生物技術(shù)藥物虛擬實驗室建設(shè)的思考

曹穎瑛，張俊平，厲建中，曹 巖，朱臻宇，姜遠英 (第二軍醫(yī)大學藥學院新藥研究中心， 上海 004;第二軍醫(yī)大學藥學院生化藥學教研室;第二軍醫(yī)大學藥學院藥物分析學教研室; 通訊作者)

生物技術(shù)藥物將基因工程、細胞工程、分子生物等學科的基本理論和技術(shù)方法與藥物研究有機結(jié)合起來，用來診斷、治療和預防疾病的發(fā)生，是藥學本科和生物技術(shù)本科一門重要的專業(yè)課程。其知識領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，這就要求在教學過程中，除了注重基礎(chǔ)理論知識的講授，還需及時融合相關(guān)技術(shù)的最新進展。

而生物技術(shù)藥物實驗教學作為整個課程教學的一個重要環(huán)節(jié)，是學員將基本理論與操作技能、抽象分析與實例驗證相結(jié)合的重要手段，具有很強的綜合性和實踐性，有利于學員的觀察能力、動手能力和思維能力的培養(yǎng)。因此，如何改進生物技術(shù)藥物實驗課程，從而增強該課程實驗教學的效果，是值得我們深入探討的。

1 傳統(tǒng)實驗教學模式存在的主要問題

傳統(tǒng)實驗教學模式在生物技術(shù)藥物實驗教學中存在一些困難和局限，在一定程度上影響了教學質(zhì)量。這些困難和局限主要表現(xiàn)在以下方面。

1.1 實驗周期長和課時少的矛盾突出 學員在前期課程培養(yǎng)中，相應的生物技術(shù)知識技能培訓更多停留在理論層面，致使學員該方向動手能力不足。而大多數(shù)生物技術(shù)藥物實驗步驟多，周期長，在設(shè)置的有限實驗課時內(nèi)，即使優(yōu)化實驗內(nèi)容，也難以使學員對實驗基本操作技能達到熟練掌握的要求。同時，技能的生疏，可能造成學員在實驗過程中的失誤，無法完成實驗，也沒有足夠的時間補做，導致一些操作部分沒有得到鍛煉，也缺乏對實驗的整體體會，進一步影響實際教學質(zhì)量。

1.2 實驗條件有限，成本高 生物技術(shù)藥物實驗所消耗的材料和試劑價格較為昂貴，實驗經(jīng)費相對緊張，且課程實驗對教學設(shè)備、場地、師資等實驗條件的要求也較高，基本的實驗訓練開展受到諸多限制。許多儀器如電泳儀、離心機等往往屬于教學科研共用，為避免學員違反操作規(guī)程或操作疏忽而造成的儀器損壞，教學過程中，采用在老師指導下小組分配使用的模式，甚至由老師固定人員代為操作，使大部分學員對該儀器的認識仍停留在抽象和模糊的狀態(tài)。這些因素間接影響實驗教學的效果，不利于培養(yǎng)學員發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，產(chǎn)生資金投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾。

1.3 實驗技能復雜繁多，不易開展設(shè)計性實驗 設(shè)計性實驗要求學員在理解實驗原理的前提下，能夠靈活運用實驗技能，具有消化知識后在不同情境下舉一反三的能力。而生物技術(shù)藥物實驗處理過程比較復雜，對專業(yè)化程度要求高，且相關(guān)技術(shù)和方法發(fā)展更新快，即使研究生也需一定時間的專業(yè)培訓和準備，才能獨立完成相關(guān)實驗。僅僅經(jīng)歷少量驗證性實驗的本科生，一般都難以在實驗設(shè)計層面做出合理有效的改進，也無法保證實驗的可靠性。

2 虛擬實驗室的必要性

如何在現(xiàn)有條件下克服上述困難，是當前迫切需要解決的問題。隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬實驗室已經(jīng)成為當前實驗教學發(fā)展的一個重要方向，是解決教育資源相對短缺，幫助學員更好地理解和掌握重點和難點知識，提高技能培訓質(zhì)量的有效手段［1］。將虛擬實驗技術(shù)引入生物技術(shù)藥物的實驗教學，以計算機輔助教學來補充常規(guī)實驗教學，就顯得非常必要。

2.1 突破時間和空間的限制，降低實驗成本 虛擬實驗室基于網(wǎng)絡，具有良好的開放性，實現(xiàn)資源共享。師生可隨時隨地介入，進行交流，不受時間、空間和實驗次數(shù)的限制，給學生提供一個全新的學習環(huán)境。而且，鑒于生物技術(shù)藥物的特殊性，完整地完成某些實驗一般需要數(shù)天，許多耗時步驟需老師提前準備，學員只是完成其中的關(guān)鍵操作，如在虛擬實驗室中，學員可以獨立完成整個實驗，提高實驗課的上課效率，達到全程體驗的目標。

虛擬實驗室利用軟件全程模擬仿真實驗，降低學員對真實實驗材料和設(shè)備的依賴性，節(jié)省大量的實驗經(jīng)費。同時，在技術(shù)更新而設(shè)備實物暫時無法跟進的情況下，可以通過軟件設(shè)計使虛擬儀器不斷補充，以較小的成本保持實驗課程的先進性、全面性、完整性。

2.2 避免傳統(tǒng)實驗可能的風險 生物技術(shù)藥物實驗操作中，不可避免的涉及到部分有毒試劑，如蛋白質(zhì)電泳實驗的必需試劑聚丙烯酰胺，直接接觸皮膚或由呼吸道吸入后具有神經(jīng)毒性。另外，學員對一些儀器操作也經(jīng)驗不足、注意力不集中，失誤時有發(fā)生，容易損壞儀器設(shè)備。這些因素都可能對實驗室安全和學生健康產(chǎn)生威脅，有的甚至造成不可逆的嚴重損害。僅采用示教或者視頻的方式來取代實驗規(guī)避風險，學生沒有切身體會，無法獲得感性認識。通過虛擬實驗室中的模擬操作，在關(guān)鍵位點設(shè)置危險提示和后果場景，可反復加深學員的印象，培養(yǎng)良好實驗習慣，從而避免其在實踐時手忙腳亂，造成安全隱患。同時，采用虛擬實驗室，也能降低傳統(tǒng)實驗教學中大量廢棄試劑排放所造成的環(huán)境污染［2］。

2.3 給實驗課的預習和復習工作提供了學習平臺生物技術(shù)藥物實驗步驟復雜，牽涉的知識點較多，需要學生通過預習來理解實驗原理，熟練實驗方法。傳統(tǒng)通過精讀講義和說明書的預習方式，有些專業(yè)表述晦澀難懂，效果欠佳，往往需要老師在實驗前再次強調(diào)。虛擬實驗室可讓學員在實驗之前有針對性地體驗整個操作過程，為下一步進入實驗室的實際操作奠定基礎(chǔ)。

實驗完成后，由于受到主客觀條件的限制，一般難以重復實驗，實驗室過程中的疑點往往得不到驗證。虛擬實驗室可以讓學員進行多次的模擬實驗，甚至實現(xiàn)根據(jù)學員的意愿調(diào)節(jié)實驗進程，從而使學生看到傳統(tǒng)實驗條件下容易忽略的細節(jié)，加深在實驗的過程中對知識的理解，是較好的鞏固與復習的材料。

2.4 寬松的實驗環(huán)境易于激發(fā)學習興趣 虛擬實驗室將圖片、音頻、視頻和動畫等融合在一起，再造逼真的實驗場景，使學員沉浸其中，從而產(chǎn)生身臨其境的感受，以第一人稱視點對實驗場景中的“自己”完全控制，通過鼠標、鍵盤等下達不同的動作指令并接受反饋信息，完成人機交互，使操作者產(chǎn)生與現(xiàn)實中同樣的體驗。虛擬實驗室的這種“沉浸感”和交互性特點使用戶真正成為實驗的參與者，而不是旁觀者。類似于游戲的操作營造一種生動活潑、輕松愉快的教學氛圍，充分調(diào)動了學員學習的興趣，大大提高了學習積極性。

2.5 提供學員參與實驗設(shè)計的可能 在虛擬實驗室中，學員除了熟悉實驗流程和操作技能外，更關(guān)注實驗的整體設(shè)計思路，根據(jù)實驗過程中產(chǎn)生的疑惑在虛擬平臺上探討教學實驗中條件微調(diào)情況下實驗結(jié)果的預測，幫助學員更好的理解。在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)置一些超出常規(guī)實驗范疇的課題，讓學生通過個性化的實驗設(shè)計，進行研究性學習，使不同水平的學生都能發(fā)展自己的實驗設(shè)計能力，有助于學生的思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 生物技術(shù)藥物虛擬實驗室開發(fā)的注意事項

3.1 注意虛擬實驗和現(xiàn)實實驗的平衡 虛擬實驗與實際實驗手段存在一定的差異，鼠標和鍵盤的操作缺乏實物的操作手感，如離心機如何調(diào)整平衡等。虛擬實驗也無法全面反映真實實驗的復雜性，盡管虛擬實驗室已經(jīng)熟練了操作流程，一旦虛擬情境中設(shè)定的理想狀態(tài)出現(xiàn)突發(fā)狀況，如實驗試劑不合格，造成實驗結(jié)果異常，學員可能會不知所措。必須合理均衡虛擬實驗與實際實驗，讓學員將虛擬實驗的心得在現(xiàn)實中通過訓練真正做到融會貫通［3］。

3.2 制作和維護需多方共同參與 在虛擬實驗室的開發(fā)過程中，軟件制作者沒有相應的專業(yè)知識，難以完成符合生物技術(shù)藥物學術(shù)規(guī)范的應用程序。因此，需要實驗教學經(jīng)驗豐富的老師參與腳本的編寫和軟件的調(diào)試，尤其是在虛擬情境中，重演真實實驗中歷屆學員的失誤，排查可能存在的安全隱患，模擬條件的改變對結(jié)果的影響等，起到警示和啟發(fā)的作用。同時，虛擬實驗室的使用對象主要是學員，為提高學員的認可度，可以讓學員參與體現(xiàn)方式的設(shè)計，如設(shè)置類似游戲的難度選項等［4］。

3.3 軟件選擇宜大眾化 虛擬實驗室開發(fā)完成后，應具備管理者甚至用戶逐步添加項目的功能。因此，其制作最好選擇小巧，部署方便，實用的大眾化軟件，便于上手，以提高用戶的參與度。

總之，虛擬實驗技術(shù)作為一個新型的教學媒體，在不同學科的實驗教學和訓練中正在充當越來越重要的角色，對未來教學領(lǐng)域發(fā)揮著其重要作用。建設(shè)好高水平的虛擬實驗室信息平臺，其自身強大的教學優(yōu)勢和潛能，最終會在生物技術(shù)藥物實驗教學中廣泛應用并發(fā)揮其重要作用。

［1］謝雨桐.網(wǎng)上教育:虛擬實驗室［J］.世界科學，2013，9:10－12.

［2］郭麗娟，曾明，蔣銀燕.淺談虛擬實驗室在醫(yī)學院校實驗教學中的應用［J］.科協(xié)論壇:下半月，2011，1:177.

［3］謝煒，居頌光，葛彥，等.虛擬實驗室在免疫學實驗教學中的應用［J］.中國教育技術(shù)裝備，2011，36:113 －115.

［4］陶清源，王巖，任浩，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學實驗教學課程中的應用［J］.基礎(chǔ)醫(yī)學教育，2012，14(8):627 －628.