虛擬實驗在生物化學實驗教學中的作用探討*

齊彥 郭麗新 卞敬琦 趙程程 田苗

（1.黑龍江中醫(yī)藥大學實驗實訓中心；2.黑龍江中醫(yī)藥大學基礎醫(yī)學院）

冠狀病毒（COVID-19）是一種新興的病毒，給包括學術和研究在內的所有部門帶來了挑戰(zhàn)。生物化學和分子生物學的本科生和研究生在學習中受疫情的影響導致實驗室關閉，給學習和研究活動的開展帶來了一系列的不便。實驗不能正常進行，學校不得不采取措施開展線上教學。虛擬實驗室是一個強大的教育工具[1]，是在網(wǎng)絡支持下的實驗系統(tǒng)，使學生能夠在家里舒適的進行實驗，同時避免意外的干擾。

一、以實驗為基礎的學科教學受到的影響

目前流行的冠狀病毒（COVID-19）給研究和教育帶來了很多的不確定性。傳統(tǒng)的以實驗室為基礎的學科，包括生物化學和分子生物學都受到了實驗室關閉的嚴重影響。在全球范圍內，數(shù)百個學術界的實踐會議已經(jīng)暫停，而且，就冠狀病毒的發(fā)展來看，其有作為常駐病毒的趨勢，沒有任何明確的跡象表明短時間內社會秩序能夠完全恢復正常。

二、生物化學學科與虛擬實驗的特點

生物化學是醫(yī)學院校的一門基礎必修課，主要研究生命物質的化學組成、結構及生命活動過程中各種化學變化的規(guī)律，再加上其內容龐雜知識點又多，一直以來都是醫(yī)學生學起來比較吃力的一門課程；生物化學也是一門實踐性較強的學科，這就要求學科教學要做到實驗教學與理論教學計劃設置科學合理，以便于使抽象的概念更感性及具體化，晦澀的知識點充滿趣味，以期收到較好的教學效果。而且近年來醫(yī)學基礎課程在培養(yǎng)體系中存在授課學時壓縮，而又不能降低教學要求的“高級”操作，其結果是導致在學生有限學時下親自試驗的機會減少，很難滿足社會對醫(yī)學人才的素質要求。因而，如何設計開發(fā)出直觀的、形象的、可碎片化利用時間的實驗教學方式就成為提升生物化學教學質量的關鍵。

隨著社會的進步，計算機技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展迅速，催生了虛擬實驗技術，其在高等教育學校的實驗教學中應用越來越廣泛，其基本功能是輔助醫(yī)學生通過虛擬實驗加深對理論知識的理解和鞏固，培養(yǎng)學生自主解決問題的能力。虛擬實驗室概念是1989年美國弗吉尼亞大學威沃爾夫教授首次提出的。虛擬實驗室是基于網(wǎng)絡和計算機的應用技術，對傳統(tǒng)的各種教學實驗室進行虛擬化和數(shù)字化建設，即在網(wǎng)絡環(huán)境中構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象的三維場景，操作者可通過操作鍵盤、鼠標等設備，實現(xiàn)對實驗環(huán)境、實驗對象和實驗過程等的全方位模擬。因此，教師在設計實驗教學內容時，可依據(jù)實驗原理，充分利用虛擬儀器庫中可選用的儀器，自由構建合理的實驗方案，完成實驗過程。

三、虛擬實驗在實驗教學中的應用

（一）虛擬實驗引入教學的必要性

目前我國很多醫(yī)學高校生物化學實驗的教學都面臨著很多嚴峻的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)突出表現(xiàn)為兩點，第一，隨著現(xiàn)代生物技術的飛速發(fā)展，醫(yī)學高校生物化學實驗課內容的更新速度存在著很大的滯后性。主要是受到生物化學實驗用到的設備、試劑普遍昂貴，教學場地緊張、學生人數(shù)劇增和教學經(jīng)費不足的制約，導致在研究性實驗室中普遍應用的技術無法在實驗教學中實施。第二，多數(shù)生物化學實驗操作時間不連續(xù)，因此耗時較長，而有限的課時數(shù)限制了綜合性生物化學實驗內容的教學。

為了適應現(xiàn)代醫(yī)學教學的需求，在生物化學實驗教學中引入虛擬實驗，可集中分享和創(chuàng)新性地應用眾多資源，使得時間可被碎片化利用，能夠合理解決目前教學中存在的這些問題。虛擬實驗室可以打破傳統(tǒng)實驗教學中時間安排、試劑種類和實驗儀器的限制，幫助學生理解實驗原理，提高其綜合實驗操作能力，已被用于生物學、化學和自然科學的教學中。雖然COVID-19流感意外大范圍流行，學生依然可以在家里進行實驗。如電泳實驗中，由于學生等待的時間比較長，可以讓學生操作虛擬實驗室系統(tǒng)。而在進行核酸電泳實驗時，由于瓊脂糖凝膠制備時要用到有毒的溴化乙錠(EB)，學校出于學生的安全考慮，多數(shù)實驗室制備瓊脂糖凝膠都由教師代為操作，學生失去了親自操作的鍛煉機會。但在虛擬實驗系統(tǒng)中，學生都可以進行瓊脂糖凝膠制備實驗的虛擬操作。另外，還能夠通過虛擬實驗系統(tǒng)的示教功能，向學生演示本科實驗課程無法開設的科研實驗內容，使學生能了解一些新型實驗原理及技術。

（二）虛擬實驗不應該完全取代傳統(tǒng)實驗室中的物理實驗

虛擬實驗系統(tǒng)的實質是利用動態(tài)數(shù)學模型，通過對3D仿真實驗裝置進行交互式操作，實時模擬真實的實驗過程及實驗現(xiàn)象，產生與物理實驗匹配的實驗現(xiàn)象和實驗結果[2]。但虛擬實驗室不應該完全替代傳統(tǒng)實驗室中的物理實驗，因為傳統(tǒng)實驗室中的物理實驗更有質感、情感、倫理認同感。虛擬實驗中，實驗的操作步驟已經(jīng)程序化，其實驗結果也是預設的理論上的結果，然而實際的實驗過程會受到各種主客觀因素的影響，產生不同的實驗現(xiàn)象，甚至可能會出現(xiàn)實驗失敗的情況，虛擬仿真實驗的實驗數(shù)據(jù)有可能是“完美”的，不利于學生分析實際問題。然而，在學術環(huán)境中，虛擬實驗室和物理實驗室可以協(xié)同工作。尤其是現(xiàn)在在COVID-19流感大流行期間，學生可以不受任何時間限制地在網(wǎng)上進行虛擬實驗，脫離傳統(tǒng)實驗教學時間、試劑和實驗儀器的約束，有益于實驗原理的理解、實驗操作綜合能力的提高。此外，他們還能通過對虛擬實驗技術進行研究，為物理實驗室做更富有成效的準備。因此，在本科階段對學生進行虛擬實驗室使用的相關培訓能夠為他們將來在這些領域的職業(yè)發(fā)展做好準備。

（三）突發(fā)公共衛(wèi)生安全事件中虛擬實驗的作用

除了教育教學之外，在線模擬器也經(jīng)常被用于研究中。在研究方面，博士項目可以調查在大流行期間虛擬實驗室的影響。當今社會對具有物理和在線實驗多學科技能的科研人員的需求很大。此外，虛擬實驗室為博士生和博士后研究人員提供了獲得教學經(jīng)驗的好機會。

熟悉虛擬教育中的重要教學方法，如情景教學和探究式學習。參與虛擬實驗室的開發(fā)，將理論付諸實踐并評估報告[3]。因此，博士和博士后研究人員需要經(jīng)常與導師討論他們的教學貢獻，以避免研究中的潛在延誤造成不必要的損失。

（四）虛擬實驗是應急情況下在線實驗教學的解決方案

生物化學和分子生物學等實驗學科的學生受到最近社會距離規(guī)則的嚴重影響。然而，在COVID-19流感大流行期間，虛擬實驗室可以為本科生和研究生（博士生）提供一個強有力的高等教育解決方案。由于重要的實驗可以在家里在線進行，本科生可以在沒有任何干擾的情況下繼續(xù)學習。而博士研究人員可以研究生物化學和分子生物學虛擬實驗室在疫情大流行和新情況下的作用。此外，博士后學者和博士生可以通過幫助學術人員獲得虛擬教育的教學經(jīng)驗，以豐富完善應急情況下在線實驗教學的手段。

四、展望

利用虛擬實驗輔助教學，一定程度上能收到直觀、投入少、產出多的效果，給課程學習帶來便捷和助力，而且能將專業(yè)最前沿的知識及技術帶給學生，使教學不用受到現(xiàn)實中諸多條件的限制。

鑒于此，虛擬實驗作為輔助教學的實驗系統(tǒng)，其軟件研發(fā)單位應多與各高校教學一線使用部門溝通合作[4]，多采納教學使用部門有效的建議和意見；同時教師的教育理念也應與時俱進，將虛擬實驗系統(tǒng)自然地融入到教學中，強化學生自主學習能力，以推動醫(yī)學教育的優(yōu)質發(fā)展。