分子生物學虛擬實驗室的構(gòu)建

王 甜, 王茂林，林宏輝

(四川大學 生命科學學院；生物科學基礎(chǔ)實驗教學中心，成都 610065)

·計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用·

分子生物學虛擬實驗室的構(gòu)建

王 甜, 王茂林，林宏輝

(四川大學 生命科學學院；生物科學基礎(chǔ)實驗教學中心，成都 610065)

分子生物學虛擬實驗室教學資源的建設(shè)與實物教學實驗室的有機結(jié)合，可以讓學生打破時間和地域的限制完成相關(guān)實驗，促進實驗教學的個性化，鍛煉和開發(fā)學生的創(chuàng)新能力，激發(fā)學生的學習興趣，實現(xiàn)教學模式的多元化發(fā)展，對生命科學創(chuàng)新人才培養(yǎng)起到重要的輔助作用。

實驗教學; 虛擬實驗室; 分子生物學; 創(chuàng)新能力

虛擬實驗室(Virtual Laboratory)是一種基于Web 技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的虛擬實驗教學系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學實驗室的虛擬化。虛擬實驗室概念，是由美國的威廉·沃爾夫(William Wolf) 教授于1989 年首次提出的。虛擬實驗室提出僅幾十年的時間，在發(fā)達國家已十分普及，美國十分重視虛擬實驗室的研究與開發(fā)，在該領(lǐng)域的研究已處于領(lǐng)先地位[1]。

虛擬實驗室易于構(gòu)建、易于實現(xiàn)，便于異地在線檢測和遠程測控，可以運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及現(xiàn)有設(shè)備搭建功能強大的實驗系統(tǒng)，從而節(jié)省大量的購置設(shè)備費用，顯著降低實驗室建設(shè)和管理成本。在國內(nèi)，也有部分高校開始建立虛擬實驗室。在2013年，教育部高等教育司已遴選出100所高校建設(shè)的具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬仿真實驗教學中心，持續(xù)推進實驗教學信息化建設(shè)，推動高等學校實驗教學改革與創(chuàng)新。建設(shè)虛擬仿真實驗室，既能使實驗教學上一個新的臺階，又能跟上國際先進水平，爭創(chuàng)本學科實驗教學的優(yōu)勢。

目前，分子生物學實驗作為大學本科教學大綱的必修實驗，注重學生對分子生物學理論知識的理解和基本實驗技術(shù)的掌握。在實驗教學過程中，針對生物科學專業(yè)、生物技術(shù)專業(yè)和拔尖人才的不同培養(yǎng)目標設(shè)立了不同的分子生物學實驗課程，通過開設(shè)一定數(shù)量和比例的基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性或研究性實驗來培養(yǎng)學生的科研能力[2]。

受限于學時、空間、安全性以及中心實驗室的儀器設(shè)備種類和臺套數(shù)，有些實驗無法開展，滿足不了開放式創(chuàng)新實驗教學的需要，制約學生的創(chuàng)新思維發(fā)展。例如，一些貴重的實驗儀器，如熒光顯微鏡、PCR儀、凝膠成像系統(tǒng)等儀器數(shù)量少，在課時內(nèi)不能讓每名學生都親自操作實驗儀器，熟悉實驗儀器的使用，制約了學生的動手能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)[3]。

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗室可以改變傳統(tǒng)的實驗教學模式，從教學應(yīng)用的角度出發(fā)，將一些受限于時間、空間、儀器臺套數(shù)，高消耗、危險性的實驗轉(zhuǎn)化為虛擬實驗，與傳統(tǒng)實驗教學相互補充，打破時間和地域的限制完成相關(guān)實驗，拓展學生的視野。由于虛擬儀器系統(tǒng)的支持，學生可以自擬、自選實驗題目，自行組織實驗，最大限度地發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性。學生自主探索的學習活動，可使他們的個性得到發(fā)展，創(chuàng)造能力得到提高，最大限度地鍛煉和開發(fā)學生的創(chuàng)新能力，極大地激發(fā)學生的學習興趣，實現(xiàn)教學模式的多元化發(fā)展。

虛擬實驗可以提供開放式實驗環(huán)境，可靈活地增加各種探索性實驗內(nèi)容，使學生根據(jù)實驗要求，自行設(shè)計實驗方案，以各種形式參與實驗。引入虛擬實驗，不僅能鍛煉學生的獨立構(gòu)思和設(shè)計能力，而且能激發(fā)學習的興趣，這樣更有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才。

1 建設(shè)虛擬實驗室的優(yōu)勢

1.1 開放性

中心實驗室因為承擔本科生基礎(chǔ)實驗教學需要，無法對學生實現(xiàn)實驗室完全的時間和空間開放，供學生完成實驗。而虛擬仿真實驗室可支持網(wǎng)絡(luò)共享，實現(xiàn)遠程訪問虛擬實驗室系統(tǒng)，為遠程用戶提供一個便利的網(wǎng)絡(luò)實驗教學[4]。在不同地點、不同時間，通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，進行虛擬實驗，沒有時間和空間的限制。

1.2 共享性

可實現(xiàn)不同專業(yè)的學生注冊賬戶，登錄系統(tǒng)，進入虛擬仿真實驗室。讓虛擬仿真實驗室的教學資源可以為更多用戶使用，提高利用率[5]。

1.3 經(jīng)濟性

管理者可以根據(jù)用戶的需要，對虛擬實驗室的環(huán)境進行改進與擴展，相對減少購買實驗設(shè)備的經(jīng)費投入。不用擔心實驗儀器設(shè)備臺套數(shù)的限制，學生可隨時調(diào)用虛擬仿真實驗室的設(shè)備進行自主設(shè)計的實驗。

1.4 安全性

在虛擬仿真實驗室系統(tǒng)中，即使學生使用了放射性、揮發(fā)性、有毒性的化學物品或儀器設(shè)備操作有誤等，也不會發(fā)生危險，提高了實驗的安全性。

2 虛擬仿真實驗教學資源的建設(shè)

2.1 分子生物學虛擬實驗儀器設(shè)備的操作訓練平臺

建設(shè)集認識、學習、練習與操作為一體的分子生物學虛擬實驗儀器設(shè)備的操作訓練平臺，如表1所示。

表1 分子生物學虛擬實驗儀器設(shè)備的操作訓練平臺資源

在實物實驗開課前，學生可實名登錄虛擬仿真實驗系統(tǒng)，點擊選擇各種儀器設(shè)備，認識其基本的構(gòu)造功能。根據(jù)系統(tǒng)引導學習儀器設(shè)備操作過程，登錄用戶可反復練習操作過程，系統(tǒng)自動記錄學生的操作訓練過程。對于需要進入中心實物實驗室學習的學生，最終有一個考核，考核合格的學生才能進入中心實物實驗室進行實驗，考核名單會反饋給實驗教學教師。經(jīng)過這樣操作訓練的學生，進入實物實驗室學習實驗，就不需要教師手把手地教學生操作儀器。特別是一些貴重、臺套數(shù)少的儀器，在有限的課時內(nèi)不可能每個學生都去操作一遍。但通過在虛擬實驗儀器設(shè)備的操作訓練平臺的訓練，再經(jīng)過教師的實物操作講解，學生已經(jīng)有了深刻的體會。實物實驗課結(jié)束后，學生對分子生物學實驗儀器設(shè)備使用已經(jīng)熟練，為今后實驗室課時外實驗室對學生的開放提供了安全保障。通過儀器設(shè)備的操作訓練平臺的建設(shè)和應(yīng)用，學生對每個實驗操作步驟不僅做到了標準化、規(guī)范化，還了解每個實驗的基本原理，知其然并知其所以然[6]。

對于外專業(yè)的學生，在一些選修課中也會選擇生物專業(yè)的公選課，公選課時不多，教師在課時內(nèi)不可能讓學生先學習基本實驗儀器設(shè)備的操作。以往每次選修課結(jié)束后，因為學生錯誤操作導致的實驗儀器設(shè)備的損壞數(shù)量不少，造成了一定的經(jīng)濟損失。而進入分子生物學虛擬實驗儀器設(shè)備的操作訓練平臺訓練后的學生，在完成實驗過程中，出現(xiàn)錯誤操作的情況少了許多，減少了儀器設(shè)備的損壞，節(jié)約了實驗室維護經(jīng)費的投入。

2.2 虛擬分子生物學實驗技能學習平臺

本著虛擬仿真實驗“虛實結(jié)合，相互補充”的指導思想原則，虛擬分子生物學實驗技能學習平臺上的資源，我們以文字、視頻、FLASH和虛擬實驗操作相結(jié)合的方式(見表2)，為學生呈現(xiàn)一個既可以了解分子生物學基本實驗技術(shù)的理論知識，又能學習和練習基本實驗技能的訓練平臺，并設(shè)有考核。考核不僅是本專業(yè)的學生，校內(nèi)外其他專業(yè)的學生同樣可以有權(quán)限進入虛擬仿真實驗室了解分子生物學基本實驗技術(shù)，拓展專業(yè)外的知識。通過實際實驗室操作視頻, 演示具體規(guī)范的實驗操作方法, 同時配有操作細節(jié)的解說。使學生在實驗前獲得感官上的認識, 并且在觀摩儀器設(shè)備操作的每個步驟與細節(jié)的同時, 達到身臨其境的效果[7]。

表2 分子生物學虛擬實驗技能操作訓練平臺資源

2.3 虛擬分子生物學實驗室特色教學資源

虛擬和真實結(jié)合的實驗教學模式提高了實驗教學效果。通過虛擬與真實結(jié)合的生理學實驗教學，學生經(jīng)過至少一次與真實實驗相關(guān)的虛擬實驗操作。有了一定的感性認識后，在真實實驗中再給學生講解，學生就容易理解了，而且教師可以把講解重點放在實驗成功的關(guān)鍵步驟和容易出錯的環(huán)節(jié)上，學生避免了實驗的盲目性，極大地提高了實驗成功率[7]。

虛擬實驗室除了虛擬分子生物學實驗儀器設(shè)備的操作訓練平臺和虛擬分子生物學實驗技能學習平臺的建設(shè)外，還增設(shè)與分子生物學相關(guān)的，分子生物學應(yīng)用技術(shù)方面的前沿研究內(nèi)容，但要開設(shè)常規(guī)實驗比較困難。例如，親子鑒定、轉(zhuǎn)基因動植物、克隆技術(shù)以及酶工程等相關(guān)實驗，不僅耗時，而且成本高，但學生卻比較感興趣，這類實驗可采用虛擬仿真實驗室建設(shè)的教學資源。

在虛擬分子生物學實驗室特色教學資源里，學生可以了解分子生物學應(yīng)用方面的前沿技術(shù)原理，利用前面學習的實驗技能操作完成這些虛擬實驗。在實驗過程中，設(shè)置問題、選擇題等，由學生自由選擇。只有在選擇正確的儀器設(shè)備和實驗技術(shù)的條件下，才能得到正確的實驗結(jié)果，促進學生科研能力的提高。學生可以反復操作這些實驗過程，加強他們的實驗技術(shù)能力，體會到分子生物學技術(shù)在科學研究領(lǐng)域發(fā)揮的巨大作用，從而激發(fā)他們學習和探索的興趣。

3 分子生物學虛擬實驗的教學平臺建設(shè)

3.1 使用虛擬實驗教學資源進行創(chuàng)新實驗

學生通過基本的分子生物學虛擬實驗儀器設(shè)備的操作訓練、虛擬實驗技能操作訓練結(jié)合實物實驗課的常規(guī)訓練后，已達到本科教學大綱要求，掌握了基本分子生物學的理論知識，實驗技術(shù)能力也有了一定的提高。于是，教師可在虛擬仿真實驗的教學平臺發(fā)布一些典型的綜合性實驗，如熒光蛋白基因的克隆與表達、Pfu酶的的提取與初步純化[8]等實驗，以及科研項目中的一些子課題，供學有余力的學生選擇自己感興趣的實驗項目，或是自己提交一些具有挑戰(zhàn)性的問題，由老師給予適當指導，形成創(chuàng)新項目。

在虛擬實驗室里，利用虛擬實驗儀器設(shè)備和虛擬分子生物學實驗技能學習平臺的實驗技術(shù)搭建實驗內(nèi)容。在虛擬實驗室里先構(gòu)建科研項目實驗，教師作為指導者給予一定引導，幫助其提高創(chuàng)新能力的進一步的訓練, 鼓勵他們自主創(chuàng)新, 自由發(fā)揮進行創(chuàng)新實驗。

構(gòu)建虛實結(jié)合的虛擬實驗系統(tǒng)，整個實驗體系貫穿基礎(chǔ)虛擬實驗教學、綜合專業(yè)技術(shù)虛擬實驗教學以及創(chuàng)新實驗項目虛擬仿真實驗，采取基礎(chǔ)、綜合、創(chuàng)新結(jié)合的三位一體教學模式，可滿足對學生基礎(chǔ)理論的認知、專業(yè)技術(shù)的掌握和實際設(shè)計與綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)要求[9]。為學生提供理論認知與動手實踐的實驗環(huán)境，全面提高實驗效果，開闊學生的思維視野，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

3.2 互動交流

在分子生物學虛擬仿真實驗的教學平臺論壇上，學生可以發(fā)布自己的實驗進度以及遇到的問題，尋求幫助。教師和其他學生可以一起討論，幫助其解決問題。

3.3 成績評定

對于本專業(yè)的學生，在分子生物學虛擬實驗儀器設(shè)備的操作訓練平臺和分子生物學虛擬實驗技能學習平臺上的考核外，學生使用分子生物學虛擬仿真實驗教學資源進行的創(chuàng)新實驗項目，可以形成實驗報告。實驗報告的內(nèi)容包括選擇的儀器設(shè)備和實驗技術(shù)的準確性，實驗設(shè)計方案的可行性，實驗結(jié)果達到的預(yù)期效果等。實驗指導教師在成績評定的任務(wù)欄中可以查閱每個學生的實驗報告的具體內(nèi)容，從而給予相應(yīng)的指導和修改，使學生構(gòu)建的創(chuàng)新項目實驗更加完善。

3.4成果轉(zhuǎn)化

對于學生提交的實驗報告，實驗指導教師通過查閱資料，如果發(fā)現(xiàn)學生在虛擬實驗室完成的實驗項目立意新穎，前人很少涉獵，即可鼓勵學生聯(lián)系學院的科研教師，進入科研實驗室。在教師的引導下進行實物實驗，讓學生能夠?qū)⑻摂M實驗室設(shè)計的創(chuàng)新實驗，轉(zhuǎn)化為實驗技術(shù)成果，參與大學生創(chuàng)新競賽。教學與科研的有機結(jié)合，為拔尖人才的培養(yǎng)提供了重要支撐，讓虛擬實驗室成為培養(yǎng)學生研究能力和創(chuàng)新能力的良好平臺。

4 結(jié)束語

分子生物學虛擬實驗室的建設(shè)是分子生物學實驗教學重要的組成部分，分子生物學虛擬實驗教學資源使分子生物學的實驗內(nèi)容設(shè)置更加全面，實現(xiàn)了學生實驗在時間和空間上的開放，為分子生物學實驗室的開放共享提供了一種安全有效的形式。在培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新精神，推動高校實驗教學改革與創(chuàng)新的同時，也為實驗中心建設(shè)國家級虛擬仿真實驗教學中心奠定了實踐基礎(chǔ)。

[1]陳小紅.虛擬實驗室的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010(17)：107-109．

[2]陳模舜，呂賢祎，毛曉翠，等. 虛擬植物生物學實驗室教學實踐研究[J].實驗室科學， 2012，15(3)：43-45.

[3]沈潔，關(guān)國元，許云華. 植物組織培養(yǎng)虛擬實驗室的構(gòu)建[J].連云港師范高等專科學校學報，2011(3)：96-97.

[4]許衛(wèi)明，吳軍強，汪承焱.虛擬實驗教學管理平臺的研究與實現(xiàn)[J].福建電腦，2013(6)：69-70，130.

[5]陳晶，芮勇宇，王前，等.《臨床微生物學檢驗》虛擬實驗室的建設(shè)及應(yīng)用[J].中國實驗診斷學,2013, 17(3):601-603.

[6]孫銘娟, 王梁華, 黃才國, 等. 分子生物學虛擬實驗教學軟件的設(shè)計與應(yīng)用探索[J].中國醫(yī)學教育技術(shù)，2011，25(6)：283-285.

[7]汪曉筠，王毓?jié)?，王建新，? 生理學虛擬和真實實驗有效結(jié)合的教學實踐和體會[J].青海大學學報：自然科學版，2013, 31(1)：95-97.

[8]李兵,谷成,趙進東.Pfu酶基因的克隆、表達、純化及長距離PCR 的研究[J].科學通報,1998,43(5)：527-532.

[9]陳萍，周會超，周虛. 構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28(3)：277-280.

Establishment of Virtual Laboratory of Molecular Biology

WANG Tian，WANG Maolin，LIN Honghui

(Bioscience Experiment Teaching Center, School of Life Science, Sichuan University, Chengdu 610065,China)

The effective combination of virtual experiment teaching resources in molecular biology and laboratory teaching can break the limit of time and space to complete related experiment, promote teaching individuation, develop the innovation ability of students,stimulate interest in learning, realize the diversified development of teaching mode, play an important supporting role training innovative talents for the life science.

experiment teaching; virtual laboratory; molecular biology; innovation ability

2014-03-11；修改日期: 2014-12-23

國家自然基金委條件建設(shè)項目(J1210013)；國家自然基金委能力提高項目(J1103518)；高等學校本科教學質(zhì)量與教學改革工程“專業(yè)綜合改革”項目；四川大學2013年實驗技術(shù)立項(2013-115)資助。

王 甜(1981-)，女，碩士，實驗師，主要從事分子生物學實驗教學工作。

C931.3；G482; G642.42

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.014

通信簡介：林宏輝(1968 -)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事植物代謝工程及逆境分子生理領(lǐng)域研究工作。