以生物醫(yī)學交叉領域大學生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究為例

尹娟 劉誠 宋金卓 董絮 汪嬌

摘 要：古生菌作為一種特殊的微生物類群，在人類皮膚微生物組中是一個恒定但高度可變的組成部分，目前研究發(fā)現(xiàn)：奇古菌可能通過硝化作用降低皮膚pH，造成皮膚屏障功能破壞;在土壤、海洋中的氨氧化古菌通過氨氧化作用調(diào)節(jié)生活環(huán)境中的氨氮平衡，與我們生產(chǎn)生活密切相關。因此，越來越多的科研人員對其進行深入探索，但傳統(tǒng)實訓實驗中存在著古生菌分離培養(yǎng)成功率低、周期較長、菌株鑒定成本高、遺傳和生化操作技術平臺要求高等問題，基于傳統(tǒng)實驗操作的連貫性、真實性、記憶性等特點，為模擬古生菌實驗的細節(jié)以減少錯誤率而擬創(chuàng)建集科普、教學、科研于一體的皮膚古生菌虛擬實驗科普互動學習平臺——《異“菌”突起》。通過古生菌的發(fā)現(xiàn)歷程、簡介、應用前景等版塊提供對極端微生物生活環(huán)境和生物學特性與功能角色的介紹，利于虛擬培養(yǎng)板塊利用網(wǎng)頁交互操作進行線上古生菌相關實驗操作模擬（本文主要以氨氧化古菌為代表菌株，模擬其分離、培養(yǎng)與鑒定過程）。

關鍵詞：虛擬實驗科普互動平臺;古生菌;實驗模擬;教學資源

隨著社會的不斷發(fā)展，科學技術的進步，人們逐漸走進了互聯(lián)網(wǎng)時代，個性化學習也層出不窮。其中，教育部強調(diào)了虛擬仿真實驗教學的重要性，并于2013年開始國家級虛擬仿真實驗教學中心的申報和布點工作，取得了很好的示范效果[1]。因其發(fā)展帶來的便利，本團隊擬建立集科普性、學術性、技術性、創(chuàng)新性為一體的《異“菌”突起》——湖文本科特色虛擬實驗科普互動微生物平臺。

1 皮膚古生菌虛擬實驗科普互動平臺創(chuàng)建背景

皮膚是人體最大的器官，作為人體的第一道防線，通過淋巴系統(tǒng)、血管系統(tǒng)和表皮神經(jīng)與身體的其他部分相連接，具有屏障、吸收、感覺、分泌排泄、體溫調(diào)節(jié)等多種功能。成年人皮膚布滿豐富的褶皺、凹陷和附屬物，面積大約為18m2，而每1cm2的皮膚表面多達10億個微生物：細菌、真菌、古生菌、病毒等，這些微生物與皮膚健康息息相關。而古生菌作為一種古老的細菌存在于皮膚上，直接或間接的影響皮膚健康。

基于近年來皮膚古生菌在生物醫(yī)學、生活生產(chǎn)、工業(yè)環(huán)境等方面的發(fā)展情況及重要性，本文以生物醫(yī)學交叉領域大學生科研創(chuàng)新訓練研究項目——“襄陽市不同地區(qū)居民皮膚古生菌的分離鑒定及其菌群進化關系的初探”為例，建立《異“菌”突起》虛擬實驗科普互動平臺，用于對皮膚古生菌相關知識及實驗內(nèi)容進行學習以及模擬操作。

虛擬實驗科普互動平臺采用理論與實踐結(jié)合的模式，通過古生菌的發(fā)現(xiàn)、簡介、虛擬培養(yǎng)、應用前景四個模塊，以視、聽、觸等感覺器官來接收信息，讓生命科學及生物醫(yī)學交叉領域?qū)I(yè)的學生了解學習古生菌（以皮膚古生菌為例）生物學特征，掌握其分離、培養(yǎng)與鑒定等實驗操作細節(jié)，為科研創(chuàng)新訓練提供了一個不受時間、空間限制的學習實踐平臺;在教學資源方面，提供對極端微生物生活環(huán)境和生物學特性與功能角色的介紹，營造自主個性化學習、自主實驗的虛擬科研條件，激發(fā)學生創(chuàng)新思維，提升現(xiàn)實動手實踐能力。

2 《異“菌”突起》虛擬實驗科普互動平臺的構(gòu)建

2.1 虛擬實驗科普互動平臺內(nèi)容設計

《異“菌”突起》虛擬在線學習平臺的內(nèi)容設計要求簡潔、便于操作、比例協(xié)調(diào)、重點突出。其擁有“古生菌的發(fā)現(xiàn)歷程、已知古生菌的簡介（分類、分布與功能、進化樹）、古生菌虛擬培養(yǎng)、古生菌的應用前景（例如，氨氧化古菌產(chǎn)氨——氮循環(huán)、產(chǎn)甲烷古菌產(chǎn)甲烷——碳循環(huán)）”四個菜單欄，根據(jù)需求，點擊進入后獲取相應的資源（文章、視頻、圖文、科普、菌株信息等）。其中古生菌虛擬培養(yǎng)是該平臺的特色板塊，云實驗通過鼠標的拖拽及聲音的感知使學生有較強的代入感。

2.2 虛擬實驗科普互動平臺板塊設計

本項目提出“知識學習——實驗模擬——實際操作”，將理論與實踐相結(jié)合，線上進行古生菌相關實驗的模擬，線下進行實際操作，通過《異“菌”突起》將兩者聯(lián)系起來，不僅可以提高學習者的知識學習效率，同時還能使實際實驗操作的容錯率增加。線上線下的相互促進融合，一方面提高科研創(chuàng)新訓練的實驗技能，另一方面提供了教學的輔助資源。

2.2.1 古生菌的發(fā)現(xiàn)歷程

現(xiàn)今一切生物都是由共同的遠祖，一種小的細胞進化而來，分化出細菌和古生菌這兩類原核生物。《異“菌”突起》虛擬學習平臺通過導入互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中相關文獻信息，從系統(tǒng)種系開始向受眾介紹什么是古生菌、古生菌是如何發(fā)現(xiàn)的、目前對古生菌的研究等等。借此平臺系統(tǒng)的介紹古生菌的發(fā)現(xiàn)歷程，向讀者展現(xiàn)特殊類群的微生物，激起其對古菌的研究興趣。

2.2.2 古生菌虛擬培養(yǎng)

《異“菌”突起》虛擬實驗科普互動平臺通過計算機的3D技術和人際交互模式使用戶體驗“動手做實驗”的樂趣，加強用戶基礎知識，使用戶在實驗中發(fā)現(xiàn)問題、探索問題;同時用戶還可以自主完成科研設計，培養(yǎng)科研思維習慣。古生菌培養(yǎng)周期較長、皮膚表面無菌采集較難、且器材耗費昂貴等原因有利于《異“菌”突起》虛擬在線學習平臺的建立，以氨氧化古菌為例，該平臺包括實驗前準備（消菌防護措施、培養(yǎng)基配制、樣本采集）、虛擬實驗操作（樣本培養(yǎng)、菌液分離純化、16S rRNA基因擴增）、實驗后總結(jié)（數(shù)據(jù)整理、實驗器材歸為）三部分。進入虛擬實驗后，系統(tǒng)會按照已定的操作內(nèi)容給予提示，操作人員根據(jù)相應的提示（實驗裝置、實驗步驟、操作要點、注意事項等內(nèi)容）通過拖動鼠標、點擊系統(tǒng)正確器材或者操作過程來繼續(xù)實驗。實驗操作結(jié)束后，系統(tǒng)會進行數(shù)據(jù)的整理及實驗器材的正確歸位提示，在整個虛擬實驗完成后，系統(tǒng)會根據(jù)操作人員的細節(jié)操作給予評分，可選擇繼續(xù)實驗模擬或退出實驗模擬。

2.2.3 古生菌的應用前景

科學家利用許多微生物給人類生活帶來了益處，例如益生菌、噬菌體療法等等，古生菌的發(fā)現(xiàn)對人類健康、生產(chǎn)等方面也存在潛在的應用前景。氨氧化古菌產(chǎn)氨——氮循環(huán)、產(chǎn)甲烷古菌產(chǎn)甲烷——碳循環(huán)等等之類的應用前景都在這一板塊展示出來，在讀者學習的同時帶來科研及創(chuàng)業(yè)靈感，更好地利用菌株資源。

3 虛擬實驗科普互動平臺創(chuàng)建的目的及優(yōu)點

3.1 虛擬試驗科普互動平臺創(chuàng)建的目的

隨著科技水平的提高，人們越來越渴望深入探究人體各個組織器官微生物群落的生物多樣性、組織結(jié)構(gòu)以及功能差異，更加徹底的了解人類自身，皮膚狀態(tài)影響一個人的直觀感受，皮膚微生物組受到越來越多的關注。而在其中有一類特殊的微生物代表——古生菌，人類皮膚微生物組的一個恒定但高度可變的組成部分。

皮膚古生菌的科學研究起步相對較晚，且沒有較完善的古菌培養(yǎng)系統(tǒng)，在實驗室條件下生長的物種并不一定是取樣部位占支配地位的物種，不能正確地呈現(xiàn)皮膚微生物群落的原始狀態(tài)，因此皮膚微環(huán)境的成分復雜性在實驗室內(nèi)很難完全模擬，再加上傳統(tǒng)實訓實驗教學存在著古生菌分離培養(yǎng)成功率低、周期較長、菌株鑒定成本高、遺傳和生化操作技術平臺要求高等問題，分離、培養(yǎng)與鑒定過程中一步失誤就會造成實驗的停滯以及材料的浪費。

基于本課題組的“襄陽市不同地區(qū)居民皮膚古生菌的分離鑒定及其菌群進化關系的初探”，本項目擬建立《異“菌”突起》虛擬實驗科普互動平臺，用于對皮膚古生菌的相關實驗進行模擬，進行初步的探索學習。

3.2 虛擬試驗科普互動平臺創(chuàng)建的優(yōu)點

傳統(tǒng)實訓實驗教學具有真實性、連貫性、記憶性等較強的特點，但我們不難發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實訓實驗教學的資源和模式存在以下幾個共通的問題：一是實訓環(huán)境主要為實景，無法進行沉浸式教學，知識理解難度較大;二是場地以及空間均受限制，學生無法隨時隨地進行實驗學習;三是實訓實驗的基礎設備要進行定期的維護以及更新;四是教學資源相對于互聯(lián)網(wǎng)時代較落后[2]。基于傳統(tǒng)實訓實驗，以生物醫(yī)學交叉領域大學生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究為例建立的《異“菌”突起》虛擬實驗科普互動平臺可以很好的解決以上的問題。

通過虛擬實驗科普互動平臺可以進行樣本采集、培養(yǎng)基配制、古生菌生長、古生菌分離純化、菌種鑒定等實驗內(nèi)容的模擬操作，減少傳統(tǒng)實際實驗操作中資源的消耗，且實驗模擬不再受時間、空間、條件及人數(shù)的限制，通過云操作有較強的情景代入感，同時，反復操作的可能性增強了學生的實驗動手能力，可避免知識的遺忘，在科研創(chuàng)新訓練方面提供一個學習實踐平臺;在教學方面，虛擬實驗科普互動平臺是對教學的一種輔助資源，節(jié)省了實驗教學的時間，提高教學質(zhì)量，更好地培養(yǎng)學生自主思考的能力，激發(fā)同學們的創(chuàng)新思維能力，給社會提供了專業(yè)水平扎實、理論知識過硬的復合型人才。

4 結(jié)語

虛擬仿真實驗教學是依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交換、數(shù)據(jù)庫和互聯(lián)網(wǎng)通信等技術，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)節(jié)和實驗對象，在虛擬環(huán)境中開展實驗，以便在真實實驗不具備或難以完成的條件下實現(xiàn)教學效果的教學方式。

《異“菌”突起》虛擬實驗科普互動平臺的建立與應用，實現(xiàn)了虛擬項目中儀器、場景、實驗操作的可視化，可以為學生、教師、科研愛好者等學習對象提供學習交流、互助的平臺。對學生來說，學習地點不再僅僅局限于課堂，并且能學到課堂上老師由于其他原因未普及的知識，拓展學生眼界、增加對醫(yī)學健康、生物資源、未來生物醫(yī)藥等領域的知識見解;對教師來說，利用虛擬在線教育平臺教學，為傳統(tǒng)教育模式帶來空間，注入新的活力;同時平臺的不同模塊使資源優(yōu)化、開放、高效，營造自主個性化學習、自主實驗的虛擬科研條件，激發(fā)學生創(chuàng)新思維，提升現(xiàn)實動手實踐能力。

未來我們將在初步建立的基礎之上繼續(xù)擴充資源，擴大共享范圍，以期取得更好的效益，借助于互聯(lián)網(wǎng)培養(yǎng)專業(yè)技能人才。

參考文獻：

[1]技術革命催生中國高等教育變革[J].新課程研究（中旬刊），2013（08）：77.

[2]田萌.新冠疫情下基于虛擬現(xiàn)實技術的實訓教學平臺建設研究[J].價值工程，2020，39，569：9-12.

基金項目：本文系湖北省高校人文社科重點研究基地湖北文理學院鄂北區(qū)域發(fā)展研究中心課題基金資助（項目號：2020JDB016）

作者簡介：尹娟（2000— ），女，漢族，湖北襄陽人，本科，研究方向：微生物學。