[发明专利]一种面向中学教学的三维DNA构象的交互式参数化模拟方法

权利要求书

1.一种面向中学教学的三维DNA构象的交互式参数化模拟方法，基于OpenGL标准图形接口进行模拟，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：在VR/AR环境下，按给定的错误率以正射投影方式构建DNA分子的反向互补平行的一级结构，交互式矫正DNA分子一级结构的错误；

步骤S2：在VR/AR环境下，以步骤S1所建立的一级结构为参照，交互式模拟DNA反向双螺旋链在三维空间中的动态生成过程，通过调节参数实现不同形式的DNA二级结构；

步骤S3：通过交互式编辑空间曲线，在三维空间中模拟DNA分子从线状到弯曲状再到任意盘曲缠绕的超螺旋形状的各种高级结构的形成过程；所述弯曲状包含环状和螺线管状；

所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：随机给出24～50之间的一个随机数N，用以表示某DNA分子的一条多核苷酸链片段上具有N个碱基，要求学生回答DNA一级结构的排列方式有多少种，随机给出包含正确答案的多个选项；所述正确答案为4的N次幂，由学生交互式作答；回答正确的，则进入步骤S2；否则，重复执行步骤S1，直至学生点选原理解释；

其中，所述的原理解释的具体实现指，将3个长度的碱基序列采用动画方式，给出64种碱基对排列组合方式，在探究型学习情景下，交互式地给出相应的氨基酸标识和功能解说；

步骤S12：采用双向链表生成由N个碱基随机组合的碱基序列单链1#(5’-3’)，根据教师交互式指定或随机生成的错误率，给出与之配对的但包含错误的另一碱基序列单链2#；在VR环境下，以正射投影方式渲染呈水平或垂直放置的单股DNA分子的双链片段；

步骤S13：交互式矫正DNA分子一级结构中出现的错误；所述错误包括两类：碱基互补配对错误和DNA分子多核苷酸单链的极性方向错误(3’-5’)；学生交互式矫正错误，如果所有的错误都已被矫正，进入步骤S2；否则，重复执行步骤S13，直至学生点选自动矫正与说明；

其中，所述的自动矫正与说明的具体实现指，以动画方式高亮显示互补匹配发生错误的碱基对，沿着单链1#的5’-3’方向，顺序逐对地高亮展示碱基对互补关系的矫正过程，模拟DNA分子一级结构的碱基互补和反向平行的双链构象。

2.根据权利要求1所述的一种面向中学教学的三维DNA构象的交互式参数化模拟方法，其特征在于：步骤S12中所述根据教师交互式指定或随机生成的错误率，给出与之配对的但包含错误的另一碱基序列单链2#的具体步骤为：

步骤S121：根据教师交互式指定或随机生成的错误率计算错误的数量ErrNum，2ErrNumN；用户输入错误的数量x或者错误的百分率x％，或者由PC端随机生成错误的数量x，则错误数量ErrNum＝{x,x％*N}；

步骤S122：根据ErrNum的奇偶性设置错误类型；ErrNum为奇数则产生2类错误，即，DNA单链2#的极性方向错误和cErr＝ErrNum-1个碱基互补配对错误；ErrNum为偶数则只产生1类错误，即，cErr＝ErrNum个错误都属于碱基互补配对错误；

步骤S123：根据错误的类型和数量，生成包含错误的DNA单链2#；具体实现步骤包括：

步骤S1231：对于DNA单链2#的极性方向错误，通过链端点标识(5’-和3’-)的对换和双向链表表头指针的重定向来实现；

步骤S1232：对于碱基互补配对错误，首先，生成与DNA单链1#互补配对正确的单链2#；其次，采用随机标记法标注DNA单链2#上发生配对错误的碱基位点；然后，根据碱基互补配对的错误规则，将DNA单链2#上错误位点处的碱基设置成随机错误。