ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРЕПОДАВАНИИ МЕДИЦИНСКОЙ БИОЛОГИИ И ОБЩЕЙ ГЕНЕТИКИ СТУДЕНТАМ МЕДИЦИНСКОГО ВУЗА

INFORMATION TECHNOLOGY IN TEACHING MEDICAL BIOLOGY AND GENERAL GENETICS TO MEDICAL STUDENTS

Sychik Lyudmila Mikhailovna

Сandidate of Sciences in Medicine, Associate Professor, Department of Biology, Belarusian State Medical University,

Belarus, Minsk

Karaseva Elena Ivanovna

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Department of Biology, Belarusian State Medical University,

Republic of Belarus, Minsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается проблема адаптации образовательного процесса на кафедре биологии к требованиям цифрового здравоохранения и современного уровня развития медико-биологических наук. Показаны возможности использования виртуальных лабораторий на практических занятиях по генной инженерии и популяционной генетике.

ABSTRACT

This article examines the issue of adapting the educational process in the Department of Biology to the requirements of digital healthcare and the current level of development in the biomedical sciences. The potential of using virtual laboratories in practical classes on genetic engineering and population genetics is demonstrated.

Ключевые слова: инновации в образовании; виртуальные лаборатории; симуляторы биологических процессов.

Keywords: innovations in education; virtual laboratories; simulators of biological processes.

В последние десятилетия стремительно развиваются молекулярная биология и генетика, что приводит к появлению новых возможностей во многих областях медицины. Это требует подготовки квалифицированных специалистов, владеющих современными высокотехнологичными методами диагностики и лечения (ПЦР-диагностика, секвенирование нуклеиновых кислот и другие), а также информационными технологиями.

В БГМУ внедрена в образовательный процесс модульная объектно-ориентированная среда обучения Moodle. Тем самым решена проблема интеграции разнообразных форм учебной деятельности в единое пространство: электронные учебники, практикумы, лекции, методические рекомендации, литература для подготовки, разнообразные тесты по дисциплине, ссылки на электронные ресурсы для поиска информации по изучаемым темам.

Приоритетной целью обучения в медицинском вузе является приобретение студентами профессиональных компетенций. Это достигается включением смоделированных в электронной образовательной среде виртуальных лабораторий. Виртуальные лаборатории дают возможность проводить эксперименты с оборудованием и материалами, соответствующими настоящей лаборатории, создают иллюзию реального выполнения экспериментов, предоставляя студенту свободу действий и возможность совершать ошибки [1, 2].

В процессе преподавания учебной дисциплины «Медицинская биология и общая генетика» на кафедре биологии БГМУ на некоторых практических занятиях используются программы-симуляторы реальных процессов. Опишем некоторые из них.

В начале занятия по теме «Анализ генетического материала» преподаватель объясняет студентам, что такое рестриктазы, сайты рестрикции, полилинкеры, «липкие» и «тупые» концы ДНК. Затем обучающиеся с помощью программы-симулятора выполняют конкретное задание по проверке наличия в определенной плазмиде (например, часто используемой в лабораториях для клонирования, pUC19) сайтов рестрикции для разных рестриктаз. Студенты изучают плазмиду, находят гены антибиотикорезистентности и точку начала репликации. Далее нажимают на кнопку Enzyme и выбирают из предложенного списка первую рестриктазу – EcoRI. После этого в меню выбирают инструмент "Cut" (разрезание). Программа мгновенно показывает, где находится сайт узнавания (GAATTC) и разрезает плазмиду на карте. Затем они выбирают следующую рестриктазу - HindIII. Сравнивают результаты. Программа автоматически находит сайты узнавания для каждой рестриктазы и проводит «виртуальное» расщепление.

Студентам предлагается посмотреть, есть ли в плазмиде сайт для рестриктазы SmaI, распознающей последовательность ЦЦЦГГГ. На месте разрезания образуются «тупые» концы. И сравнить это с работой фермента XmaI, который распознает ту же последовательность ЦЦЦГГГ, но разрезает таким образом, что по обе стороны от разреза остаются выступающие «липкие» концы.

Для визуализации результата работы рестриктаз, используют гель-электрофорез и строят виртуальную электрофореграмму. Виртуальный гель-электрофорез имитирует разделение макромолекул (ДНК, РНК, белков) по размеру и заряду под действием тока.

Выбранный образец геля (например, агарозный) заливают в форму с гребенкой для формирования лунок. Осуществляют виртуальный перенос фрагментов ДНК и маркера молекулярной массы в лунки, причем можно выбрать подходящий для конкретного образца ДНК. Имитируя подключение электродов, студенты нажимают на кнопку “Off”.  В начале процесса фрагменты, полученные в результате рестрикции ДНК и имеющие разную длину, находятся относительно близко друг к другу. Со временем разница в скорости миграции разных фрагментов приводит к их разделению. Фрагменты ДНК, расположенные в одном и том же вертикальном положении на двух разных дорожках, равны по величине. Сравнивая положение каждой полосы с полосами в стандарте, можно оценить длину полос в образцах.

На занятиях по теме «Популяционная генетика» для изучения ключевых  концепций популяционной и количественной генетике используются функции пакета RlearnPopGen.  Иначе студенты механически заучивают формулы, не понимая процессов, описываемых законом Харди-Вайнберга и динамики факторов микроэволюции.

Одним из факторов микроэволюции является дрейф генов, который особенно сильно выражен в малых популяциях. Более того, с уменьшением размера популяции значительно повышается шанс того, что частота одной из аллелей в ходе случайных колебаний достигнет 100%. Это неизбежно должно произойти в любой популяции, но в малых популяциях процесс протекает гораздо быстрее. Для визуализации этого процесса используется симулятор.

Студенты задают начальную частоту доминантной аллели A (0,5) в различных по численности популяциях (N₁=1000, N₂=100, N₃=30) на протяжении 100 поколений. Запускается симуляция смены поколений. В режиме реального времени студенты наблюдают, как в популяциях частота аллелей случайно изменяется, и аллель может либо зафиксироваться, либо элиминироваться, что невозможно предсказать по формуле Харди-Вайнберга. В идеальной популяция, в которой численность особей 4000 и более, дрейфа генов не наблюдается. В популяции из 1000 особей наблюдается слабый дрейф генов, но средняя частота аллели остается близкой к 50%. В популяция из 100 особей мы видим усиление дрейфа генов. Тогда как в популяция из 30 особей фиксируется сильный дрейф, приводящий к полной элиминации рецессивной аллели и закреплении доминантной.

Примером дрейфа генов является эффект бутылочного горлышка. Он наблюдается в случаях, когда размер популяции резко сокращается. Далее происходит восстановление численности, но, из-за усиления дрейфа в малочисленных группах, частоты аллелей могут резко измениться.

Студентам предлагается с помощью симулятора смоделировать эффект бутылочного горлышка. Задаем параметры, в которых аллели А и а нейтральны и не влияют на приспособленность. Численность популяции 1000 особей, а частота аллели А равна 0,5. В случае резкой смены факторов окружающей среды на протяжении 10 (от 50 до 60) поколений численность популяции падает до 10 особей. Затем восстанавливается. При этом из-за дрейфа генов частота аллели А в новой популяции составляет не 0,5, а около 0,2, что визуально отражает эффект бутылочного горлышка.

Информационные технологии позволяют визуализировать процессы молекулярного-генетического и популяционного уровней (движение фрагментов ДНК в геле, дрейф генов), делая абстрактные понятия общей генетики осязаемыми для первокурсников. Кроме того, виртуальные симуляторы обеспечивают понимание современных методов ДНК-диагностики задолго до начала клинической практики, готовя студентов к работе в высокотехнологичной лабораторной среде [1-3].

Для изучения паразитологических микропрепаратов на практических занятиях используются цифровые комплексы (микроскоп Levenhuk MED Series и программное обеспечение LevenhukLite). После получения с помощью микроскопа изображения, происходит оцифровка препарата, анализ и обработка в программе. Студентам предоставляется возможность для коллективного просмотра изображения на ЖК-экране, фото- и видеофиксация наблюдаемых объектов и сохранение результатов на внешние носители. Такая методика проведения занятий позволяет сформировать у студентов устойчивые навыки лабораторной диагностики паразитарных заболеваний, необходимые в их будущей профессиональной деятельности.

Внедрение интерактивных симуляторов и онлайн-платформ соответствует когнитивным привычкам современных студентов, повышая их вовлеченность в учебный процесс на кафедре биологии и мотивацию к изучению фундаментальных основ медицины.

Список литературы:

1. Смирнова, Е. Н. Интеграция виртуальных лабораторных работ в практикум по биологии в медицинском университете: методические аспекты / Е. Н. Смирнова, А. В. Петров // Медицинское образование и профессиональное развитие. — 2024. — Т. 15, № 2. — С. 78–85.
2. Хотулева, О.В., Ющенко, Ю.А., Егорова, Г.В. Использование интернет-платформ и виртуальных лабораторий в преподавании биологии / О.В. Хотулева, Ю.А. Ющенко, Г.В. Егорова // Проблемы современного педагогического образования.  – 2025. – № 86-4. – С. 316-319.
3. Черная, Л.В., Актушина, Г.А. Роль информационных технологий в преподавании биологии в медицинском вузе / Л.В. Черная, Г.А.  Актушина // Современные проблемы науки и образования. – 2019. – №4.; URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=29132 (дата обращения: 01.04.2026).