随着互联网与信息技术的飞速发展，促使‘互联网+’与教学过程紧密结合，通过虚拟仿真实验教学资源的建设，学生可以随时、随地在虚拟环境中开展实验操作，提高学生的自主学习兴趣和实践能力，满足学生个性化学习与创新实践能力的培养需求，有效提升实验教学质量。基于此，本项目紧跟现代生物学的发展趋势，扩展实验内容，旨在提升学生实验技能，夯实遗传学实验的教学效果。

通过系统训练，拟达到如下实验教学目标：

1、实现立体染色体的动态观察及识别

生物细胞是微小的立体结构，在一个完整的细胞周期中，染色体存在动态变化的过程，通过不同角度、不同维度观察的染色体形态观察，实现准确区分细胞所处的时期，及各个时期的染色体形态特征目标。

2、构建完整的染色体分析体系

实际教学中材料的准备、取材与预处理、分裂细胞的解离染色、染色体制片和核型分析等全过程时间跨度较大，全程需10天以上。由于课时限制，前期准备一般均由老师完成，课堂上学生进行简单的制片和观察，核型分析以理论讲解和动画演示完成。学生无法经历染色体分析实验的全过程，相关的实操技能得不到有效训练，也无法领悟实验准备过程中涉及的原理与方法的对应关系。

通过虚拟仿真实验，以染色体制片为主线，采用三维动画展现基本实验原理，虚拟操作从材料准备到结果分析的全过程，构建完整的染色体分析体系。

3、实现学生实验操作技能的有效提升

不同学生实验操作能力和观察分析的能力存在个体差异，因此，虚拟实验程序中设定了弹窗、导引、交互问答等方式进行详尽说明并练习闯关。通过虚拟实验学习，缩小学生个体实验操作差异，再结合实体实验，促使学生全面掌握植物细胞染色体鉴定和分析的方法和过程，提高实验成功率，培养学生学习兴趣，有助于研究性学习和创新研究的有效开展。

本实验涉及的实验原理和主要知识点表述如下：

1、细胞结构

植物细胞是微小的立体结构，由细胞壁、细胞膜、细胞质和细胞器组成，与遗传直接相关的细胞器共有5个。遗传物质主要存在于细胞核内的染色体上，但细胞核不是孤立起作用，而是和细胞质相互作用、相互依存而表现出细胞统一的生命过程。

2、染色体结构

染色体是细胞核最重要而稳定的成分，是遗传物质的主要载体。染色质和染色体是同一种物质在细胞分裂过程中表现的不同形态。真核生物中，染色质是DNA和蛋白质以及少量RNA组成的复合物 ；其基本结构单位是核小体、连接丝和1分子的组蛋白H₁ ，染色质按照核小体、螺线管、超螺线管和染色体四级结构折叠成染色体。染色质在细胞分裂过程中能出现连续而又有规律性的变化。

3、细胞周期

细胞分裂是生物生长发育和繁殖的基础。真核生物的细胞分裂主要是以有丝分裂方式进行。细胞周期主要包括细胞有丝分裂过程及其两次分裂之间的间期。细胞周期就是细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的时间。细胞周期的遗传控制是现代遗传学研究中非常活跃的一个领域。

4、有丝分裂

有丝分裂是生物细胞增殖的主要方式，有丝分裂过程中，细胞核准确地复制，并有规律地、均匀地分配到两个子细胞中去，使子细胞遗传组成与母细胞完全一样，从而可以推断生物性状的遗传与染色体的准确复制和均等分配有关，支配生物性状的遗传物质主要存在于细胞核内的染色体上，既维持个体正常生长和发育，又能保证物种的连续性和稳定性。

有丝分裂是一个连续过程，可以分为前期、中期、后期和末期。各时期染色体状态不同，中期染色体着丝点均排列在纺锤体中央的赤道面上，而染色体两臂则自由分散在赤道面的两侧，具有典型的形状，最适于采用适当的制片技术鉴别、染色体计数、核型分析和种质资源的准确鉴定。

5、核型分析

各种生物染色体的形态、结构和数目都是相对稳定的。核型分析就是研究一个物种细胞核内染色体的数目及各染色体的形态特征，如对染色体的长度、着丝粒的位置、臂比、随体及次缢痕的有无等进行观测，描述和阐明生物的染色体组成，为细胞学、分类学和进化遗传学等研究提供实验依据。

植物根尖等分生组织的细胞有丝分裂中期，染色体具有较典型的特征，且易于计数，因而染色体组型分析主要以这一分裂时期进行观察。

实验操作流程分为3部分，包括植物根尖的取材与预处理；根尖细胞染色体制片与镜检；有丝分裂时期分析和核型分析。每部分对应的教学过程与实验方法如下：

1、植物根尖的取材与预处理：

教学过程：通过三维动画的形式，模拟黑麦浸种、发芽、长根、剪根、预处理和固定过程。

实验方法：主要为观察法、比较法、归纳法。

根据设定好的程序，学生从浸种开始就参与到实验中，随时跟踪种子萌发状态，及时进行虚拟操作，根据实际情况随时调整。取黑麦种子，选择合适的温度和水量进行浸种；模拟观察种子的露白过程，比较露白种子和未露白种子的异同，根据种子露白情况及时倒水长根或继续浸泡；模拟种子根的生长情况，待根长到1.5-2 cm时进行剪根；选择合适的方法进行根尖预处理，掌握预处理的原理与方法，归纳预处理与实验效果的关系，根据实际情况按需调整；最后进行固定。

学生在虚拟情境可多次尝试操作，全面了解实验操作前期材料准备工作，为实际工作中灵活应用奠定基础。

2、根尖细胞染色体制片与镜检：

教学过程：解离、染色、切取根尖、加染液、盖盖玻片、敲片、压片、镜检。

实验方法：主要为观察法、放大法、模拟法。

通过人机交互介绍解离染色的原理、醋酸洋红的配制方法，模拟进行解离与染色；通过真实图片与三维模型结合，观察根的结构和各部分的长度，对根尖分生区的位置和长度产生直观感受；放大本实验采用的分生区位置，通过观看模拟动画展示切取根尖的方法与技巧，掌握根尖分生区细胞制片的技术要领；模拟切取根尖、加染液、盖玻片，敲片和压片；利用三维仿真动态展示光学显微镜的调试方法和镜检方法，使学生切实掌握镜检过程的要领，并能在实际实验中操作准确，快速达到预期目标，观察到细胞分裂各时期。

通过交互介绍各步骤重点与难点，加深印象，可多次模拟操作，掌握技术要领，以便在实际实验中提高成功率，提升实验效果。

3、有丝分裂时期分析和核型分析

教学过程：有丝分裂时期分析、冷冻揭片、脱水、风干、染色、镜检、照相、核型分析。

实验方法：主要为类比法、归纳法和积累法。

通过典型的显微图片与三维动画截图一一对应，展示细胞在三维立体画面和在平面图像中的联系与区别，掌握不同分裂时期染色体的形态特征和在细胞周期中的动态变化。在此基础上，积累相关知识，完成显微图片、分裂时期和三维动画截图的匹配题练习，进行有丝分裂不同时期的判断。

在上述实验成功的基础上，模拟选择中期分裂相较多的制片，进行揭片、乙醇脱水和气干，通过交互操作介绍荧光染料，采用DAPI进行荧光染色，通过动画介绍正确使用荧光显微镜的方法；再通过人机交互对提供的真实细胞图片进行染色体长度测量、臂比计算和随体的判断，再综合所有数据进行染色体配对和排列，最后进行染色体综合描述。

交互性步骤如下：