基于虛擬仿真平臺的分子生物學實驗教學改革探索

曾晶

摘 要 傳統(tǒng)分子生物學實驗教學具有成本高、耗時長、更新慢等弊端，而虛擬仿真實驗能突破傳統(tǒng)實驗教學對實驗場地、時間及教學經費等條件的限制，具有直觀性、開放性、安全性的特點，能有效提高實驗教學效果，加強創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，對高校分子生物學實驗教學改革有巨大推動作用。

關鍵詞 虛擬仿真 分子生物學 教學改革

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.10.068

Abstract Traditional molecular biology experiment teaching mode has many drawbacks including high cost， time-consuming and slowly updating. However， virtual simulation experiment can break restriction of laboratory space， time and teaching funds. It has the characteristic of visualization， open and safety. Therefore， virtual simulation experiment can improve teaching effect and strengthen the cultivation of innovative talents. It will also greatly promote the reform of molecular biology experimental teaching in colleges and universities.

Keywords virtual simulation; molecular biology; teaching reform

分子生物學（Molecular biology）是從分子水平研究生命本質的學科，研究的內容包括DNA、RNA和蛋白質生物合成的過程及其調控機制等，內容抽象難懂。[1]分子生物學實驗教學能讓學生更好地理解課本中的理論知識，同時能將理論聯(lián)系實際，加強學生對知識的運用能力，但傳統(tǒng)的教學方式因具有成本高、耗時長、更新慢等弊端，導致實驗很難開展以及教學效果不佳。[2， 3]目前，國內外很多高校正積極建設醫(yī)學虛擬仿真實驗平臺（Virtual Simulation Platform），將虛擬仿真實驗引入教學當中，以提升教學效果。[4]虛擬仿真平臺基于互聯(lián)網技術構建出虛擬的實驗環(huán)境，以仿真的表現(xiàn)形式使學習者獲得真實體驗。虛擬實驗作為一種新型的實驗教學模式，突破了傳統(tǒng)實驗教學對時空的限制，且能在各高校之間實現(xiàn)資源共享，有利于學生開展自主學習、提高專業(yè)技能、培養(yǎng)科研創(chuàng)新精神。[5]

1 分子生物學實驗教學現(xiàn)狀

1.1 教學內容更新慢

近年來，分子生物學發(fā)展極為迅速，學科交叉和滲透持續(xù)加強，許多分子生物學新技術不斷涌現(xiàn)。而在實際教學中由于受到實驗場地和教學方式等客觀因素的限制，導致教學內容未能得到及時更新，實驗采用的甚至是已經被淘汰多年的陳舊方法，使學生不能掌握科技前沿信息。

1.2 成本高，耗時長

分子生物學實驗需要用到精密的儀器，而學校的實驗經費有限，無法購買這些高端儀器或儀器數(shù)量不足，導致相應的課程無法正常開展。[6]另外，分子生物學實驗操作過程繁雜、耗時長，由于受到課時的限制，學生只能選取其中一部分實驗進行操作，使學生只能接觸到有限的技術方法。[7]

1.3 教學內容抽象難懂

分子生物學是從微觀角度研究生命本質的，研究對象為DNA、RNA和蛋白質等肉眼無法直接看到的分子，實驗現(xiàn)象不易觀察，在傳統(tǒng)實驗教學中難以將這些抽象內容形象生動地展現(xiàn)出來。在實驗過程中，學生只能按部就班地根據課本上的實驗流程來完成，至于是否操作正確以及為什么這樣操作，學生都不易理解。

2 虛擬仿真平臺的優(yōu)勢

2.1 資源共享，及時更新

虛擬仿真平臺的資源可在院校之間共享，能有效打破學校之間的壁壘，實現(xiàn)教學優(yōu)質資源無空間障礙的線上傳遞，同時還能促進教師之間、學生之間以及師生之間的交流。另外，虛擬仿真平臺上的資源都是網絡版，可隨著學科的發(fā)展及時更新完善平臺內容，使教學內容跟上科學技術飛速發(fā)展的步伐。

2.2 節(jié)約成本和時間

某些分子生物學實驗需要使用昂貴的儀器、試劑和耗材，且對設備維護也需要消耗大量資金，而構建虛擬仿真平臺所需成本較低，能極大降低教學資金的投入。分子生物學實驗過程中有些步驟需要消耗大量時間，例如，基因重組實驗至少需要花費2天才能做完，若將其變成虛擬實驗，則可在2個課時內完成，大大節(jié)省了寶貴的教學時間，而且學生等待的時間縮短，也有助于他們對整體實驗的理解。

2.3 安全性高

分子生物學實驗經常會涉及到危險的化學試劑，如果操作不當，有可能會危害人體健康、污染環(huán)境或造成經濟財產損失。例如，在瓊脂糖凝膠電泳中用到的溴化乙錠是強誘變劑，具有高致癌性;在凍存細胞時使用的二甲基亞砜（DMSO）能導致蛋白質變性，具有血管毒性和肝腎毒性。而在虛擬實驗中學生不會接觸到這些有毒試劑，也不會因為操作不當而引發(fā)事故，安全性極高。

2.4 生動形象，便于理解

分子生物學研究的對象都是微觀層面的物質，涉及的知識較為抽象，而虛擬仿真實驗能以生動、立體、直觀的形式將實驗過程展示出來，甚至能將抽象的物質具體化。例如，在進行基因重組實驗時，載體質粒與目的基因都是無法用肉眼看到的物質，若將它們放大并將重組過程以動畫形式展現(xiàn)，那學生就更容易理解實驗原理和實驗方法。

2.5 打破時空限制，學生參與度高

虛擬仿真實驗是在計算機上展現(xiàn)出虛擬的實驗環(huán)境，學生可以用鼠標和鍵盤對實驗過程進行控制，因此學習的時間和地點都相對自由，只要有一臺聯(lián)網的電腦，輸入賬號密碼后就能進入虛擬仿真平臺進行學習。現(xiàn)在高校學生眾多，而教學資源相對較少，導致在實驗教學中學生親自動手操作的機會減少。而在虛擬仿真平臺中，所有學生都可全程參與實驗，甚至能反復操作以鞏固知識。

3 虛擬仿真平臺在分子生物學實驗教學中的應用

近年來，教育部在全國開展“國家級虛擬仿真實驗教學中心”建設工作，教育信息化已經被提升到國家戰(zhàn)略層面，我校正在積極建設醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺，目前已投入使用，并在不斷完善中。平臺中的項目來源于復旦大學上海醫(yī)學院、上海交通大學醫(yī)學院、廣州醫(yī)科大學等多家高校的虛擬實驗中心，涵蓋了從基礎醫(yī)學到臨床醫(yī)學的實驗教學資源，其中包含16個分子生物學虛擬仿真實驗。教學中心入口網址為http：//10.19.9.3：5000/virlab/，全校師生可在校園網通過個人賬號登錄進入系統(tǒng)。

虛擬仿真平臺在實驗教學中的應用過程如圖1：學生在上課之前自主觀看平臺提供的教學動畫，并通過查閱資料、小組討論等形式自主學習，充分了解實驗原理。在實驗課中，根據界面提示進行虛擬實驗，通過點擊鼠標可完成添加樣品、控制儀器等操作。在某些操作過程中會出現(xiàn)相應的習題，答題后才可繼續(xù)做實驗，這有助于培養(yǎng)學生積極思考的習慣。實驗結束后，系統(tǒng)會根據學生答題情況打分，并將成績反饋給教師。課后學生也可隨時登錄平臺進行實驗操作，并與教師進行交流。教師通過收集整理反饋的信息，對教學效果進行評價，并反思如何改進教學內容和教學方法，以提升教學效果。

4 結語

虛擬仿真實驗是信息化教育發(fā)展的產物，具有高效性、安全性、開放性、不受時空限制等優(yōu)點，但虛擬實驗終究不能完全取代真實實驗。虛擬實驗的操作都是依靠鼠標鍵盤來完成，并不能讓學生學會真實儀器的操作方法，不能有效培養(yǎng)學生的動手能力。而且，在虛擬平臺中實驗過程都已程序化，不存在實驗失敗的現(xiàn)象，但在真實實驗中，影響實驗結果的因素眾多，若過多依賴虛擬實驗將不利于培養(yǎng)學生分析問題的能力。因此，在教學中，應采用虛擬和真實操作相結合的方式，合理設置虛擬實驗的比例，只有這樣才能顯著提高教學效果，培養(yǎng)出適應時代需要的實踐性、創(chuàng)新型人才。

基金項目：湘南學院2018年教學改革項目“慕課與PBL教學法相融合在生物化學教學中的應用研究”

參考文獻

[1] 秦麗瑋，胡原，萬建，等.分子生物學虛擬仿真實驗平臺的建設與應用[J].實驗技術與管理，2018.35（7）： 140-143，147.

[2] 吳靜雯，張亞菲，黃義德.分子生物學虛擬仿真實驗室的構建與應用[J].實驗室科學，2018.21（5）：88-92.

[3] 張輝，余婷，王光利，等.虛擬仿真技術在分子生物學實驗教學中的應用[J].宜春學院學報，2018.40（9）：115-118.

[4] 劉慧萍，張國民，陽力爭，等.基于虛擬仿真實驗技術的生化實驗教學初探[J].中國中醫(yī)藥現(xiàn)代遠程教育，2014.12（14）：85-87.

[5] 劉春英.虛擬實驗在生物化學實驗教學中的應用[J].科技視界，2015（35）：163.

[6] 馮尚國，盧江杰，王慧中.基于虛擬仿真技術的高校分子生物學實驗教學改革[J].教育教學論壇，2018（19）：107-108.

[7] 王易振，張靜文，彭坤，等.虛擬仿真半自動生化分析儀操作訓練平臺的構建及應用[J].重慶醫(yī)學，2012.41（14）：1437-1438.