文理交叉背景下分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)

湯海峰,李佳偉,劉 艷，吳斯豪，范林圓，滕利榮，崔銀秋

(吉林大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130012 )

傳統(tǒng)的實(shí)體課堂教學(xué)由于受到時(shí)空和資源等的限制，使一些實(shí)驗(yàn)條件要求較高、危險(xiǎn)性大的實(shí)驗(yàn)無(wú)法針對(duì)本科生開(kāi)展教學(xué)[1]。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些難題提供了有效方法。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是學(xué)科專(zhuān)業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，極大地推進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開(kāi)放共享,推動(dòng)了高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新[2]。我國(guó)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)起步較晚而且存在的問(wèn)題比較突出，主要表現(xiàn)為針對(duì)某一門(mén)課或某一組相近實(shí)驗(yàn)較多，多學(xué)科交叉綜合較少；項(xiàng)目自產(chǎn)自用者多，共享的少等[3]。依托我校分子考古學(xué)的科研優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)的“古生物骨骼中痕量DNA提取”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使條件要求苛刻的“古DNA提取技術(shù)”面向本科生開(kāi)展教學(xué)成為現(xiàn)實(shí)。項(xiàng)目利用理科的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)手段解決歷史學(xué)科的考古問(wèn)題?？脊艑?zhuān)業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)這方面知識(shí)能夠拓寬視野，開(kāi)拓創(chuàng)新思維，促進(jìn)專(zhuān)業(yè)發(fā)展，但是這些文科類(lèi)學(xué)生在大學(xué)期間一般不進(jìn)行理科類(lèi)實(shí)體課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是他們獲取相關(guān)理科知識(shí)的有效途徑。項(xiàng)目可同時(shí)面向生物和考古學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生，打破了分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)一般只針對(duì)自然科學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的傳統(tǒng)，拓展了分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用場(chǎng)景和知識(shí)受眾，建立了文理交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生操作技能形成的促進(jìn)作用

操作技能是通過(guò)反復(fù)的動(dòng)作練習(xí)而形成的，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方式完成實(shí)驗(yàn)操作，所以人的直觀感覺(jué)認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一般只能促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的學(xué)習(xí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作技能的提高意義不大，但心理學(xué)研究表明，操作技能的學(xué)習(xí)既是身體的過(guò)程，也是心理的過(guò)程。在操作技能學(xué)習(xí)的不同階段，心理的參與度不同。操作技能的形成分為操作定向、操作模仿、操作整合和操作熟練4個(gè)階段[4-5]。如圖1所示，操作定向和操作模仿階段可以通過(guò)線(xiàn)上虛擬學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)部分學(xué)習(xí)目標(biāo)[6]。

圖1 分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容架構(gòu)、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法及對(duì)技能形成的促進(jìn)作用Figure 1 The content structure,teaching objectives,teaching methods of molecular biology virtual simulation experiment and its contribution to enhance student′s experiment skill

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)操作定向階段的學(xué)習(xí)目標(biāo)

操作定向是了解操作技能的基本動(dòng)作機(jī)制并在頭腦中建立起操作活動(dòng)的定向心理映象，是操作技能形成的初始階段。此階段的學(xué)習(xí)目標(biāo)是掌握操作活動(dòng)的基本知識(shí)要求，建立自我調(diào)控機(jī)制。當(dāng)學(xué)習(xí)者能準(zhǔn)確而清晰地建立有關(guān)操作技能的定向映象時(shí)，就可以有效地調(diào)節(jié)和控制實(shí)際的操作活動(dòng)[4-5]。

定向映象的建立是通過(guò)一系列心理活動(dòng)完成的。在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，教師通過(guò)示范使學(xué)生形成表象；再通過(guò)進(jìn)一步講解使學(xué)生在頭腦中正確區(qū)分動(dòng)作的內(nèi)部特性，建立有關(guān)動(dòng)作的基本概念，掌握動(dòng)作要領(lǐng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)虛擬動(dòng)畫(huà)更加直觀、形象地演示和解釋實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程和動(dòng)作要領(lǐng)，使學(xué)生快速地形成動(dòng)作表象，理解動(dòng)作的內(nèi)部特性，進(jìn)而掌握實(shí)驗(yàn)操作的要領(lǐng)，為操作模仿階段的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)操作模仿階段的部分學(xué)習(xí)目標(biāo)

操作模仿是對(duì)特定動(dòng)作方式或行為模式的再現(xiàn)，是個(gè)體對(duì)在操作定向階段學(xué)習(xí)到的基本動(dòng)作機(jī)制進(jìn)行的動(dòng)作嘗試。操作模仿的實(shí)質(zhì)是將頭腦中形成的定向映象以外顯的實(shí)際動(dòng)作表現(xiàn)出來(lái)。操作模仿對(duì)操作技能的形成具有兩方面作用。第一，模仿可以檢驗(yàn)已形成的動(dòng)作定向映象，使之更完善、鞏固、充實(shí)；第二，可以加強(qiáng)個(gè)體感受，即獲得初步的動(dòng)覺(jué)體驗(yàn)，有利于準(zhǔn)確的動(dòng)覺(jué)體驗(yàn)的產(chǎn)生[4]。雖然虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是以動(dòng)畫(huà)的形式模擬實(shí)驗(yàn)操作，但仍可以檢驗(yàn)、完善和鞏固已經(jīng)形成的關(guān)于實(shí)驗(yàn)操作的動(dòng)作定向映象，完成操作模仿的第一方面作用。環(huán)境沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)能夠虛擬聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)等人類(lèi)感知功能，它所模擬環(huán)境的真實(shí)性逼近現(xiàn)實(shí)世界。雖然難以提供現(xiàn)實(shí)的操作訓(xùn)練給學(xué)生帶來(lái)的全部個(gè)體感受，但仍可以為學(xué)生帶來(lái)有限的動(dòng)覺(jué)體驗(yàn)。

操作整合和操作熟練階段的學(xué)習(xí)主要以身體參與為主，心理過(guò)程參與度較低。這兩個(gè)階段的學(xué)習(xí)要充分體現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“虛實(shí)結(jié)合”的特性，開(kāi)展線(xiàn)上虛擬實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)下的實(shí)體課堂學(xué)習(xí)，使操作技能達(dá)到熟練的程度。但是線(xiàn)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生提供課后的“復(fù)習(xí)式練習(xí)”平臺(tái)，鞏固已經(jīng)獲得的操作技能[6]。

2 分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與制作

2.1 分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選題

古DNA研究是利用理科的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)解決歷史學(xué)科考古領(lǐng)域問(wèn)題，屬于文理交叉學(xué)科和考古學(xué)中的熱門(mén)研究領(lǐng)域[7-8]。古生物體在死亡后又歷經(jīng)成百上千年的侵蝕，內(nèi)源性和環(huán)境因素導(dǎo)致古DNA產(chǎn)生了毀滅性變化，完整度和含量極低[9]。在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中很容易被含量豐富的外源DNA污染[10]。進(jìn)行古DNA研究一般需要在專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)室并采用特殊的實(shí)驗(yàn)方法。因此，在實(shí)體課堂中進(jìn)行古DNA研究技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有難以克服的障礙。另外，古生物標(biāo)本的稀缺性導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)材料無(wú)法獲得是限制其本科教學(xué)的另一因素。開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是解決這一難題的有效途徑。吉林大學(xué)考古學(xué)科作為國(guó)家“一流學(xué)科”在分子考古和古DNA研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了豐碩的成果。選擇我校優(yōu)勢(shì)研究領(lǐng)域進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)可以充分發(fā)揮學(xué)科優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)高質(zhì)量教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)學(xué)科間、學(xué)校間優(yōu)質(zhì)資源共享。

2.2 項(xiàng)目定位與教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

鞏固、加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的操作技能是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的之一。無(wú)論是實(shí)體課堂實(shí)驗(yàn)還是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生操作技能的形成都至關(guān)重要。設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，要突出信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，按照教育心理學(xué)的基本原理，著重對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)流程的展示和示范。本項(xiàng)目的教學(xué)目的定位是以傳授實(shí)驗(yàn)理論和展示、解釋實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程為主線(xiàn)，兼顧儀器設(shè)備操作方法的示范。項(xiàng)目的教學(xué)對(duì)象以生物專(zhuān)業(yè)學(xué)生為主兼顧考古專(zhuān)業(yè)。針對(duì)不同的施教對(duì)象設(shè)計(jì)了差異化的教學(xué)目標(biāo)。項(xiàng)目針對(duì)生物專(zhuān)業(yè)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)：掌握古DNA與普通DNA提取的理論知識(shí)；掌握古生物標(biāo)本采樣方法和古DNA提取的方法；初步掌握相關(guān)大型儀器的使用方法。針對(duì)考古專(zhuān)業(yè)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)為：了解古DNA的提取步驟及每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟的作用；了解古DNA提取時(shí)所需要的設(shè)備及作用；了解古DNA提取時(shí)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境要求及人員的防護(hù)要求。

2.3 項(xiàng)目的內(nèi)容設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目以“古生物材料DNA提取實(shí)驗(yàn)”為技術(shù)主線(xiàn)，涵蓋古DNA研究所需的特殊實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和方法。把物理防護(hù)屏障與防護(hù)手段、樣品的前處理、骨骼樣品的破碎方法、熒光法測(cè)定微量DNA濃度等與普通生物材料DNA提取差異較大的知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)設(shè)為教學(xué)重點(diǎn)。

項(xiàng)目的整體知識(shí)體系由實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)、儀器設(shè)備訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)操作方法等3個(gè)模塊組成，各專(zhuān)業(yè)學(xué)生可以在沒(méi)有先修理論課的情況下獨(dú)立學(xué)習(xí)(圖1)。每個(gè)教學(xué)模塊設(shè)置了學(xué)習(xí)(練習(xí))和考核兩種功能模式，實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)、考核一體化。實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)模塊在提供文字材料的基礎(chǔ)上嵌入了教學(xué)錄像，增加了學(xué)習(xí)過(guò)程的趣味性和生動(dòng)性。儀器設(shè)備訓(xùn)練模塊為學(xué)生創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)操作前單獨(dú)學(xué)習(xí)儀器設(shè)備的學(xué)習(xí)空間。項(xiàng)目所使用的離心機(jī)、恒溫孵育器等實(shí)驗(yàn)儀器屬于實(shí)體課堂常用的教學(xué)儀器，學(xué)生在參加其他課程實(shí)體課堂教學(xué)前也可以利用該模塊進(jìn)行在線(xiàn)學(xué)習(xí)。學(xué)生先通過(guò)網(wǎng)上進(jìn)行虛擬操作和預(yù)習(xí)，形成了相關(guān)操作技能的心理映象，初步掌握了儀器設(shè)備使用方法，這時(shí)再參加實(shí)體儀器使用培訓(xùn)，學(xué)習(xí)效率得到了顯著提高[11]。通過(guò)將儀器設(shè)備訓(xùn)練設(shè)置成為獨(dú)立的教學(xué)模塊有效地拓展了本項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)課程間資源共享。

3 分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)應(yīng)用

3.1 “線(xiàn)上線(xiàn)下”混合式教學(xué)

針對(duì)考古學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)，項(xiàng)目設(shè)為選修，以“線(xiàn)上”學(xué)習(xí)為主。學(xué)生首先完成實(shí)驗(yàn)原理的學(xué)習(xí)，然后通過(guò)儀器訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)操作模塊的練習(xí)模式在平臺(tái)的智能指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)操作。

針對(duì)生物學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)，項(xiàng)目列入“分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)計(jì)劃，設(shè)為4學(xué)時(shí)。其中實(shí)驗(yàn)原理(含儀器設(shè)備的工作原理)部分1學(xué)時(shí)，儀器設(shè)備訓(xùn)練部分1學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)操作部分2學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)討論通過(guò)平臺(tái)在線(xiàn)進(jìn)行，不計(jì)學(xué)時(shí)。學(xué)生按要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，依次完成實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)、儀器訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)操作三部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)與考核。項(xiàng)目所涉及的主要內(nèi)容“生物材料DNA提取技術(shù)”會(huì)在實(shí)操項(xiàng)目“質(zhì)粒DNA的提取實(shí)驗(yàn)”和“種子萌發(fā)前后核酸提取實(shí)驗(yàn)”中進(jìn)行延伸和拓展。3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理和操作技能點(diǎn)具有相似性和重合性，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)知識(shí)的重復(fù)學(xué)習(xí)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。學(xué)生在線(xiàn)上學(xué)習(xí)后形成了一系列實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的心理映象并經(jīng)過(guò)了初步的操作模仿，在實(shí)體課堂上通過(guò)操作整合和操作熟練過(guò)程后，最終形成扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作技能。

3.2 學(xué)習(xí)效果綜合評(píng)價(jià)

項(xiàng)目通過(guò)形成性考核和終結(jié)性考核對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。形成性考核是指對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行全面測(cè)評(píng)，是對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)目標(biāo)的階段性測(cè)試。項(xiàng)目的形成性考核包括考勤(在線(xiàn)學(xué)習(xí)時(shí)的出勤情況)、在線(xiàn)操作成績(jī)和階段測(cè)試成績(jī)3部分，分別占綜合成績(jī)的10%、40%和30%。在線(xiàn)操作成績(jī)和階段測(cè)試成績(jī)通過(guò)各虛擬教學(xué)模塊的操作過(guò)程計(jì)分功能實(shí)現(xiàn)。學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)可以反復(fù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和考核，按規(guī)定操作次數(shù)或時(shí)間內(nèi)的最高成績(jī)計(jì)入總成績(jī)。終結(jié)性考核是指學(xué)期末的綜合性考試，包括實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)、線(xiàn)下操作等內(nèi)容，占綜合成績(jī)的20%。2020學(xué)年春季學(xué)期，受疫情影響開(kāi)展分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)線(xiàn)上教學(xué)。以生物科學(xué)、生物技術(shù)和唐敖慶班(拔尖人才班)的成績(jī)?cè)u(píng)定為例：3個(gè)專(zhuān)業(yè)共有86人，綜合成績(jī)?yōu)閮?yōu)秀、良好和中等的分別有20人、65人和1人，成績(jī)呈正態(tài)分布(圖2)。學(xué)生綜合成績(jī)均在70分以上，表明他們基本完成了預(yù)定學(xué)習(xí)目標(biāo)。在綜合成績(jī)的4個(gè)成分中，在線(xiàn)操作成績(jī)占比最高為40%，該部分成績(jī)采取形成性考核的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。學(xué)生在線(xiàn)進(jìn)行虛擬操作學(xué)習(xí)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤操作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提示扣分，使學(xué)生能夠及時(shí)知道扣分原因，以便在下一次的操作中進(jìn)行改正。通過(guò)反復(fù)的操作訓(xùn)練減少學(xué)生的錯(cuò)誤次數(shù)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。通過(guò)形成性考核的方式使學(xué)生的在線(xiàn)操作成績(jī)優(yōu)秀率達(dá)到49%，遠(yuǎn)高于期末終結(jié)性考試成績(jī)10%的優(yōu)秀率。對(duì)學(xué)生來(lái)講，形成性考核能夠更好地監(jiān)控自身學(xué)習(xí)效果，有利于他們及時(shí)發(fā)現(xiàn)和彌補(bǔ)學(xué)習(xí)中的薄弱之處，使其在學(xué)習(xí)過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)方法和時(shí)間分配，更好地完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。對(duì)教師，形成性考核是對(duì)學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)地觀察、反饋而做出的過(guò)程性評(píng)價(jià)，可以不斷地獲取相關(guān)教學(xué)反饋信息,以改進(jìn)教學(xué)手段[12]。通過(guò)形成性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合的方式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)不但能夠評(píng)價(jià)教與學(xué)的結(jié)果還能關(guān)注教與學(xué)的過(guò)程，使教與學(xué)中存在的問(wèn)題能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)糾正，最終提高項(xiàng)目教學(xué)效率和效果，提升教學(xué)質(zhì)量。

圖2 分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目考核成績(jī)分布Figure 2 The distribution of test scores in molecular biology virtual simulation experiment

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種新型的信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，是實(shí)體實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的有效補(bǔ)充。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以開(kāi)展受條件限制無(wú)法開(kāi)展或危險(xiǎn)性較大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)知識(shí)空間的有限性；學(xué)生完成虛擬學(xué)習(xí)后，還可以通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行復(fù)習(xí)，鞏固理論知識(shí)及實(shí)驗(yàn)技能，打破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的單次性；學(xué)生可以隨時(shí)、隨處通過(guò)終端進(jìn)行在線(xiàn)學(xué)習(xí)，打破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空限制性。因此開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，提升教學(xué)質(zhì)量的有效教學(xué)手段。