虛擬實(shí)驗(yàn)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

丁小麗

摘 要： 分子生物學(xué)是生命科學(xué)一門重要的基礎(chǔ)課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是分子生物學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。開展虛擬實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用新興虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，解決傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的種種矛盾和難題，提高和完善分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 虛擬實(shí)驗(yàn) 分子生物學(xué) 應(yīng)用研究

分子生物學(xué)是人類從分子水平上真正揭開生物世界奧秘的基礎(chǔ)學(xué)科，是生命科學(xué)的前沿科學(xué)，對(duì)于大學(xué)生而言是一門非常重要的基礎(chǔ)學(xué)科[1]。同時(shí)，分子生物學(xué)又是一門實(shí)驗(yàn)性非常強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是分子生物學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)。但傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、教學(xué)難度大等因素，限制其在高校的普遍開展。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)依托“虛擬現(xiàn)實(shí)”[2]技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，起源?0世紀(jì)末?，F(xiàn)在高校基本普及了校園網(wǎng)，基于校園網(wǎng)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，師生可以共享一個(gè)虛擬空間。在增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力和想象力等方面有顯著效果。

1.分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

（1）成本高，實(shí)驗(yàn)版本低：分子生物學(xué)發(fā)展迅速，新方法、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但是新技術(shù)需要的設(shè)備、試劑耗材等非常昂貴，動(dòng)輒幾十萬(wàn)，普通高校無(wú)法開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，只能多年如一日，開展老式分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無(wú)法學(xué)到新方法，了解不了生物學(xué)前沿知識(shí)和技術(shù)。

（2）效率低，耗時(shí)長(zhǎng)：分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是耗時(shí)長(zhǎng)，步驟間隔時(shí)間長(zhǎng)。以PCR實(shí)驗(yàn)為例，前期學(xué)生將引物、酶、dNTP、DNA、水等加上后，PCR儀器設(shè)定好，接下來(lái)就是幾個(gè)小時(shí)的等待時(shí)間。等PCR結(jié)果出來(lái)才能進(jìn)一步電泳檢測(cè)，而電泳也是費(fèi)時(shí)不少。所以，幾乎每一個(gè)分子實(shí)驗(yàn)都是操作等待再操作的過(guò)程，效率很是低下。

（3）直觀感受太少，學(xué)生興趣不足。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的另一大特點(diǎn)就是微觀操作比較多，例如，PCR反應(yīng)、酶切酶連、瓊脂糖電泳等實(shí)驗(yàn)，都是微觀世界的改變，對(duì)學(xué)生而言完全沒(méi)有直觀觀察效果，學(xué)生根本無(wú)法親眼見到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過(guò)程，提不起學(xué)習(xí)興趣。

（4）實(shí)驗(yàn)安全性欠缺：分子生物學(xué)涉及很多有毒有害甚至致癌的藥物試劑，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)稍不注意就會(huì)傷害自身安全，而且每個(gè)實(shí)驗(yàn)均涉及有毒有害物質(zhì)的排放，將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不小的污染。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的種種不足

（1）成本低，易開展：與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的動(dòng)輒幾十萬(wàn)的儀器相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建成本相當(dāng)?shù)停液笃诰S護(hù)成本小，沒(méi)有器材、耗材試劑材料等的消耗。

（2）效率高：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室由于種種原因，會(huì)造成儀器臺(tái)件數(shù)不足，一個(gè)班同學(xué)分成幾組操作實(shí)驗(yàn)，而且學(xué)生只能在實(shí)驗(yàn)室操作學(xué)習(xí)，難以反復(fù)訓(xùn)練。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，整個(gè)過(guò)程冗長(zhǎng)費(fèi)時(shí)。虛擬實(shí)驗(yàn)室解決了這些問(wèn)題，即可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)進(jìn)入，而且在電子產(chǎn)品日益普及的今日，大學(xué)生大部分都擁有自己的電腦，讓學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)程度，任何時(shí)間都可以練習(xí)操作，熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)和內(nèi)容。

（3）趣味性強(qiáng)：虛擬實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)中肉眼無(wú)法見到的微觀世界的種種變化轉(zhuǎn)化成生動(dòng)有趣的動(dòng)畫模式，讓學(xué)生非常直觀地了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程到底發(fā)生了什么，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。再加上現(xiàn)在學(xué)生對(duì)電子、網(wǎng)絡(luò)等非常有興趣，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立正迎合了學(xué)生的趣味。

（4）安全性高，對(duì)師生無(wú)傷害，對(duì)環(huán)境零污染：虛擬實(shí)驗(yàn)室完全避免了化學(xué)試劑對(duì)學(xué)生身體的傷害和對(duì)環(huán)境的污染，符合中國(guó)現(xiàn)階段的發(fā)展需要。

3.分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室成立

根據(jù)目前普通高校的狀況，一般學(xué)校都能滿足要求，只要在實(shí)驗(yàn)室原有基礎(chǔ)上購(gòu)進(jìn)最基本的儀器（電腦、數(shù)據(jù)采集卡等）與配套軟件，甚至可以多學(xué)科聯(lián)合，開發(fā)相應(yīng)的虛擬儀器，建立分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室。

4.分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用

（1）首先，培訓(xùn)教師熟練掌握軟硬件的操作，從而把分子生物學(xué)知識(shí)形象、生動(dòng)地展現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生理解理論知識(shí)，掌握實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)。

（2）其次，學(xué)生可以隨時(shí)運(yùn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件，對(duì)整個(gè)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行多次復(fù)習(xí)，這樣學(xué)生對(duì)相關(guān)儀器的操作、實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵步驟的操作都能得到反復(fù)練習(xí)，從而熟練掌握整個(gè)實(shí)驗(yàn)技能。并且整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室氛圍安全無(wú)毒，提高安全防護(hù)意識(shí)，避免學(xué)生實(shí)際操作時(shí)手忙腳亂，造成安全隱患。并且，現(xiàn)在大學(xué)生對(duì)電子信息、網(wǎng)絡(luò)等非常熱衷，如果我們的實(shí)驗(yàn)室界面設(shè)計(jì)得非常人性化和友好，那虛擬實(shí)驗(yàn)肯定會(huì)最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力。

5.存在的問(wèn)題及展望

（1）專業(yè)合作及技術(shù)上的問(wèn)題：分子生物學(xué)和虛擬技術(shù)是兩個(gè)完全不同的研究方向，必須加強(qiáng)兩個(gè)不同學(xué)科研究及教學(xué)人員之間的合作和交流，才能更好地服務(wù)于虛擬實(shí)驗(yàn)室。并且虛擬技術(shù)尚處于發(fā)展階段，從軟件的復(fù)雜度到運(yùn)行計(jì)算機(jī)的性能要求高等都是亟待解決的問(wèn)題。

（2）學(xué)生和教師必須改變學(xué)習(xí)、教學(xué)方式，改變思考問(wèn)題的方式，才能適應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。必須加強(qiáng)對(duì)使用者的能力培訓(xùn)，使師生都能更好更正確地操作軟件。

（3）虛擬實(shí)驗(yàn)不能完全取代現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)雖然有趣、安全性高，但畢竟跟現(xiàn)實(shí)操作不一樣。兩者各有利弊，實(shí)際教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該堅(jiān)持“實(shí)際操作為主，虛擬實(shí)驗(yàn)為輔”的原則。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱玉賢，李毅.現(xiàn)代分子生物學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社，2002：1-3.

[2]李科峰.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在教學(xué)中的應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與用，2007（2）：73-74.