醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)虛擬實驗的建立和應(yīng)用優(yōu)勢

劉向華，德 偉，劉志軍，郭 靜，張愛萍

（1.南京醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生化與分子生物學(xué)系，江蘇 南京 210029；2.江蘇省捷達軟件工程有限公司，江蘇 南京 210024）

虛擬實驗作為一種數(shù)字化多媒體輔助教學(xué)手段，是以計算機為載體，綜合運用多媒體編程技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以大量的實驗文字，圖片，flash動畫以及眾多音頻視頻文件為基本組成單位，構(gòu)造了一個仿真的人機交互式的實驗界面［1］。學(xué)生可以在這種高度仿真的環(huán)境下進行相關(guān)的實驗操作，通過模擬現(xiàn)實中的分子生物學(xué)實驗，以增加對相關(guān)實驗過程的理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。為適應(yīng)現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的需要，南京醫(yī)科大學(xué)生化與分子生物學(xué)系構(gòu)建了醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)虛擬實驗平臺，作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的輔助教學(xué)內(nèi)容，建立了“理論學(xué)習(xí)→虛擬實驗→實際操作”三步曲的教學(xué)改革模式?，F(xiàn)將虛擬實驗平臺構(gòu)建的流程、要素、實驗內(nèi)容及應(yīng)用優(yōu)勢總結(jié)如下，以供各高校同行參考和指正。

1 醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)虛擬實驗構(gòu)建的流程、要素及內(nèi)容

目前，我國多所高校都開展了虛擬實驗軟件的前期開發(fā)和試運行，包括分子生物學(xué)、生理、病理、組織胚胎學(xué)等多個學(xué)科。但是虛擬實驗平臺的建立是一項復(fù)雜的工作，缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的虛擬教學(xué)產(chǎn)品和評價體系，從而影響虛擬實驗教學(xué)標準體系的制定和推廣應(yīng)用［2］。虛擬實驗教學(xué)資源和系統(tǒng)主要面臨四大類用戶，開發(fā)者、教學(xué)者、學(xué)習(xí)者和管理者：開發(fā)者承擔(dān)虛擬實驗教學(xué)資源開發(fā)，教學(xué)者承擔(dān)虛擬實驗教學(xué)實施過程，學(xué)習(xí)者作為虛擬實驗教學(xué)的主體實施對象，管理者則負責(zé)虛擬實驗教學(xué)實施效果評價。在構(gòu)建該虛擬實驗平臺時，綜合了以上四類用戶學(xué)科的不同需求，制定了合理體系化的構(gòu)建流程：編寫實用的實驗?zāi)_本（教學(xué)者）→利用計算機語言轉(zhuǎn)換形成軟件初稿（開發(fā)者）→虛擬實驗室中試用（教學(xué)者＋學(xué)習(xí)者）→收集師生教學(xué)回饋（教學(xué)者＋學(xué)習(xí)者）→專家、管理者等評議，形成修改意見（管理者）→進一步優(yōu)化完善虛擬實驗軟件（教學(xué)者＋開發(fā)者）。需要說明的是，上述構(gòu)建流程中的用戶角色并不是固定不變而是可以相互轉(zhuǎn)換的，以醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)專業(yè)教師為例，在虛擬軟件平臺構(gòu)建過程中同時承擔(dān)著多個角色：作為教學(xué)者要具備專業(yè)知識淵博，實驗操作基本功扎實，教學(xué)實施過程中師生互生溝通互動能力強，并善于發(fā)現(xiàn)和解決各類虛擬教學(xué)問題等；作為開發(fā)者要具備一定的軟件編程能力，從而能夠與計算機專業(yè)的編程人員順利溝通，完成專業(yè)性實驗?zāi)_本文字向計算機語言的轉(zhuǎn)換；作為管理者，在管理虛擬實驗教學(xué)的過程中存在流程控制、質(zhì)量評估和應(yīng)用服務(wù)等工作能力需求，從而保障虛擬實驗教學(xué)的實施效果。

虛擬實驗在基礎(chǔ)教育、高等教育、職業(yè)教育以及遠程教育中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，然而學(xué)習(xí)者能否在虛擬實驗中獲得身臨其境的感覺，能否從感性認識上升到理性認識顯得尤為關(guān)鍵。為體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)多感知性、真實性、互動性、操作性等特點，在構(gòu)建分子生物學(xué)虛擬實驗時，主要注重以下幾點基本要素的設(shè)計：①虛擬界面設(shè)計可操作性；②虛擬實驗素材及動畫高度寫真性；③虛擬實驗教學(xué)內(nèi)容實用性；④涵蓋豐富的2D動畫視頻資料，體現(xiàn)實驗微觀性；⑤虛擬實驗的操作結(jié)果評價及測試性。本套分子生物學(xué)虛擬實驗平臺操作界面中的所有實驗儀器、試劑和耗材的圖像均以實體為標準制作，而且隨著實驗的進行，可觀察到實驗的動態(tài)變化。同時在可視化圖形操作界面中，適量地加入實驗說明框和提示框，學(xué)生在虛擬實驗的操作過程中，可按照文字提示自由拖動界面中的組織、試劑、儀器等，真實模擬了實際的實驗操作，使學(xué)生可以在沒有教師指導(dǎo)的情況下獨立完成整個實驗過程。虛擬實驗的高度寫真性，不僅是虛擬實驗可視化的需要，更重要的是，它高度仿真了實際操作中的器械和過程，從而更好地指導(dǎo)學(xué)生完成相關(guān)實驗的實際操作，提高了學(xué)生的實踐操作能力。教學(xué)過程中，虛擬實驗不僅可通過鼠標的點擊和拖動模擬實際操作過程，更添加了豐富的2D動畫及視頻資料，將難以解釋的實驗原理及操作中無法觀察到的微觀世界變化，以可視化形式動態(tài)地呈現(xiàn)出來，從而使教學(xué)更直觀，更具有可感知性，也使教學(xué)形式更豐富活潑，教學(xué)的成效將會更加顯著。

分子生物學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)置直接影響醫(yī)學(xué)生對分子生物學(xué)理論知識的理解，對培養(yǎng)其科學(xué)作風(fēng)和科學(xué)思維能力，建立研究問題的科學(xué)方法十分重要，進而培養(yǎng)出全面發(fā)展的創(chuàng)新型醫(yī)學(xué)人才［3］。在依據(jù)我國醫(yī)學(xué)院校分子生物學(xué)課程標準的要求進行虛擬實驗內(nèi)容設(shè)計時，應(yīng)注重教學(xué)科研一體化，把科研項目與基礎(chǔ)實驗相結(jié)合，使項目的研究步驟與分子生物學(xué)實驗內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，緊密銜接形成合乎邏輯的一套綜合性和設(shè)計性實驗內(nèi)容。經(jīng)典的分子生物學(xué)虛擬實驗內(nèi)容設(shè)計時依據(jù)教師的授課思路，強調(diào)學(xué)生的設(shè)計與實踐，以教學(xué)中的重點及難點作為軟件的主要研發(fā)點。如以真核基因表達調(diào)控內(nèi)容為例，選用人類腫瘤壞死因子（hTNF－α）為研究主題，實驗內(nèi)容基本涵蓋了：①總RNA提取及RT－PCR虛擬實驗：小鼠肝臟總RNA提??；對提取的總RNA進行分析；逆轉(zhuǎn)錄（RT）；PCR擴增hTNF－α等；②免疫印跡技術(shù)虛擬實驗：小鼠肝臟組織總蛋白提?。籅radford法測蛋白濃度；SDS－PAGE分離蛋白；電轉(zhuǎn)移（半干式）；免疫印跡hTNF－α；ECL化學(xué)發(fā)光等；③分離目的基因（hTNF－α）及載體DNA：利用限制性核酸內(nèi)切酶分別切割目的基因和載體；利用連接酶將目的基因與載體DNA共價連接形成重組DNA分子；重組DNA分子轉(zhuǎn)入宿主細胞；重組子的篩選與鑒定等。在實際教學(xué)過程中，作者將該套經(jīng)典虛擬實驗內(nèi)容與傳統(tǒng)實驗操作教學(xué)方式有機結(jié)合起來，優(yōu)勢互補、揚長避短，有效調(diào)動醫(yī)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新的學(xué)習(xí)態(tài)度，提高學(xué)生對分子生物學(xué)基本技術(shù)的掌握和臨床基礎(chǔ)應(yīng)用的理解，為培養(yǎng)醫(yī)學(xué)科研型并重的復(fù)合型人才奠定了科研思維基礎(chǔ)。

2 醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)虛擬實驗平臺的應(yīng)用優(yōu)勢

醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)虛擬實驗已經(jīng)在作者所在校虛擬實驗室、數(shù)碼仿真實驗室及E－learning網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)平臺上教學(xué)試點近五年。綜合師生調(diào)查表的反饋信息，作者總結(jié)出虛擬實驗作為分子生物學(xué)實驗課程教學(xué)的有益補充具有以下優(yōu)勢。

開放性和靈活性：傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實驗教學(xué)在時間和地點上相對固定，學(xué)生無法自由地安排學(xué)習(xí)操作分子生物學(xué)實驗的時間。虛擬實驗的建立增加了實驗學(xué)習(xí)時間的靈活性，實驗操作不再拘泥于傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實驗室，學(xué)生只要打開電腦中的虛擬軟件，便可獨立、自主的進行實驗操作；不僅如此，學(xué)生還可以利用課余時間來學(xué)習(xí)分子生物學(xué)實驗，培養(yǎng)學(xué)生對實驗的興趣，更好的發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。此外，對分子生物學(xué)有興趣的其他專業(yè)的學(xué)生也可以通過這一高度仿真的虛擬實驗，更好的了解分子生物學(xué)，拓寬學(xué)生的視野，促進學(xué)科間的交流。

自主性和創(chuàng)新性：傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實驗教學(xué)模式是教師為主導(dǎo)的灌輸式教學(xué)，注重的是知識的傳授及實驗儀器的規(guī)范化操作，學(xué)生在學(xué)習(xí)中一直處于被動接受狀態(tài)，不利于對學(xué)生實際操作中觀察、比較、分析、綜合等科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。而在以學(xué)生為主體的虛擬實驗中，學(xué)生自主模擬操作相應(yīng)實驗項目，教學(xué)更有針對性；虛擬實驗允許學(xué)生犯出錯，具有反省和自我分析機會，并通過重復(fù)練習(xí)虛擬實驗深化對理論概念的理解和掌握，同時給予學(xué)生更多的創(chuàng)造機會，而不受資源、時間及安全因素的限制；通過虛擬實驗，學(xué)生能根據(jù)自己對實驗掌握的情況自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容及進度，自主擬定實驗方案并在虛擬實驗中進行相關(guān)的操作，增強了學(xué)生實驗設(shè)計的能力，提高學(xué)習(xí)效率及效果；此外，學(xué)生可通過虛擬實驗中預(yù)覽的實驗操作結(jié)果獲得即時的實驗反饋信息，從而不斷地改進自己的實驗設(shè)計，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新的精神。

高效性和可重復(fù)性：分子生物學(xué)實驗具有周期長的特點，為維持正常的實驗進度，保證實驗教學(xué)時間的完整性和實驗過程的連續(xù)性，有時教師必須提前做好相應(yīng)的實驗準備，甚至替學(xué)生完成一部分的實驗操作，導(dǎo)致學(xué)生無法全程參與此實驗的操作，從而對實驗內(nèi)容缺乏整體性、系統(tǒng)性和連貫性的理解，影響實驗教學(xué)的效果。此外，由于對實驗步驟的不熟悉和實驗結(jié)果的不可控，常常導(dǎo)致傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中學(xué)生單次實驗操作不能得到預(yù)期的結(jié)果，甚至損壞儀器，造成安全隱患。限于分子生物學(xué)實驗教學(xué)成本高、教學(xué)難度大等特點，往往沒有條件再次重復(fù)實驗，不僅打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，更限制了其求知欲望，不利于嚴謹科學(xué)作風(fēng)和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠使學(xué)生在接觸實際操作之前提前進入虛擬的實驗氛圍，掌握必要的基礎(chǔ)理論和知識，還可以在虛擬環(huán)境中模擬操作，提高安全防護意識，從而在真正動手實踐操作中，順利完成實驗教學(xué)進程的同時，更能集中精力觀察實驗現(xiàn)象、分析思考實驗結(jié)果，從而有利于學(xué)生整體科研思維能力的培養(yǎng)。利用虛擬實驗技術(shù)，學(xué)生可在計算機上用很短的時間內(nèi)完成現(xiàn)實中較長時間才能完成的實驗，并可獨立、自主、反復(fù)地進行關(guān)鍵性實驗步驟的操作，更可以在這一不斷學(xué)習(xí)、不斷思考的過程中激發(fā)科研興趣，增強對實驗本身設(shè)計思路和反應(yīng)規(guī)律的分析和思考，提高了學(xué)習(xí)效率。

虛擬實驗技術(shù)是信息時代的產(chǎn)物，多門學(xué)科實驗教學(xué)改革的研究都認為它在教育科研領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，是實驗教學(xué)的一個新的發(fā)展方向，它必將促進教學(xué)觀念與教學(xué)形式的變革。將虛擬實驗仿真軟件引入教學(xué)中，既擴大了實驗的范圍，又能將課堂上較難理解的理論知識形象生動化的通過虛擬實驗室仿真軟件展現(xiàn)出來，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣［4］。當(dāng)然，虛擬實驗教學(xué)只是分子生物學(xué)實驗課程教學(xué)的一種形式，不可能完全取代真實的實驗操作，在教學(xué)過程中應(yīng)堅持“實際操作為主，虛擬實驗為輔”的原則，將傳統(tǒng)教學(xué)與虛擬實驗兩者有機的結(jié)合起來，優(yōu)勢互補，對分子生物學(xué)理論和實驗教學(xué)的發(fā)展起到推動作用，促進分子生物學(xué)實驗教學(xué)模式的改革并加強高校信息化建設(shè)的步伐。

［1］韓 瑩，高興亞，戚曉紅，等.生理學(xué)虛擬實驗室的建立與應(yīng)用［J］.醫(yī)學(xué)教育，2005（4）：63－65.

［2］吳 砥，徐 建，張成偉.多學(xué)科通用虛擬實驗教學(xué)標準體系的研究、設(shè)計和實踐［J］.華東師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012（2）：106－114.

［3］王松梅，潘鑾鳳，邵紅霞，等.八年制臨床醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)實驗教學(xué)的思考與建議［J］.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2013，15（11）：1008－1009.

［4］陳曉歡，王穎穎，左云飛.虛擬實驗室在分子診斷學(xué)中的應(yīng)用［J］.實驗室科學(xué)，2011，14（1）：126－128.