交互性Flash在基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

齊鳳慧，孔德強(qiáng)，詹亞光，陳思齊，曾凡鎖，范桂枝

(東北林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

Flash是由Macromedia公司推出的交互式矢量圖和 Web 動(dòng)畫的標(biāo)準(zhǔn)，是一種動(dòng)畫創(chuàng)作與應(yīng)用程序開發(fā)于一身的創(chuàng)作軟件，近年來Flash在多媒體教學(xué)及交互性動(dòng)畫教學(xué)中得以廣泛應(yīng)用。如在化學(xué)的理論與概念學(xué)習(xí)中，F(xiàn)lash動(dòng)畫的應(yīng)用起到顯著的效果[1]；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以利用Flash軟件呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的仿真模擬組裝[2]，大型儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)操作[3]，復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的多媒體模擬操作及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中基本操作的交互性Flash動(dòng)畫等[4-5]，使學(xué)生能直觀、有效地掌握實(shí)驗(yàn)的技能。

基因工程是獲取、整理、破譯、編輯和表達(dá)生物體遺傳信息的一種操作平臺與技術(shù)，它以細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)等學(xué)科為基本理論體系指導(dǎo)，在基因的分離克隆、基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的詮釋、基因編碼產(chǎn)物的產(chǎn)業(yè)化、生物遺傳性狀的改良乃至基因治療等方面顯示出愈來愈高的實(shí)用價(jià)值[6]。其方法與技術(shù)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代生命科學(xué)的各個(gè)分支領(lǐng)域，成為生命科學(xué)的一門核心技術(shù)[7]?；蚬こ虒?shí)驗(yàn)與分子生物學(xué)和生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比較，實(shí)驗(yàn)周期更長，綜合性更強(qiáng)，涉及的內(nèi)容以及研究方法更為復(fù)雜[8]。

因此，如何能讓學(xué)生在短期內(nèi)快速地理解實(shí)驗(yàn)原理，更長久地記住所學(xué)的知識成了迫在眉睫的關(guān)鍵問題。本文以東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的實(shí)驗(yàn)中心平臺為依托，制作了基因工程交互性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過交互性虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用，進(jìn)行了網(wǎng)上的問卷調(diào)查及學(xué)生的反饋，顯示運(yùn)用Flash交互性動(dòng)畫授課能在很大程度上提高學(xué)生上課的質(zhì)量，表現(xiàn)在對原理的理解、實(shí)驗(yàn)操作的錯(cuò)誤率等，同時(shí)，F(xiàn)lash交互性動(dòng)畫授課對減少老師的教學(xué)壓力也有一定的幫助作用，這為探索一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式奠定基礎(chǔ)。

1 基因工程交互性Flash實(shí)驗(yàn)簡介

該實(shí)驗(yàn)以東北林業(yè)大學(xué)數(shù)字東林網(wǎng)頁為平臺,在基因工程實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)課程中插入交互性Flash實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(https：//mooc1-1.chaoxing.com/mycourse/teacherstudy?chapterId=93469799&courseId=87940225&clazzid=673114),由教師將上課的學(xué)生添加到該課程中,這樣學(xué)生可以通過自己的賬號登錄進(jìn)入Flash實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。該內(nèi)容利用Adobe Flash Player 10.1播放，制作過程中由仁捷科技提供技術(shù)支持，版權(quán)為東北林業(yè)大學(xué)所有。

Flash虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括兩個(gè)模塊，在模塊一木本植物的遺傳轉(zhuǎn)化中共包括4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：菌種活化；三親交配法將中間載體質(zhì)粒導(dǎo)入根癌農(nóng)桿菌；侵染菌種的敏感性實(shí)驗(yàn)；農(nóng)桿菌介導(dǎo)法的植物遺傳轉(zhuǎn)化。在模塊二轉(zhuǎn)基因植物的檢測與鑒定中共包括6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：轉(zhuǎn)基因植物基因組DNA提取；轉(zhuǎn)基因植物的多重PCR檢測；外源基因DNA甲基化轉(zhuǎn)基因沉默的關(guān)系分析；外源基因整合的Southern雜交鑒定；轉(zhuǎn)基因白樺的RT-PCR檢測；轉(zhuǎn)基因植物中報(bào)告基因表達(dá)檢測——GUS活性檢測。

在虛擬實(shí)驗(yàn)的主界面中，左側(cè)有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器與耗材、實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)步驟的工具欄，點(diǎn)擊相關(guān)的工具按鈕就可進(jìn)入到相應(yīng)的內(nèi)容學(xué)習(xí)。按照實(shí)驗(yàn)原理的文字描述，我們將它分割成小塊做成演示性的Flash動(dòng)畫，可以使學(xué)生更直觀地理解抽象的原理。在實(shí)驗(yàn)步驟界面中，點(diǎn)擊進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作界面，會(huì)出現(xiàn)“開始演示”和“開始測試”兩個(gè)工具按鈕，對于初學(xué)者可以先點(diǎn)擊“開始演示”按鈕進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的了解，之后再點(diǎn)擊“開始測試”按鈕進(jìn)行模擬操作。在實(shí)驗(yàn)步驟的操作界面中，左側(cè)一欄是該實(shí)驗(yàn)所需要的儀器鏈接，右側(cè)一欄是該實(shí)驗(yàn)所需要的材料與耗材的鏈接，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要點(diǎn)擊所對應(yīng)的儀器和材料，它就會(huì)移動(dòng)到中間的虛擬操作臺中進(jìn)行虛擬操作。如果點(diǎn)錯(cuò)了，儀器不會(huì)移動(dòng)，如果忘記了操作步驟，點(diǎn)擊下面的“幫助”按鈕，會(huì)顯示出該步驟中的文字內(nèi)容進(jìn)行提示(如圖1所示)。

圖1 Flash實(shí)驗(yàn)步驟界面截圖

2 交互性Flash在基因工程實(shí)驗(yàn)原理中的應(yīng)用

基因工程是一門在分子水平上對基因進(jìn)行操作的復(fù)雜技術(shù)，作為高校生物科學(xué)學(xué)生的專業(yè)課，基因工程實(shí)驗(yàn)是教學(xué)中一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)原理是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，對實(shí)驗(yàn)原理的理解與掌握是研究實(shí)驗(yàn)方法和提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的有效途徑?；趯?shí)驗(yàn)原理部分難懂、抽象，文字描述不夠直觀等問題，本課題組開發(fā)了基因工程實(shí)驗(yàn)原理的Flash動(dòng)畫，使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理部分能夠很好地理解并掌握。

以木本植物的遺傳轉(zhuǎn)化為例，農(nóng)桿菌介導(dǎo)法進(jìn)行轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)原理為：植物受傷部位分泌酚類化合物，附著(VirA、VirB)，VirA/G的雙組分系統(tǒng)感受受傷信號(signal to A Pi to G)，其他Vir基因的表達(dá)，T-DNA鏈的切出(VirD1+VirD2；Border to Border)，T-complex的形成，運(yùn)輸(從細(xì)菌中輸出、進(jìn)入植物細(xì)胞、入核)，整合到植物染色體中。即使在講解中利用圖片擴(kuò)展解釋，學(xué)生依然覺得比較抽象，每一步都需要展開想象。因此，將這部分原理歸為以下4點(diǎn)：

1)Vir基因的誘導(dǎo)表達(dá)機(jī)制；

2)T-DNA復(fù)合物的形成；

3)T-DNA復(fù)合物的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)；

4)T-DNA鏈整合植物基因組。

對每一點(diǎn)都以動(dòng)畫的形式呈現(xiàn)，比如在Vir基因的誘導(dǎo)表達(dá)機(jī)制中，左側(cè)是農(nóng)桿菌，右側(cè)是植物細(xì)胞，細(xì)胞受傷后分泌的酚類物質(zhì)用黑色小正方形表示，它會(huì)移動(dòng)到農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒的VirA蛋白上，因?yàn)閂irA蛋白是酚類物質(zhì)的受體。結(jié)合之后導(dǎo)致VirG蛋白磷酸化，這部分在動(dòng)畫中用p表示磷酸化，用散落的斑點(diǎn)到G上表示VirG蛋白活化，移動(dòng)結(jié)合到Vir啟動(dòng)子的特定區(qū)域上，成為Vir基因轉(zhuǎn)錄的激活因子。這樣學(xué)生就能很好地理解Vir基因是如何激活的、T-complex是如何形成的，又是如何轉(zhuǎn)運(yùn)等過程(如圖2所示)。

圖2 部分實(shí)驗(yàn)原理截圖

3 交互性Flash在基因工程實(shí)驗(yàn)操作中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)操作又叫動(dòng)手能力，是通過學(xué)習(xí)而成的一種合乎規(guī)則操作的活動(dòng)方式?；蚬こ碳夹g(shù)的掌握離不開實(shí)驗(yàn)操作，必須熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作技能，才能更好地從事基因相關(guān)的科學(xué)研究。在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，即使教師講完了有的學(xué)生依然不知道該如何操作，因此，我們將實(shí)驗(yàn)操作制作成演示和交互式的Flash動(dòng)畫(如圖3所示)，在每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作中都含有演示與測試部分，學(xué)生在觀看完演示部分之后進(jìn)行測試，在測試中，需要學(xué)生點(diǎn)擊相關(guān)的試劑或儀器進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，如果學(xué)生忘記了如何操作，可以點(diǎn)擊幫助按鈕，會(huì)提示下一步操作的內(nèi)容。通過交互性Flash實(shí)驗(yàn)操作的應(yīng)用，大大降低了學(xué)生操作的錯(cuò)誤率和實(shí)驗(yàn)的失敗率，使學(xué)生能夠在有限的時(shí)間里順利地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并能掌握實(shí)驗(yàn)操作技巧，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。

圖3 部分實(shí)驗(yàn)操作截圖

4 交互性Flash在基因工程實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用反饋

為了使交互性Flash動(dòng)畫更加完善，使學(xué)生應(yīng)用更加方便有效，利用網(wǎng)絡(luò)問卷的形式對生物技術(shù)專業(yè)的2個(gè)班學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查，有效問卷數(shù)是59份。

1)在對是否有必要應(yīng)用Flash交互實(shí)驗(yàn)進(jìn)行基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)調(diào)查中：

①有86.67%的人認(rèn)為有必要(如圖4所示)；

②有91.53%的人認(rèn)為Flash交互實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪鉀Q傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的困難(如圖5所示)；

③有54.24%的人認(rèn)為如果使用Flash交互實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)操作的錯(cuò)誤率會(huì)在5%～9%，37.29%的人認(rèn)為錯(cuò)誤率會(huì)在5%以下(如圖6所示)。

2)在應(yīng)用Flash交互實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)調(diào)查中(如圖7所示)：

①使課程生動(dòng)形象比例占22.7%；

②使原理、方法清晰易懂比例占26.45%；

③實(shí)用性強(qiáng)，加強(qiáng)對操作的鍛煉占23.63%；

④每個(gè)人都能操作全部實(shí)驗(yàn)占17.25%。

3)在Flash交互實(shí)驗(yàn)需要改進(jìn)地方的調(diào)查中(如圖8所示)：

①有26.76%的人認(rèn)為需要開發(fā)手機(jī)APP功能；

②有24.02%的人認(rèn)為增加闖關(guān)積分，以便用積分來抵消其他懲罰，如抵消上課遲到扣分等；

③有21.46%的人認(rèn)為增加評價(jià)機(jī)制，如中間可以插入問答題等；

④有27.76%的人認(rèn)為增加儀器使用的交互功能。

以上數(shù)據(jù)可以看出，通過Flash交互實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，學(xué)生能夠增加實(shí)驗(yàn)課的興趣，原理、方法清晰易懂，更容易掌握，極大地降低了實(shí)驗(yàn)中的錯(cuò)誤率，鼓舞了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的熱情，讓他們更加有信心和興趣去學(xué)習(xí)和探索基因的奧秘。

圖4 應(yīng)用Flash交互實(shí)驗(yàn)進(jìn)行基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)必要性調(diào)查結(jié)果

圖5 Flash交互實(shí)驗(yàn)有沒有解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的困難調(diào)查結(jié)果

圖6 運(yùn)用Flash交互實(shí)驗(yàn)教學(xué)你在實(shí)驗(yàn)中的錯(cuò)誤率有多大調(diào)查結(jié)果

圖7 Flash交互實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)點(diǎn)

圖8 Flash交互實(shí)驗(yàn)需要改進(jìn)的地方

5 交互性Flash動(dòng)畫在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中優(yōu)勢及展望

5.1 節(jié)省教學(xué)成本、實(shí)驗(yàn)真實(shí)性強(qiáng)

基因工程實(shí)驗(yàn)所涉及的有些儀器及試劑，價(jià)格相當(dāng)昂貴，在教學(xué)公共平臺中不能完全保證每個(gè)學(xué)生都能操作，利用交互性Flash虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以有效地解決學(xué)生操作難的問題，學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)操作既保證了教學(xué)質(zhì)量，又增加了學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)還降低了教學(xué)成本。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)就是根據(jù)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景進(jìn)行模擬操作，真實(shí)性強(qiáng)?；蚬こ虒?shí)驗(yàn)操作繁瑣、復(fù)雜，耗時(shí)長等因素，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成功率偏低，從實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備到完成實(shí)驗(yàn)，各個(gè)環(huán)節(jié)都可能會(huì)失敗。通過交互性Flash虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以先行模擬操作，掌握各個(gè)環(huán)節(jié)的原理與操作方法后，再進(jìn)行真實(shí)性的操作，可以大大提高成功率，事半功倍。

5.2 提高生物安全性、激發(fā)學(xué)生積極性

基因工程實(shí)驗(yàn)中往往使用一些有毒的試劑和一些細(xì)菌，在教學(xué)中需要嚴(yán)格要求學(xué)生按照操作規(guī)則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如果處理不當(dāng)會(huì)造成環(huán)境污染，因此，學(xué)生先通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)中安全措施進(jìn)行掌握和熟練，這樣學(xué)生再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)就不至于盲目操作，可以提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)能力及操作技能，從而降低安全隱患。

基因工程實(shí)驗(yàn)原理是比較抽象的，實(shí)驗(yàn)操作步驟也是較繁瑣的，如果沒有一定的想象力很難理解枯燥的文字內(nèi)容，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)展示各部分實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟，學(xué)生在虛擬環(huán)境中可以隨時(shí)參與實(shí)驗(yàn)，教師的指導(dǎo)也不再僅限于課堂上，而是可以在課堂外的時(shí)間跟蹤學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上的學(xué)習(xí)，通過網(wǎng)上交流工具，及時(shí)解答學(xué)生的問題，指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，師生增加了交流的機(jī)會(huì)和溝通的渠道，學(xué)生相互間也可以通過虛擬平臺共同探究實(shí)驗(yàn)，解決問題[9]，激發(fā)學(xué)生的積極性，從而能夠更深刻的理解相關(guān)知識點(diǎn)，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，

5.3 促進(jìn)新技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

一個(gè)多世紀(jì)以來，教師一直在使用各種音頻、視頻等現(xiàn)代媒體輔助教學(xué)，有電影媒體[10]、幻燈投影媒體[11]、計(jì)算機(jī)多媒體[12]、綜合性新媒體[13]等。隨著虛擬技術(shù)的深入發(fā)展，各種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室大量出現(xiàn)，而且基本上是虛擬技術(shù)的綜合應(yīng)用體。Howard Hughes 醫(yī)學(xué)院開發(fā)的系列軟件用于虛擬實(shí)驗(yàn)室上，采用Shockwave技術(shù)開發(fā)，基于3D的界面，借助于Shockwave的互動(dòng)特性，學(xué)習(xí)者可以在指導(dǎo)下動(dòng)手使用PCR技術(shù)鑒別一種細(xì)菌[14]。目前用得比較多的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，如Boson Netsim、VMware、Workatation等，學(xué)生可以借助網(wǎng)絡(luò)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，既不必?fù)?dān)心課堂沒做完或沒時(shí)間深入探究，也不用擔(dān)心因設(shè)備不足、新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)不能實(shí)施而造成實(shí)驗(yàn)的半途而廢[15]。

基因工程實(shí)驗(yàn)操作繁瑣，耗時(shí)長，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入到教學(xué)中，既給學(xué)生提供逼真、生動(dòng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容和先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，又能擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)環(huán)境，延長實(shí)驗(yàn)時(shí)間，可反復(fù)操作不必?fù)?dān)心實(shí)驗(yàn)失敗。因此，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以虛擬實(shí)驗(yàn)為輔助，既起到事半功倍的效果，又有利于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

6 結(jié)束語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)應(yīng)用中，要求教師和學(xué)生改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念和學(xué)習(xí)模式，同時(shí)轉(zhuǎn)換在教學(xué)中的角色，教師由演示者向指導(dǎo)、創(chuàng)新者轉(zhuǎn)換。學(xué)生由模仿者向探求、創(chuàng)造者轉(zhuǎn)換，這樣才能達(dá)到由培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)型人才向培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的轉(zhuǎn)變[16]。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助工具，解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中原理抽象、操作繁瑣、周期長等問題，即可節(jié)省教學(xué)成本、保證實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，又可以降低安全隱患、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

目前，網(wǎng)絡(luò)越來越普及，手機(jī)更是成了每個(gè)人離不開的東西，作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作者應(yīng)該充分利用現(xiàn)代科技的手段，給學(xué)生提供更加便捷的學(xué)習(xí)方法，以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。就基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革來看，我們將根據(jù)學(xué)生反饋的意見修改完善交互性Flash虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加評價(jià)機(jī)制、闖關(guān)積分、儀器使用的虛擬操作以及開發(fā)手機(jī)APP功能，除此我們還會(huì)繼續(xù)探索，爭取獲得更大的突破。這些內(nèi)容的完善，將為基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作帶來極大的便利，為基因工程實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)提供更有效的資源。