國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺在分子生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

王晶晶，董玥豐，汪言家

（合肥師范學(xué)院，安徽 合肥）

一 國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺概述

國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺(www.ilab-x.com，簡稱ilab 平臺)由高等教育出版社負(fù)責(zé)建設(shè)運營，是第一個匯集了全世界所有學(xué)科專業(yè)、覆蓋各個類別、層次的高校、直接向高等院校和社會學(xué)習(xí)者提供服務(wù)的實驗教學(xué)公共平臺。2017 年，教育部發(fā)布了《關(guān)于 2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》和《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》，并制定目標(biāo)在 2020 年認(rèn)定1000 項左右的示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目，以便大力推動現(xiàn)代信息技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，以及提高實驗教學(xué)質(zhì)量和水平[14-15]。2020 年2 月5 日，教育部印發(fā)《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》，其中就指出全天候?qū)姨摂M仿真實驗教學(xué)項目共享平臺進(jìn)行開放，免費提供其中的虛擬仿真實驗課程資源[1]。虛擬仿真實驗教學(xué)項目的確立，是高等教育的“互聯(lián)網(wǎng)+”實驗教學(xué)新形態(tài)的認(rèn)同和新發(fā)展，對高等教育中應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)起到了良好的推動作用[16-17]。而國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目結(jié)合了學(xué)生在新時代背景下的需求，注重學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)，重點解決實際實驗中不具備或存在困難的實驗條件，結(jié)合理論知識，使學(xué)生全面和形象地接受知識要點，促使實驗教學(xué)內(nèi)涵式發(fā)展[18-19]。目前該平臺已經(jīng)收錄3250 個認(rèn)定項目，其中生物科學(xué)類相關(guān)虛擬實驗課程共105 個。

分子生物學(xué)目前是生物科學(xué)類專業(yè)的一門必修課程，在生物學(xué)中占領(lǐng)了舉足輕重的位置，是一門發(fā)展迅猛且很靈活的新興學(xué)科。在生物科學(xué)中的分子生物學(xué)是研究核酸等生物大分子的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、功能及其重要性和規(guī)律性的科學(xué)， 是人類從分子水平上真正解開生物世界的奧秘， 由被動地適應(yīng)自然界轉(zhuǎn)向主動地改造和改組自然界的基礎(chǔ)學(xué)科[2]。分子生物學(xué)實驗也是許多農(nóng)林、醫(yī)學(xué)以及生物技術(shù)相關(guān)專業(yè)的本科生必修的實驗課程，因此熟練掌握分子生物學(xué)的實驗及操作技能十分重要，在教學(xué)內(nèi)容安排上，我們根據(jù)研究型分子生物學(xué)實驗教學(xué)大綱、學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)情及課時安排，以任峰等編著、華中師范大學(xué)出版社出版的《分子生物學(xué)實驗教程》教材為參考，依托生物學(xué)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心—分子生物學(xué)虛擬實驗平臺，選擇出分子生物學(xué)實驗內(nèi)容 11 項，包含DNA 提取、PC R 技術(shù)、DNA 分子凝膠電泳技術(shù)、大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞制備、大腸桿菌轉(zhuǎn)化、重組克隆篩選與鑒定、質(zhì)粒提取、質(zhì)粒酶切分析、DNA 凝膠回收等關(guān)鍵分子生物學(xué)技術(shù)，所有實驗內(nèi)容相互聯(lián)系、環(huán)環(huán)相扣，形成一個連續(xù)性的實驗體系，幫助學(xué)生能夠系統(tǒng)訓(xùn)練分子生物學(xué)實驗技能和培養(yǎng)基本的科研素養(yǎng)[13]。但分子生物學(xué)的實驗課程本身具有極高的抽象性，學(xué)生較難理解和吸收，往往在還沒有透徹理解其背后實驗原理時，就匆匆按實驗步驟進(jìn)行并完成實驗報告，沒有真正掌握實驗技能與內(nèi)容，更有許多本科院校分子生物學(xué)實驗課程囿于材料昂貴；實驗周期長，而學(xué)生實際課堂時間短；學(xué)校設(shè)備條件不足等原因，分子生物學(xué)實驗教學(xué)效果一直都不理想[3]。而ilab 平臺中的虛擬實驗課程利用3D 動畫直觀的展現(xiàn)分子生物學(xué)的抽象概念原理，真實的實驗過程，一定程度彌補了實體實驗中的缺點[4]。目前，引導(dǎo)學(xué)生更快更好的掌握專業(yè)知識、科學(xué)思維和實驗技能技巧，已經(jīng)成為了教師們當(dāng)前關(guān)注的焦點，以下將介紹ilab 平臺中可以在分子生物學(xué)實驗教學(xué)進(jìn)行應(yīng)用的兩門虛擬實驗課程。

（一） 抗逆基因的表達(dá)分析與分離克隆虛擬仿真實驗

抗逆基因的分離克隆與表達(dá)分析是高等院校分子生物學(xué)實驗技術(shù)的重要內(nèi)容，這門實驗?zāi)苁箤W(xué)生掌握聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，核酸提取純化，凝膠成像分析，基因工程操作等實驗操作技能，但由于實驗材料較貴，實驗的周期長，并且近年來實驗室安全事故頻發(fā)，考慮到操作過程中具有的生物安全風(fēng)險，普通院校難以開展該實驗，教學(xué)效果不佳而通過ilab 平臺中的抗逆基因的分離克隆與表達(dá)分析虛擬仿真實驗可以降低實驗門檻，避免高昂的材料費用浪費，充分保障了學(xué)生的實驗安全，促進(jìn)學(xué)生能夠更高效地掌握分子生物學(xué)的實驗操作技能。

該虛擬實驗過程分為四個步驟：第一步，獲取目的基因；第二步，基因表達(dá)載體的構(gòu)建；第三步，將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞；第四步，目的基因的檢測與表達(dá)。并且在教學(xué)實施過程中實驗系統(tǒng)會對各種樣品的進(jìn)行預(yù)處理，儀器操作條件設(shè)定與優(yōu)化，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析幫助學(xué)生更好進(jìn)行實驗。該實驗還具有實施操作步驟提示，錯誤項扣分，同步計時，跟蹤記錄等功能，學(xué)生可以根據(jù)系統(tǒng)反饋調(diào)整自己的實驗操作。這種實時評分反饋的功能可以充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，使其能夠全身心、認(rèn)真、全員投入到實驗過程中。實驗還能根據(jù)選擇的實驗樣品，模擬出樣品的凝膠成像譜圖，虛擬的實驗結(jié)果與真實情況是保持一致的?？鼓婊虻姆蛛x克隆與表達(dá)分析虛擬仿真實驗綜合了瓊脂糖凝膠電泳、DNA 的提取、PCR 擴(kuò)增、目的基因的連接與轉(zhuǎn)化等實驗操作技術(shù)，區(qū)別于以往單項實驗只針對單項實驗技術(shù)設(shè)置，這樣的綜合實驗更能加強(qiáng)實驗之間的聯(lián)系，讓學(xué)生充分了解到每一步在整體實驗中的作用和目的，提高學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力，同時也避免實驗安全事故的發(fā)生，降低了實驗門檻和成本。

（二） 放射性同位素標(biāo)記核酸分子雜交虛擬仿真實驗

放射性同位素標(biāo)記核酸分子雜交是分子生物學(xué)研究中非常常用的技術(shù)之一，但一些院校條件限制以及同位素輻射風(fēng)險考慮，許多本科院校的分子生物學(xué)專業(yè)無法進(jìn)行該實驗。而虛擬仿真實驗極大的解決了這兩個問題，幫助本科生掌握這些實驗技能。該實驗包括七個實驗?zāi)K，分為RNA 提??；變性膠RNA 電泳；Northern 印跡；預(yù)雜交；探針的制備與雜交；洗膜；放射自顯影壓片。每個實驗?zāi)K既自成體系又相互聯(lián)系，使學(xué)生在思想上形成系統(tǒng)的分子生物學(xué)實驗體系，而以往實驗教學(xué)往往只關(guān)注到當(dāng)下實驗的內(nèi)容和操作技能，忽視了不同實驗之間的關(guān)聯(lián)性、整體性和系統(tǒng)性，導(dǎo)致實驗之間脫節(jié)，學(xué)生無法理解實驗技術(shù)間的關(guān)聯(lián)[5]。這不利于學(xué)生構(gòu)建自己相對應(yīng)的生物學(xué)邏輯體系和思維框架，也是目前分子生物學(xué)實驗教學(xué)過程中遭遇到的困境和亟待提升的部分。

上課前學(xué)生可以在演示模式中進(jìn)行操作，預(yù)習(xí)實驗原理，了解實驗流程。在課內(nèi)運用該虛擬實驗中的練習(xí)題進(jìn)行問題式教學(xué)法，在每一個實驗?zāi)K中設(shè)置了問題，用問題的形式將整個實驗串聯(lián)起來，學(xué)生只有回答問題才能繼續(xù)實驗操作。例如在RNA提取實驗中依據(jù)RNA 特性對核酸提取步驟等進(jìn)行提問，學(xué)生回答后才能進(jìn)行實驗操作。通過這樣邊實驗邊思考可以極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實驗主動性，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和培養(yǎng)學(xué)生樂于探索、勤于動手的精神，提高學(xué)生運用知識的能力，提高學(xué)生的預(yù)習(xí)效率和實驗效率，而非傳統(tǒng)的“教師說，學(xué)生記”的實驗教學(xué)。

二 ilab 平臺在教學(xué)過程中的作用

（一） 實踐操作前進(jìn)行虛擬實驗預(yù)演，提高實驗成功率

教師在實驗課前指導(dǎo)學(xué)生利用虛擬實驗課程熟悉實驗方法、實驗原理、注意事項和易出錯之處，熟悉實驗操作的基本流程，使學(xué)生在真實實驗中能夠做到準(zhǔn)備充分、有的放矢[6]。實驗中重要或復(fù)雜的操作可以在虛擬實驗中多次演練，如抗逆基因的分離克隆與表達(dá)分析實驗中的RNA 的提取、目的基因的獲得、陽性植株的篩選等環(huán)節(jié)可以反復(fù)進(jìn)行演練，在實體實驗課開始之前，教師可以通過討論或者提問的方式檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)、預(yù)演情況，確保學(xué)生在實驗正式開始前已通過虛擬實驗熟悉各個實驗環(huán)節(jié)和注意事項，以提高實驗成功率，避免因不熟悉實驗步驟和內(nèi)容而導(dǎo)致實驗失敗、實驗材料浪費，甚至是嚴(yán)重的實驗安全事故。另外，需要注意的是教學(xué)方法是影響教學(xué)效果和實驗結(jié)果的重要因素之一，實驗教學(xué)之所以教學(xué)質(zhì)量不佳，很重要的原因是實驗教學(xué)方法單一、抽象，ilab 平臺為學(xué)生和教師提供了多元化的教學(xué)方法，集成預(yù)習(xí)、練習(xí)、復(fù)習(xí)三大學(xué)習(xí)過程于一體，能夠充分培養(yǎng)學(xué)生的元認(rèn)知能力，能夠培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，很大程度提高了實驗成功率和實驗教學(xué)質(zhì)量。

（二） 課堂教學(xué)虛實結(jié)合，提高實驗教學(xué)效果

傳統(tǒng)分子生物學(xué)部分實驗操作較為精細(xì)復(fù)雜，學(xué)生初次實驗操作容易失誤導(dǎo)致實驗的失敗而學(xué)生又很難獲得第二次實驗的機(jī)會。并且在以往的分子生物實驗課上，由于學(xué)生人數(shù)較多，實驗資源人均占有量比較少，常常是一個人做一圈人圍著看，很多學(xué)生很難獲得動手操作的機(jī)會[7]。傳統(tǒng)的實驗課程往往是以教師為主體的教學(xué)模式，學(xué)生容易忽視或遺漏一些操作細(xì)節(jié)，難以將分子生物學(xué)的實驗內(nèi)容從“空洞抽象”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢鎸嵕唧w”[12]，從而造成實驗結(jié)果不理想，教學(xué)效果差的另一個原因是分子生物學(xué)實驗過程是在微觀領(lǐng)域進(jìn)行的，學(xué)生的觀察視野范圍小，無法給予學(xué)生直接的正面反饋，進(jìn)而學(xué)生便覺得枯燥喪失學(xué)習(xí)興趣。ilab 平臺通過構(gòu)建高度仿真的實驗對象和虛擬實驗環(huán)境，將實驗過程以形象、逼真、立體的表現(xiàn)形式演示在每位同學(xué)的眼前，將學(xué)生平時不易觀察的現(xiàn)象直觀化，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，營造活躍的課堂實驗氛圍，以提高教學(xué)效果。實驗者像在真實的實驗室環(huán)境中完成實驗，每個學(xué)生都能夠投入到虛擬實驗環(huán)境中，親自去參與實驗?zāi)M、熟悉實驗步驟，從而幫助每位學(xué)生掌握實驗要領(lǐng)，達(dá)到教學(xué)大綱要求的教學(xué)效果。并且ilab 平臺中的虛擬實驗課程能夠提供一些院校無法提供的教學(xué)內(nèi)容，一些復(fù)雜程度大、具有危險性、實驗成本高的實驗，例如放射性同位素標(biāo)記核酸分子雜交，這些都可以通過虛擬實驗的形式進(jìn)行教學(xué)。這些課程不僅為教師提供了教學(xué)參考，也為學(xué)生擴(kuò)展知識、鞏固操作技能提供了平臺。ilab 平臺豐富的實驗種類可以拓寬學(xué)生的視野，拓展學(xué)習(xí)的深度與廣度，幫助學(xué)生系統(tǒng)全面地學(xué)習(xí)各分子生物學(xué)實驗，為學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

（三） 課后利用虛擬仿真實驗，幫助熟練掌握實驗技能

學(xué)生課后利用計算機(jī)登陸ilab 平臺便可以復(fù)習(xí)回顧實驗，滿足學(xué)生在快速、碎片化、離散的學(xué)習(xí)方式中掌握更多的專業(yè)知識，虛擬實驗使學(xué)生在課后也能如同在真實的實驗室環(huán)境下進(jìn)行實驗，更有利用學(xué)生實驗技能的提高[8]。一些高消耗、昂貴的及具有危險性的實驗，例如放射性同位素標(biāo)記核酸分子實驗，學(xué)生也可以隨時在課下以虛擬實驗的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)，而非以往傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式，離開實驗室或結(jié)束實驗后，只能憑借記憶回顧，虛擬實驗的形式可以更好、更真實的提高復(fù)習(xí)效率，鞏固實驗知識和技能。分子生物學(xué)實驗在教學(xué)中存在一定難度，需要學(xué)生具備一定的生物學(xué)基礎(chǔ)和實驗技能，虛擬仿真實驗則可以很好地緩解學(xué)生實驗基礎(chǔ)薄弱的問題，將復(fù)雜抽象的實驗問題與現(xiàn)象具體化，為不同進(jìn)度的學(xué)生提供了更多的學(xué)習(xí)工具與平臺。并且需要注意的是，大學(xué)生不同于中學(xué)生，從時間安排上來看，他們擁有更多的自由學(xué)習(xí)時間；從高等教育培養(yǎng)目標(biāo)來看，除基礎(chǔ)知識和技能學(xué)習(xí)外，大學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和探索創(chuàng)新能力也是教師亟需關(guān)注的，教師要抓住實驗課的機(jī)會，通過虛擬仿真實驗平臺更高效地培養(yǎng)學(xué)生多方面的能力，充分利用好大學(xué)時光，為未來進(jìn)一步的研究學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

三 結(jié)語

分子生物學(xué)發(fā)展快速，為了培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才，響應(yīng)如今社會要求，實驗課程的教學(xué)模式與方法應(yīng)不斷更迭，熟練運用多種創(chuàng)新平臺和方法，培養(yǎng)更多具備科學(xué)思維、創(chuàng)新精神及實踐動手能力的人才[12]。Ilab 平臺上的虛擬仿真實驗課程通過互聯(lián)網(wǎng)登陸可以全天候開放進(jìn)入虛擬仿真實驗室，學(xué)生可利用課余時間自由學(xué)習(xí)，滿足了不同學(xué)生的需求，大大提高了學(xué)習(xí)效率。并且由于虛擬仿真實驗以互聯(lián)網(wǎng)與計算機(jī)作為媒介，不受時間與空間限制，可以便捷地實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源的共享，使一些缺乏條件的本科院校學(xué)生也能接受教育。但是在教學(xué)過程中教師不能一味照搬虛擬實驗中的內(nèi)容，還要根據(jù)學(xué)生的已有實驗基礎(chǔ)和接受能力進(jìn)行設(shè)計教學(xué)，例如放射性同位素標(biāo)記核酸分子雜交虛擬仿真實驗中就還有部分遺傳學(xué)、生物化學(xué)的學(xué)科知識，教師在教學(xué)過程就要事先了解學(xué)生對遺傳學(xué)、生物化學(xué)知識的掌握情況，針對性的進(jìn)行解釋，以免影響分子生物學(xué)實驗的正常教學(xué)。還有虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)都是由電腦控制，所有的因素都是預(yù)先設(shè)計好的，而現(xiàn)實實驗中會出現(xiàn)各種突發(fā)意外狀況，所以虛擬仿真實驗就很難培養(yǎng)學(xué)生面對突發(fā)狀況的判斷能力與應(yīng)對能力[9]。因此，教師教學(xué)過程中還是應(yīng)當(dāng)以實體實驗為重點，虛擬仿真實驗作為補充和輔助，兩者結(jié)合使用可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，虛擬仿真實驗中未表現(xiàn)出的問題，教師在實體實驗中發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯誤并給與糾正，學(xué)生在試誤改正的過程中加深對實驗的理解，線上進(jìn)行預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，線下進(jìn)行討論與探究，從而達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

另外ilab 平臺上不同的虛擬實驗對瀏覽器的要求不同，所以需要安裝多種類型的瀏覽器軟件，如谷歌瀏覽器、IE 瀏覽器和360 瀏覽器。最新的ilab平臺還可以實現(xiàn)多屏互動教學(xué)、分組教學(xué)、研討型教學(xué)，能夠?qū)⒒迎h(huán)節(jié)設(shè)計納入到整個實驗教學(xué)，對于引導(dǎo)學(xué)生向主動型學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)型、培養(yǎng)國家所需要的創(chuàng)新型人才具有現(xiàn)實意義[10]。ilab 平臺中還有許多國家級精品虛擬仿真實驗課程，例如生物大分子分離純化綜合設(shè)計虛擬仿真實驗，虛擬仿真基因工程方法制備ScFv 抗體實驗，教師教學(xué)過程可以充分利用這些資源進(jìn)行教學(xué)，幫助學(xué)生更快更好學(xué)習(xí)分子生物學(xué)。虛擬仿真實驗作為一種新興的教學(xué)手段和平臺，越來越多地走進(jìn)我們的工作、生活、學(xué)習(xí)中，改變傳統(tǒng)的課堂學(xué)習(xí)模式，使得學(xué)生學(xué)習(xí)不受空間、時間、地點的限制，為學(xué)校設(shè)施設(shè)備不足提供新策略，提升了教師授課水平，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，增添了課堂學(xué)習(xí)和實驗氛圍，激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造力，為新課程改革提供了幫助[11]。