗传方式（即黑色与绿色的显隐性关系、是否存在不完全显性现象、基因位于常染色体或性染色体等）。
2.2 选定亲本，设计杂交实验
设计实验方案是科学探究过程中重要一环。明确任务后，为探究昆虫眼色遗传方式、探究亲本与子代间的遗传规律，学生需从笼子1中选择一只雄性个体与一只雌性个体作为亲本，并单击VCL软件窗口顶部的“Cross”按钮进行杂交操作。此时，计算机界面显示装有杂交后代的新笼子-Cage 2，根据后代种群表型特征，学生确定新信息是否能确定遗传方式，如若不能，再次选择个体进行杂交，产生新笼子Cage 3，以此类推，如图2所示。从图2中学生应当观察分析后获得有关信息：亲本为笼子1中的两只黑色/绿色個体，产生后代全部为黑色/绿色，无法判断显隐性关系，需要继续杂交。假说一演绎法是孟德尔遗传实验的核心，VCL软件模拟了真实的遗传学实验室，学生必须自行设计杂交实验以获取足够的数据信息，从而在不断的提出假说、设计实验、检验假说的过程中逐步确立相应问题中有关性状的遗传方式。继续选择亲本杂交结果如图3所示，根据笼子5可知黑眼对绿眼应为显性，根据笼子7可知笼子1中选中的杂交亲本应为黑眼杂合显性、绿眼纯合隐形。
基于证据和事实进行演绎推理是生物学学科核心素养之科学思维的重要内容。此时，学生需再次做出假设继续演绎：若将笼子7中的黑眼雌雄个体进行杂交，后代出现黑眼和绿眼两种性状，且分离比为3：1，则上述判定成立。选中亲本点击Cross按钮，计算机界面显示如图4所示，由图5可知黑眼个体比绿眼个体为19：6，接近孟德尔分离定律，由此学生通过杂交实验最终确证该野生种群的遗传方式为常染色体遗传，其中黑眼对绿眼为完全显性，由一对等位基因控制。并将其输入VCL的模型器（图5）中。
在整个过程中，学生通过不断地试误，意识到科学成果来之不易、科学研究应当遵循学术规范。VCL软件不仅提高了学习效率，使课堂具有趣味性，还能培养学生创造性思维，促进学生生物核心素养的形成。
3 结语
为了帮助学生理解核心概念“遗传信息控制生物性状，并代代相传”，《普通高中生物学课程标准（2017年版）》建议教学活动过程中开展模拟植物或动物性状分离的杂交实验。在VCL创造的假想实验场景中，学生可以在计算机交互式情境中反复操作设计杂交实验，通过确定生物性状遗传方式的形式体验科学探究，加强对孟德尔遗传学杂交实验的理解。此外，VGL因其免费、操作便捷、真实体验的特点，己在国外课堂开展实施并获得成效。
参考文献：
[1]苏米，黄致新，邓先君.利用Algodoo软件辅助物理教学[J].物理教学，2019， 41（4）：21-23.
[2]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[s].北京：人民教育出版社，2018： 56-59.
[3] White BA， Bolker ED， Koolar N，et al.The Virtual Ge-netics Lab：A Freely-Availahle Open-Source Genetics Simula-tion[JI American Biology Teacher. 2007， 69（1）：29-32.
[4] White BA. The Virtual Genetics Lab II： Improvements toa Freelv Available Software Simulation of Genetics EJl. Ameri-can Biology Teacher. 2012， 74 （5）： 336-7.
[6] Williams CT， Rudge DW. Mendel and the Nature of Sci-ence[JI American Biology Teacher. 2015， 77（7）： 492-9.