基于虛擬仿真技術(shù)的高校分子生物學實驗教學改革

馮尚國 盧江杰 王慧中

摘要：本文通過探討傳統(tǒng)分子生物學實驗教學存在的問題，提出將虛擬仿真技術(shù)引入分子實驗教學改革的必要性。將虛擬仿真實驗與實際實驗操作有機結(jié)合，充分發(fā)揮各自教學模式的優(yōu)勢，豐富教學內(nèi)容和方式，充分調(diào)動學生學習的積極性，提高實驗教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；分子生物學；實驗教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）19-0107-02

一、引言

近年來，分子生物學進入發(fā)展的快車道，許多先進技術(shù)相繼出現(xiàn)，分子生物學的理論知識已滲透到生物學的諸多領(lǐng)域。由于分子生物學具有微觀性和抽象性的特點，在教學過程中須通過實驗操作來形象地展示其理論和技術(shù)，所以分子實驗在該課程教學中具有非常重要的地位[1]。隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)開始崛起，它是一種人工模擬三維仿真環(huán)境的綜合性集成技術(shù)。由于操作簡便、安全性高、成本低及場景逼真生動等優(yōu)點，虛擬仿真實驗已逐步滲透入高校的實驗教學。至2013年以來，國家教育部便積極開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)工作[2]。如何將虛擬仿真技術(shù)引入分子生物學實驗教學，完善現(xiàn)有實驗教學的不足，提高學生的積極性和創(chuàng)新能力，增強實驗教學效果，已成為高校急需解決的教學課題。

二、傳統(tǒng)分子生物學實驗教學存在的問題

1.教學內(nèi)容陳舊。目前，許多分子實驗教學內(nèi)容與前沿分子生物學發(fā)展結(jié)合性不緊密。陳舊的教學內(nèi)容讓學生失去了學習的興趣。另外，由于分子生物學實驗會用到一些具有危險性的化學試劑和藥品，為了學生安全考慮，教師往往選擇一些安全性高、容易操作的實驗內(nèi)容。這樣容易使學生得不到鍛煉，造成教學內(nèi)容陳舊、資源匱乏。

2.教學方法單一。傳統(tǒng)教學方式比較單一，往往是教師逐一講解實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗方法及實驗步驟等。學生只需在課堂上完成相應(yīng)實驗操作，上交實驗報告。這種教學方式看似降低了實驗操作錯誤率，提高了教學效率，但是學生主動思考的機會少，容易形成惰性和依賴性，對教學內(nèi)容只知其然而不知其所以然。

3.成本投入大。隨著分子生物學的發(fā)展，實驗教學涉及的儀器也更加先進昂貴。許多高校在這方面的資金投入不足，無法采購先進高端的實驗儀器，相應(yīng)的分子生物學實驗課無法開展，學生因此無法接觸到最前沿的分子生物學技術(shù)，嚴重影響了實驗教學效果。

4.學生動手能力弱。由于時間限制，教師須在上課前完成材料準備、試劑配制及儀器調(diào)試等工作。學生只需按實驗步驟將事先準備的試劑按比例添加即可。學生只是在簡單地模仿實驗部分操作，并沒有參與整個實驗的操作過程，這會造成學生動手能力差，當遇到問題時無法找到根源所在。

5.受時空限制大。由于教室資源有限，課堂上無法允許每個學生獨立進行實驗。通常情況下，2—4個學生一組開展實驗，這樣無法保證每個學生都能動手進行操作。另外，由于課時限制，實驗內(nèi)容只能有選擇地進行授課，這會讓學生有接觸更多分子生物學技術(shù)的機會。

三、虛擬仿真實驗的優(yōu)勢及在分子實驗教學中的應(yīng)用

1.降低實驗危險性。有些分子生物學實驗會涉及有毒有害的化學試劑，如果操作不當，容易發(fā)生實驗安全事故。例如，在DNA提取中會涉及易制毒化學試劑三氯甲烷，這種試劑易燃助燃且易制毒，受公安部門管制，瓊脂糖凝膠電泳中涉及具有致癌性的溴化乙錠，蛋白質(zhì)提取中涉及易制毒易制爆試劑丙酮等。虛擬仿真實驗授課不但不用接觸危險性化學試劑，還可以通過直觀的虛擬仿真實驗，對危險化學試劑的操作和使用有更為準確的認識。因此，虛擬仿真實驗教學可以降低實驗的危險性，同時提高學生的實驗理解能力。

2.可視微觀性實驗。分子生物學實驗原理比較抽象，內(nèi)容非常微觀，用到的試劑量非常少。例如，DNA用量以納克計算，PCR反應(yīng)的試劑以微升計算。另外，一些實驗反應(yīng)過程是肉眼看不見的。例如，PCR反應(yīng)中DNA是如何變性、復性和延伸的？DNA重組子的構(gòu)建實驗中，目的DNA片段是如何連接到載體DNA上的？這些都是肉眼看不到的。只有整個實驗完成后，通過電泳檢測才能判斷實驗成功與否。為了更為直觀地展示實驗反應(yīng)過程或?qū)嶒炘?，我們可以采用虛擬仿真實驗進行教學，使之與傳統(tǒng)實驗操作相結(jié)合，不僅可以豐富教學手段，激發(fā)學生的學習興趣，提高學習主動性，還可以使學生對實驗原理有更深刻的認識，最終熟練掌握和運用所學的分子生物學知識[3]。

3.縮短實驗周期。有些分子實驗周期較長，學生在課堂上很難完成。例如Southern雜交，其實驗包括基因組DNA制備、DNA限制酶切、DNA消化產(chǎn)物的瓊脂糖凝膠電泳、DNA轉(zhuǎn)移、探針標記、雜交和洗膜檢測等步驟，每一步都需要很長時間，整個實驗過程需要兩天甚至幾天的時間。虛擬仿真實驗則可以避免此類問題的發(fā)生。教師可以將這類周期性長的實驗設(shè)計成虛擬實驗，不但可以減少實驗等待時間，使實驗過程變得清晰緊湊，還可以讓學生在實際實驗操作過程中有的放矢，進而提高實驗教學效率[3]。

4.降低實驗成本。有些分子生物學實驗會涉及價格昂貴的化學試劑或大型儀器。例如，RT-PCR實驗要用到價格很貴的反轉(zhuǎn)錄試劑盒，熒光定量PCR實驗要用到價格不菲的熒光定量PCR儀。虛擬仿真實驗則不需要采購這些價格昂貴的化學試劑和大型儀器，在虛擬實驗中，不但可以保證學生接觸更先進的分子生物學技術(shù)，增加更為豐富的教學資源，還可以大大降低實驗資金投入。

5.打破空間限制。虛擬仿真實驗不受空間限制，只要有移動終端，學生就可以隨時隨地進入虛擬仿真實驗平臺開始實驗操作，每位學生都有動手進行實驗操作的機會。同時，虛擬仿真實驗允許學生多次進行平臺重復實驗操作，這樣既可以加深學生對分子生物學實驗的理解，也可以提高學生的創(chuàng)新能力。

6.豐富考核方式。傳統(tǒng)分子實驗考核方式是學生提交實驗報告，最終成績由考勤率、實驗操作表現(xiàn)和實驗報告成績構(gòu)成。這種考核方式過于單一，不利于學生積極性和創(chuàng)造性的提高，且容易造成學生機械性地完成或相互抄襲實驗報告，嚴重影響實驗教學效果。而虛擬仿真實驗中的考核方式更具多樣化和生動化，教師事先設(shè)置好相應(yīng)的“知識障礙”，學生設(shè)法解除“知識障礙”，并成功完成實驗項目后才獲得相應(yīng)的成績[4]。這種考核方式可以激發(fā)學生接受考核的積極性，減少抄襲實驗報告的現(xiàn)象，進而提高實驗教學效果。

四、結(jié)束語

分子生物學實驗是高校生物專業(yè)學生必修重要課程之一。將虛擬仿真技術(shù)引入分子生物學實驗教學，不但可以提高學生學習的主動性，加深對分子生物學知識的理解，提高創(chuàng)新能力，而且可以密切聯(lián)系實際，豐富教學內(nèi)容和方式，降低教學成本投入，提高教學質(zhì)量。當然，實驗教學中不能放松實際動手操作能力的培養(yǎng)，一定要采取虛擬仿真與實際操作相結(jié)合的實驗教學模式，只有這樣才能更好地提高教學效果，培養(yǎng)出更多的創(chuàng)新性人才。

參考文獻：

[1]王慧中.分子生物學實驗指南[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社，2009.

[2]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，（11）：5-8.

[3]張任平.基于虛擬仿真實驗室的創(chuàng)新性實驗教學改革探索[J].教育教學論壇，2017，（11）：273-274.

[4]魯明芳，陳大偉，何博雅.基于虛擬仿真平臺的電氣工程實驗教學改革研究[J].課程教育研究，2016，（16）：251-252.