中醫(yī)藥院校分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)及應(yīng)用

蔣嘉燁, 栗 源, 可 燕

(上海中醫(yī)藥大學(xué) 教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心, 上海 201203)

中醫(yī)藥院校分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)及應(yīng)用

蔣嘉燁, 栗 源, 可 燕

(上海中醫(yī)藥大學(xué) 教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心, 上海 201203)

論述分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件特色及其在教學(xué)中的應(yīng)用及體會。將虛擬實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)及課外拓展中,規(guī)范了實(shí)驗(yàn)操作、提高了實(shí)驗(yàn)效率。虛擬實(shí)驗(yàn)也需要完善和發(fā)展,虛擬實(shí)驗(yàn)并不能完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)。虛實(shí)結(jié)合、相輔相成,使二者有機(jī)結(jié)合,更好地服務(wù)于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

中醫(yī)藥院校； 分子生物學(xué)； 虛擬實(shí)驗(yàn)； 教學(xué)應(yīng)用

分子生物學(xué)是2l世紀(jì)生命科學(xué)中最重要的學(xué)科之一,其理論與技術(shù)已滲透到中醫(yī)藥研究的各個(gè)領(lǐng)域,成為診斷、治療和預(yù)防疾病的重要手段[1]。將分子生物學(xué)技術(shù)引入到中醫(yī)中藥的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來,在培養(yǎng)中醫(yī)藥人才方面具有重要的地位[2-3]。然而,傳統(tǒng)意義上的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)往往耗時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢,試劑可能對人體有害,對教學(xué)設(shè)備、場地、師資及實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的要求均較高,中醫(yī)院校中分子生物學(xué)課時(shí)稍顯不足,一定程度上限制了其在本科生教學(xué)中的廣泛應(yīng)用[4]。近年來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步和基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn)為該問題的解決提供了可能[5-6]，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在教學(xué)中的最直接應(yīng)用就是“虛擬實(shí)驗(yàn)平臺”[7]。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺以高仿真、互動性、網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對實(shí)驗(yàn)場地、時(shí)間及教學(xué)經(jīng)費(fèi)等條件的依賴。我校教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心作為第一批國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,目前在分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)中已經(jīng)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目24項(xiàng),已在多家醫(yī)學(xué)院校推廣并受到好評。在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革方面,采用虛實(shí)結(jié)合方式,進(jìn)行分子生物學(xué)教學(xué)模式改革,解決了分子生物學(xué)耗時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢、試劑可能對人體有害、實(shí)驗(yàn)條件不足與需求旺盛的矛盾。

1 分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件特色

1.1 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)性

本虛擬實(shí)驗(yàn)由我校分子生物學(xué)領(lǐng)域?qū)＜翌I(lǐng)銜的專業(yè)研發(fā)小組設(shè)計(jì)開發(fā),實(shí)驗(yàn)中每步細(xì)節(jié)都經(jīng)過反復(fù)推敲討論,匯集集體經(jīng)驗(yàn)。正式上線前,由全國虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺多位專家評估鑒定,在專家建議意見基礎(chǔ)上修改完善。虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)校企結(jié)合的模式保證了發(fā)現(xiàn)問題隨時(shí)能進(jìn)行修改,一些新的技術(shù)和替代方法也可及時(shí)補(bǔ)充到虛擬軟件中,避免了部分虛擬軟件中完善周期長的不足。

1.2 優(yōu)化的教學(xué)設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)前充分調(diào)查了教師和學(xué)生的需求,基于學(xué)生的學(xué)習(xí)心理、學(xué)習(xí)方式及學(xué)習(xí)興趣,結(jié)合教師授課經(jīng)驗(yàn),應(yīng)用三維動畫吸引學(xué)生注意力；設(shè)置有多處選擇項(xiàng),突出操作關(guān)鍵環(huán)節(jié)；設(shè)置大量提示框,包含關(guān)鍵知識點(diǎn)；游戲通關(guān),提高學(xué)生興趣；學(xué)考結(jié)合,任務(wù)完成提升學(xué)生成就感。

1.3 較好的體驗(yàn)性

突破時(shí)間、地點(diǎn)和設(shè)備數(shù)量的限制,寢室、家中都可作為第二課堂,學(xué)生通過局域網(wǎng)或Internet網(wǎng)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室自主學(xué)習(xí)。軟件高度寫實(shí),實(shí)驗(yàn)所用的儀器、試劑和耗材的圖像采集均以實(shí)體為標(biāo)準(zhǔn),學(xué)生處于虛擬實(shí)驗(yàn)室中,可以產(chǎn)生逼真的沉浸感,使得學(xué)生在一個(gè)極其生動、活潑、輕松、有趣的環(huán)境里進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn),避免部分虛擬軟件中沉浸感的不足。

2 分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 建立虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

虛實(shí)結(jié)合是國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的原則,充分發(fā)揮真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)各自的優(yōu)勢,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革。以“醫(yī)學(xué)基本技能操作”課程改革為例,教學(xué)設(shè)計(jì)上采用虛實(shí)結(jié)合的方式,能實(shí)不虛,以虛補(bǔ)實(shí),虛擬實(shí)驗(yàn)占比20%,取得了較好的效果。學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)、掌握整體實(shí)驗(yàn)過程的規(guī)范性,而真實(shí)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生對技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)的把握,在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題。學(xué)生通過反復(fù)練習(xí)、反復(fù)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)情境,不斷提高對實(shí)驗(yàn)的掌握程度。

經(jīng)過以上的教學(xué)改革,我們做了教學(xué)結(jié)果的調(diào)查研究,調(diào)查了2014級中藥專業(yè)和中西醫(yī)結(jié)合專業(yè)學(xué)生共214名,結(jié)果顯示,在課外經(jīng)常登錄使用虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)生比例占44.39%,而想通過虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)的學(xué)生比例高達(dá)73.36%。學(xué)生普遍反映真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的模式加深了他們對實(shí)驗(yàn)原理、步驟、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的掌握和理解,提高了他們的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

2.2 拓展課外知識及技能

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺因其開放性、便捷性在自我學(xué)習(xí)中占有較大的優(yōu)勢。在探索性自主性實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目和研究生課外拓展中都發(fā)揮著重要的作用。本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺包括許多經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)方法,如熒光定量PCR、Western blot等,在學(xué)生中廣受歡迎。截止到2015年10月,分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺2015年度月均使用率達(dá)到1 023人次。學(xué)生已把其當(dāng)成一個(gè)重要課堂去完善自身知識體系。針對學(xué)生課外對虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的使用,我們隨機(jī)選取了100名應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的研究生進(jìn)行調(diào)查研究。結(jié)果顯示，認(rèn)為其對提高自身實(shí)驗(yàn)操作技能有較大作用的占87%,認(rèn)為其作為分子生物學(xué)輔助實(shí)驗(yàn)教程較合適的占80%。

3 分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)及應(yīng)用體會

虛擬實(shí)驗(yàn)作為現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充,具有廣闊的應(yīng)用前景[8-9],既可作為課程內(nèi)的補(bǔ)充,也可服務(wù)于本科生探索性自主性實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目及研究生科研前期基本操作的規(guī)范化訓(xùn)練,有利于加快學(xué)生融入個(gè)性化的自主探究式學(xué)習(xí)和研究型學(xué)習(xí),有力地促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深入改革。然而,目前虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)也存在著需要進(jìn)一步提高之處。

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)需緊跟新一代學(xué)生認(rèn)知習(xí)慣

在目前信息化高速發(fā)展的時(shí)代,學(xué)生的認(rèn)知習(xí)慣要求信息提供的便捷性、短時(shí)間的注意力吸引及學(xué)習(xí)過程的參與性。目前應(yīng)用的虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)版，一定程度上改善了單機(jī)版受到時(shí)間、地點(diǎn)和設(shè)備數(shù)量的限制,但進(jìn)一步開發(fā)個(gè)人移動終端版本讓學(xué)生能隨時(shí)隨地應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)，仍是下一步完善的方向。虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目雖具有較好的科學(xué)性,但是個(gè)別虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作用時(shí)仍較長,因此需要借鑒微課程的形式,拆分冗繁的虛擬實(shí)驗(yàn),達(dá)到最佳效果。虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目雖具有較好的體驗(yàn)性,卻存在學(xué)生跟著操作提示而無思考過程等不足,因此需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)問答式方案,促進(jìn)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的思考。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)應(yīng)該向新技術(shù)發(fā)展

分子生物學(xué)是現(xiàn)代生命科學(xué)領(lǐng)域中的前沿性學(xué)科, 其發(fā)展速度快、應(yīng)用廣泛, 且與多學(xué)科廣泛交叉, 已經(jīng)成為眾多學(xué)科研究的基本工具[10]。目前建設(shè)的分子生物學(xué)主要面向本科生和研究生基本培訓(xùn),但是由于分子生物學(xué)發(fā)展日新月異,有部分學(xué)校并未引入高精尖的儀器。因此,虛擬實(shí)驗(yàn)仍需進(jìn)一步建設(shè)分子生物學(xué)前沿的實(shí)驗(yàn)技術(shù),滿足不同學(xué)校、不同層次人員應(yīng)用學(xué)習(xí)需求。

3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)不能完全代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)

雖然在制作虛擬實(shí)驗(yàn)的過程中,通過三維模擬等手段盡可能地保持與實(shí)物的一致性,但是與實(shí)際操作之間還是會存在一定的差異。用鼠標(biāo)拖動觸摸不到實(shí)際儀器及器材,體會不到真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作手感,而且,真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的突發(fā)情況在虛擬實(shí)驗(yàn)中也體會不到。因此虛擬實(shí)驗(yàn)不能完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué),只是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完善、補(bǔ)充和擴(kuò)展。

4 結(jié)語

虛擬實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和應(yīng)用,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向,它必將促進(jìn)教學(xué)觀念與教學(xué)形式的變革。將虛擬實(shí)驗(yàn)引入輔助教學(xué)及課外拓展中,規(guī)范了實(shí)驗(yàn)操作,提高了實(shí)驗(yàn)效率,增強(qiáng)了學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中的自主性和創(chuàng)新性[11]。當(dāng)然,虛擬實(shí)驗(yàn)仍需要完善和發(fā)展,虛擬實(shí)驗(yàn)也不能完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn),應(yīng)用上也存在著一定的局限性。因此,虛擬實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和應(yīng)用要以學(xué)生需求為導(dǎo)向,虛實(shí)結(jié)合、相輔相成,使二者有機(jī)結(jié)合,更好地服務(wù)于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

References)

[1] 唐炳華.醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)[M].北京:中國中醫(yī)藥出版社, 2011.

[2] 賈連群,柳春,王艷杰,等.中醫(yī)藥專業(yè)醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)教學(xué)模式的探索[J].山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào):基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育版, 2008, 10(1): 25-26.

[3] 苗明三,孫艷紅,方曉燕,等.論分子生物學(xué)技術(shù)在中醫(yī)藥研究中的應(yīng)用[J].河南中醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2003, 18(6): 70-73.[4] 孫銘娟,王梁華,黃才國,等.分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用探索[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2011,25(3):283-285.

[5] 德偉,王子杰,陳雅,等.探討分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建要素[J].南京醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào):社會科學(xué)版,2013,55(2):166-168.

[6] 楊銀峰,朱月春,王昕,等.虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].昆明醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(11):133-136.

[7] Iazzetti G,Santini G,Rau M,et al.VIRTLAB Avirtual Molecular Biology Laboratory [J].Bioinfomatics：Oxford,1998,14(9):815-816.

[8] 劉向華,德偉,劉志軍,等.虛擬實(shí)驗(yàn)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育,2014,16(11):973-975.

[9] 劉向華,德偉,劉志軍,等.醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的建立和應(yīng)用優(yōu)勢[J].西北醫(yī)學(xué)教育,2015,23(2):309-311.

[10] 郭靜,張一鳴,王寧.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào):基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育版, 2008,10(5):626-628.

[11] 韓志芬,管仲元,郭春榮,等.分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(6):284-286.

Construction and application of virtual experiment of molecular biology in traditional Chinese medicine colleges

Jiang Jiaye, Li Yuan, Ke Yan

(Experiment Center for Teaching and Learning,Shanghai University of raditional Chinese Medicine,Shanghai 201203, China)

This paper discusses the features, teaching application and experience of virtual experiment of medical molecular biology, and introduces virtual experimental teaching and extracurricular counsel. It will standardize the experimental operation, and improve the efficiency of the experiment. Virtual experiment also needs to improve and develop, and cannot completely replace the real virtual experiment. Making the organic combination of both, it will better serve the molecular biological experimental teaching.

traditional Chinese medicine colleges； molecular biology; virtual experiment; teaching application

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.043

2016-06-16

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)

(J1103607)；上海市教委預(yù)算內(nèi)科研項(xiàng)目(2014JX10)；上海中醫(yī)藥大學(xué)課程建設(shè)(SHUTCM2015KCJS039)

蔣嘉燁(1984—),男,浙江浦江,碩士,實(shí)驗(yàn)師,教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室副主任,主要從事西醫(yī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)與研究

E-mail：jiayejiang@163.com

可燕(1969—),女,河北安平,博士,教授,教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心副主任,主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究.

E-mail：keyantcm@163.com

G642.0

: A

: 1002-4956(2016)12-0174-03