放射性同位素標記核酸雜交實驗項目的建設(shè)與應(yīng)用

龔思穎， 許文亮， 胡 原， 鄧靈福， 秦麗瑋， 李 兵

（華中師范大學生命科學學院生物學國家級虛擬仿真實驗教學示范中心，武漢430079）

0 引 言

為加強高等教育實驗教學優(yōu)質(zhì)資源的建設(shè)與應(yīng)用，促進信息技術(shù)與實驗教學的深度融合，解決中國大學生動手能力不足等問題，教育部于2013年和2017年分別啟動了國家虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)［1-2］。為加快振興本科教育，全面提高高校人才培養(yǎng)能力，發(fā)揮國家虛擬仿真實驗教學項目示范引領(lǐng)作用，2018年教育部就加強國家虛擬仿真實驗教學項目持續(xù)建設(shè)與應(yīng)用有關(guān)工作做了進一步規(guī)范，“淘汰水課，打造金課”正式寫入教育部文件［3］。自2017年教育部開展國家級虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)開始，截至2019年，ilab-x實驗空間上共有2 000＋虛擬仿真實驗教學課程。

2020年新冠肺炎疫情使得全球許多國家數(shù)以億計的大學生處于停課、停學、停教的危機狀態(tài)。中國成功實現(xiàn)了“停課不停教、停課不停學”，截至5月初，我國1 454所高校開展了在線教學工作。新冠肺炎疫情加速在線教育的發(fā)展，《2020年政府工作報告》明確作出“推進教育信息化”的重要部署，教育部已啟動中長期規(guī)劃和“十四五”規(guī)劃編制工作［4］。虛擬仿真實驗教學正在成為一種新的教學手段，推動高校教育信息化建設(shè)，打造虛擬仿真“金課”、建設(shè)國家虛擬仿真實驗教學一流課程成為虛擬仿真資源建設(shè)的重要目標。

1 項目建設(shè)的意義

生物學建立在實驗基礎(chǔ)上，從早期轉(zhuǎn)基因植物研究以來，核酸分子雜交技術(shù)在核酸結(jié)構(gòu)和功能研究、基因表達調(diào)控和物種親緣關(guān)系研究中發(fā)揮著重要作用［5］。放射性同位素標記核酸分子雜交是遺傳學、生物化學和分子生物學研究中常用的技術(shù)之一，與Realtime PCR技術(shù)及地高辛標記相比，放射性同位素由于其靈敏度高，實驗重復(fù)性好，結(jié)果可靠，在Northern雜交、Southern雜交中廣泛應(yīng)用［6］。但由于安全風險大、實驗周期長、成本高以及學生需持“輻射安全與防護培訓(xùn)合格證”才能進行相關(guān)實驗操作等原因，無法經(jīng)常性大規(guī)模面向本科生開展。生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心（以下簡稱“中心”）開發(fā)建設(shè)的首批國家虛擬仿真項目“放射性同位素標記核酸分子雜交實驗”，突破了時空限制和高危實驗環(huán)境制約，彌補了實體教學的不足［7］。

2 項目開發(fā)

中心圍繞軟件功能開發(fā)、實驗內(nèi)容和教學模式設(shè)計、應(yīng)用成效、持續(xù)改進與共享等方面，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維、提高實踐能力為目標，注重將科研成果融入實驗教學，寓“教”于“研”［8］。

2.1 教學軟件功能模塊開發(fā)

該項目屬于遺傳學實驗——轉(zhuǎn)基因植物鑒定與表型分析綜合設(shè)計型實驗的一個專題，該教學軟件由南京萊醫(yī)特電子科技有限公司開發(fā)，綜合運用了ZBrush、3DS MAX、3D-Coat、AE、Unity3d等軟件，教學時長3學時，包含實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗操作、課后鞏固、實驗報告5個模塊（見圖1）。①實驗?zāi)康哪K：明確實驗內(nèi)容及重難點，幫助學生在系統(tǒng)學習中快速將所學內(nèi)容有效聯(lián)系，提高學習的主動性。②實驗原理模塊：展示實驗原理、器材、實驗步驟解析、實驗突發(fā)狀況處理等基礎(chǔ)知識。③實驗操作模塊：含教學、考核、演示3種學習模式，7個實驗?zāi)K，實驗設(shè)計體現(xiàn)多路徑和推演性，實現(xiàn)隨機交互。④課后鞏固模塊：通過設(shè)置問題，幫助學生回顧整個實驗的關(guān)鍵知識點和操作要點，鞏固學習效果。⑤實驗報告模塊：分前言、材料和方法、結(jié)果、問題與討論、參考文獻5個部分，鼓勵學生以研究論文形式采用英語撰寫，生成個性化實驗報告。

圖1 虛擬實驗項目模塊組成

2.2 實驗內(nèi)容設(shè)計

實驗操作包括植物RNA提取（7步）、變性RNA電泳（19步）、Northern印跡（轉(zhuǎn)膜）（7步）、預(yù)雜交（5步）、探針的制備與雜交（8步）、洗膜（4步）和放射自顯影壓片（4步）等7個模塊，共54個交互性實驗步驟，每個模塊含實驗原理、實驗儀器和試劑、實驗方法與步驟、注意事項4個方面，既自成體系，又環(huán)環(huán)相扣（見圖1）。

采用“虛實結(jié)合”的教學形式（見圖1），其中RNA濃度測定、質(zhì)量檢測、變性膠電泳和轉(zhuǎn)膜等內(nèi)容采用實體實驗和虛擬操作相結(jié)合的方式學習，探針合成、雜交、放射自顯影等風險性較大的操作可在虛擬實驗中反復(fù)體驗，綜合運用問題式、探究式、討論式學習方法，幫助學生掌握核酸分離與電泳、虹吸印跡法轉(zhuǎn)移RNA、探針合成與雜交、放射自顯影等生物學關(guān)鍵實驗技術(shù)。

2.3 “線上＋線下”混合式教學模式設(shè)計

實驗操作模塊設(shè)有教學、演示和考核3種模式。教學模式按實驗流程依次呈現(xiàn)7個實驗?zāi)K，并設(shè)置包含基礎(chǔ)理論及核心操作在內(nèi)的提問、在線幫助和討論環(huán)節(jié)。學生可通過考核模式隨機進入教學模式中的任意模塊開始實驗，通過演示模式觀看實際實驗操作錄像，掌握規(guī)范的實驗操作方法，起到課前預(yù)習、課后鞏固的作用。

學生根據(jù)需要自主選取任一教學模式，采取“線上＋線下”混合式學習方式。課前“線下”預(yù)習實驗原理，進入實體實驗室熟悉相關(guān)儀器，了解實驗流程和關(guān)鍵操作，通過演示模式“線上”操作；課堂教學中采取“線上＋線下”混合學習，選取教學模式操作，期間進行小組討論和演練（4人一組），操作結(jié)束后，進入大組（全班）討論環(huán)節(jié)；課后以考核模式進行“線上”操作，后臺記錄所有虛擬操作過程，綜合實驗過程和考試結(jié)果自動量化評分（見圖2）。

圖2 “線上＋線下”混合式教學模式設(shè)計

2.4 考核方式及標準

考核注重過程性評價和考試評價的有機整合，確保評價的全面、客觀，如表1所示，涉及5個考核方面。 過程性評價以虛擬實驗操作為載體，在實驗開始前完成提問環(huán)節(jié)（圖3a），進入實驗界面完成所有實驗步驟并提交，之前實驗操作會被記錄（圖4b），系統(tǒng)根據(jù)操作次數(shù)、練習題答案、操作步驟正誤等因素，自動評分并解析錯誤詳情（圖3c，3d，3e），幫助學生自我評估學習效果。任課老師根據(jù)軟件的評價反饋、學生的實驗報告和考試結(jié)果（圖3f），綜合評定成績。

表1 虛擬實驗考核方式及標準

圖3 實驗操作及系統(tǒng)評分（虛擬仿真實驗部分截圖）

3 應(yīng)用成效

項目面向校內(nèi)生物科學、生物技術(shù)專業(yè)、化學-生物學交叉培養(yǎng)班等在校本科生免費開放，通過ilab-x實驗空間面向全國高校免費共享使用，目前實驗瀏覽量達23 489人次（截至2020-10-30）。前期調(diào)查結(jié)果顯示，學生的滿意度為96.43%，97.84%的學生認為該項目對實體教學很有幫助（截至2017-10-16，2 273人次）。面向2015級本科生調(diào)研，回收反饋意見175份，綜合分析優(yōu)勢如圖4所示。

圖4 面向2015級本科生教學調(diào)研結(jié)果（N＝175）

項目至今接待了新疆師范大學、四川大學、華中科技大學、武漢理工大學、湖北省實驗室研究會會議代表等院校領(lǐng)導(dǎo)專家來訪和交流；受邀參加全國性虛擬仿真實驗教學研討會、學校信息化教學成果展、虛擬仿真實驗校園開放日等活動?？挂咂陂g組建教學指導(dǎo)和技術(shù)服務(wù)2個團隊，為校內(nèi)外的虛擬仿真實驗用戶進行在線答疑或指導(dǎo)，并解決虛擬仿真實驗操作中出現(xiàn)的問題。5年來，項目組和相關(guān)專業(yè)師生通過虛實結(jié)合、實踐創(chuàng)新，以項目為依托取得了一系列成果，先后獲得全國大學生生命科學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎項2項、湖北省大學生實驗技能競賽一等獎4項；全國生物與食品類高校虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)成果二等獎1項、湖北省自制儀器設(shè)備一等獎1項；獲批省級教學研究項目1項、大學生創(chuàng)新性實驗項目2項、軟件著作權(quán)1項，發(fā)表教改論文3篇。

4 改進與發(fā)展

隨著信息技術(shù)發(fā)展和人才培養(yǎng)新要求，中心以項目持續(xù)改進與共享為目的，結(jié)合用戶反饋及疫情期間調(diào)研情況，從軟件功能、知識內(nèi)容、信息技術(shù)、評價體系、共享應(yīng)用等方面持續(xù)優(yōu)化，探索更符合教育部要求有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的虛擬仿真“金課”［9-10］。

4.1 軟件優(yōu)化升級，修復(fù)軟件使用中出現(xiàn)的問題

避免使用中因軟件本身、管理平臺、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（帶寬）、終端設(shè)備配置等因素造成的操作卡頓、不靈活等問題。對管理平臺進行漏洞檢查和服務(wù)器功能升級；與國家ilab-x.com平臺技術(shù)接口實行完全對接，便于實驗數(shù)據(jù)回傳和采集。采用實時云渲染技術(shù)，解決軟件首次下載時間過長、兼容性不夠和實驗卡頓等問題，顯著提高程序運行流暢度。

4.2 科教融合，提升高階性、突出創(chuàng)新性、增加挑戰(zhàn)度

注重學科前沿性和技術(shù)實用性，緊貼實驗課程體系、教學大綱，增加研究性、創(chuàng)新性、綜合性實驗內(nèi)容。知識內(nèi)容拓展和延伸，如引入Realtime PCR技術(shù)、生物素標記核酸雜交、DNA雜交、原位雜交、microarray、蛋白質(zhì)雜交等技術(shù)，從實驗原理、步驟、優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍等方面與同位素標記核酸雜交技術(shù)比較學習。

增加“知識應(yīng)用”模塊，引導(dǎo)學生將知識與科研、應(yīng)用聯(lián)系起來，如將核酸雜交實驗用于動植物轉(zhuǎn)基因的鑒定、拷貝數(shù)分析等實驗過程，讓學生體驗“跳一跳才能夠得著”的學習挑戰(zhàn)，增強學生經(jīng)過刻苦學習獲得收獲的成就感，提高學生創(chuàng)新思維和實踐能力。

4.3 集成最新信息技術(shù)手段，豐富實驗教學

運用虛擬現(xiàn)實、人工智能等技術(shù)，提高交互的隨機性和智能化。增加多種情形設(shè)置、可變量和對應(yīng)結(jié)果，便于差異化學習。提高場景還原的逼真度，如人操作移液器時，移液器移動，場景背景不動，減少眩暈感；提高三維動畫人的真實感；通過“半實半虛”方式，將實體實驗的圖片、視頻與動畫有機結(jié)合，增強真實感和沉浸感。

4.4 建立科學完善的實驗教學評價反饋體系

建立包括過程性評價、考試評價、增值評價和發(fā)展性評價的綜合考評體系，使得評價更加真實合理［11-12］。借助平臺管理系統(tǒng)對學生參與虛擬實驗的過程、結(jié)果、研討和意見反饋等數(shù)據(jù)進行采集和分析，作為項目改進的依據(jù)。探索適合于全日制本科生、研究生、在職教育碩士等不同學習者的有效教學評價體系［13］。

4.5 提高資源共享效率

以構(gòu)建完善的生物學實驗課程體系為目標，整合優(yōu)質(zhì)資源，探索高校間跨專業(yè)跨學科的實驗資源共享的新模式。推動優(yōu)質(zhì)資源在中西部高校開放共享，鼓勵教師多模式應(yīng)用、學生多形式學習，形成學習者人人皆學、處處能學、時時可學的泛在化學習新環(huán)境［14］。

5 結(jié) 語

該項目緊密圍繞遺傳學實驗轉(zhuǎn)基因植物鑒定與表型分析，綜合運用Unity3d等技術(shù)還原放射性同位素標記核酸雜交實驗過程，突破高危環(huán)境限制，幫助學生快速掌握核酸提取步驟、探針制備原理與方法、同位素防護與安全使用規(guī)范等知識點，通過教學、演示、考核3種學習模式自由切換和“線上線下”混合式教學模式探索，激發(fā)學生學習興趣，提升實驗教學效果和學生實踐創(chuàng)新能力。但在信息技術(shù)手段更新、實驗內(nèi)容設(shè)計和形式創(chuàng)新、多元化教學評價體系建設(shè)等方面仍需不斷完善。需進一步探索混合教學模式下虛擬仿真資源研發(fā)和運用的新思路，對于適應(yīng)后疫情時代全球高等教育的新變化，推動實驗教學改革和高校信息化建設(shè)，培養(yǎng)適應(yīng)未來變化的研究型、創(chuàng)新型人才具有重要意義［15-17］。