生物技術綜合實驗虛擬仿真項目的建設與應用

黃 晶，黃 江，潘光鈺，王 凜

（桂林醫(yī)學院生物技術學院，廣西 桂林 541199）

引言

信息技術已深深植根于高校教學改革之中，線上教學資源日漸豐富，線上線下混合式教學模式受到了廣大師生的擁護。特別是在新冠疫情持續(xù)的特殊階段，線上教育資源的建設和利用越來越受到學校和師生的重視[1]。傳統(tǒng)實驗教學中，教師是實驗技能傳授的主體，是中心，學生的實驗學習主要依賴于實體實驗室環(huán)境。學生是實驗技能的被動接受者，缺少主動鍛煉的必備條件，如：固定的學時數(shù)、耗材的限制、儀器設備的不足等等。隨著高校招生人數(shù)的不斷增加，實驗教學資源面臨巨大壓力。由于傳統(tǒng)課堂實驗教學條件和教學方式的限制，同時由于學生在專業(yè)知識掌握、學習興趣和動手操作能力方面的差異，都會影響學生實驗技能的掌握和創(chuàng)新思維的鍛煉。虛擬仿真實驗教學利用先進的信息技術，虛擬實驗場景，借助網(wǎng)絡和終端設備（計算機/智能手機），通過交互式操作進行線上實驗教學。虛擬仿真實驗教學實現(xiàn)了實驗課程從教師主導過渡為學生自主，體現(xiàn)了以學生為中心的個性化學習模式，提高了學生的學習主動性，促進了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]。虛擬仿真實驗豐富了實驗教學的形式，突破了實驗教學對客觀條件的依賴，將逐步成為不可替代的實驗教學平臺。

生物技術是理論學習與實驗操作并重的專業(yè)，其實驗教學的開展長期以來存在著一些制約因素，例如高成本實驗無法在教學中普及、珍稀實驗材料難以獲得、周期較長的實驗無法在有限的實驗學時內(nèi)開展等，這些問題都影響了本科生對生物技術專業(yè)相關實驗原理與操作方法的掌握[3-4]。生物技術虛擬仿真實驗可以解決傳統(tǒng)實驗教學面臨的成本不斷增加、教學空間、時間受限、實驗室安全等級不足等多方面限制。各高校可依據(jù)學校特點與專業(yè)特色構建虛擬仿真實驗平臺，設計多種模擬實驗操作的場景和流程[5-6]，拓展課堂實驗教學內(nèi)容，作為線下實驗教學的補充，提高學生專業(yè)技能，為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型生物技術人才提供支持[7]。

本文以桂林醫(yī)學院生物技術學院虛擬仿真實驗中心的分子生物學綜合實驗為例，介紹虛擬實驗在生物技術專業(yè)實驗教學中的探索和應用。

1 實驗項目建設內(nèi)容

在生物技術綜合實驗虛擬仿真項目建設中遵循“科學規(guī)劃、資源共享、突出重點、注重創(chuàng)新”的指導思想，堅持“學生為本，服務教學”的基本原則，將生物化學、分子生物學、細胞生物學、遺傳學、實驗動物學、生物工程、生物醫(yī)學工程等生物學學科的教學資源進行有機整合，以案例式教學模式，將已有的教學資源進行集成并數(shù)字化，把生物技術的相關課程聯(lián)系起來，建立虛擬仿真實驗項目。

生物技術綜合實驗由移液槍基本操作、重組質(zhì)粒提取、DNA瓊脂糖凝膠電泳、醫(yī)學細胞培養(yǎng)綜合實驗、普通PCR、紫外分光光度計檢測RNA 濃度及純度、RNA 逆轉錄、熒光定量PCR、蛋白質(zhì)變性與SDS-PAGE 電泳、Western Blot 檢測蛋白表達等多個虛擬仿真實驗組成。本實驗的目的是使學生熟悉分子細胞生物學實驗常規(guī)儀器設備的使用，包括移液槍、搖床、離心機、電泳儀、細胞培養(yǎng)箱、超凈工作臺、紫外分光光度計以及PCR 儀等；掌握質(zhì)粒提取、DNA 電泳、細胞培養(yǎng)、逆轉錄、熒光定量PCR、蛋白質(zhì)電泳及Western Blot 等原理、相關知識點和具體實驗操作；串聯(lián)分子克隆、細胞培養(yǎng)、基因相對定量檢測以及蛋白分析等知識，使學生所學分子生物學、細胞生物學、遺傳學以及基因工程等知識融會貫通，系統(tǒng)地掌握生物技術核心知識（見圖1）。

圖1

2 軟硬件環(huán)境

本虛擬仿真實驗系統(tǒng)通過Web 環(huán)境運行，利用手機或電腦可隨時訪問桂林醫(yī)學院醫(yī)學生物技術虛擬仿真實驗教學中心平臺，進行相關虛擬仿真實驗操作。

2.1 客戶端到服務器的帶寬要求

本平臺所含實驗項目，大小約為65 M，在2M帶寬下，客戶端在30 秒內(nèi)可完成下載。相關數(shù)據(jù)采用使用與下載協(xié)同模式，校園網(wǎng)和普通寬帶用戶均可正常訪問。平臺利用桂林醫(yī)學院信息中心服務器，設置并發(fā)響應數(shù)量為50，能夠完全滿足教學使用。

2.2 用戶操作系統(tǒng)要求

本虛擬仿真實驗平臺可在Windows xp 及以上版本運行，在IOS 或Android 系統(tǒng)可通過輸出htmal5 版本運行。瀏覽器需要安裝flash 插件，其他無特殊要求。計算機硬件配置要求：推薦使用Intel 雙核及以上級別CPU；系統(tǒng)內(nèi)存4G以上；顯示器分辨率不低于1280Χ720；系統(tǒng)硬盤剩余空間不小于4G。

3 虛擬仿真實驗教學的實施

本項目各實驗包含實驗目的，實驗原理，教學視頻，虛擬操作，結果展示，思考題等模塊。虛擬實驗操作分為：預習實驗，配制試劑、儀器使用，實驗操作，結果分析等。學生首先通過視頻示教的方法學習實驗原理及相關知識，掌握實驗所需試劑、耗材和儀器，然后通過模擬實驗操作全過程，牢記實驗程序及實驗操作的要點。

3.1 以瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA 純度為例

通過在虛擬實驗平臺模擬該實驗（圖2），可使學生掌握瓊脂糖凝膠的配置方法，電泳技術等。具體操作過程：將凝膠板放置在模具中→插入梳子→選擇正確的凝膠濃度→正確操作電子天平稱取瓊脂糖→加入適量的緩沖液→選擇正確的時間進行加熱→冷卻凝膠至60℃→加入適量核酸染料→倒入凝膠板中等待凝膠完全凝固→拔去梳子將凝膠放入電泳槽中→向電泳槽中加入適量的緩沖液→正確配置12 ul樣品→加樣→輸入適當電壓電泳30 min正確連接電泳儀→正確連接電泳儀→電泳結束后在凝膠成像系統(tǒng)里觀察條帶并判斷正確的條帶。

圖2

3.2 以堿裂解法提取質(zhì)粒DNA 為例

通過虛擬實驗操作（圖3），熟悉掌握質(zhì)粒DNA減法提取的原理、操作注意事項和試驗方法。具體操作過程：實驗前準備（滅菌）→收集細菌（離心）→重懸菌液（P1）→裂解菌液（P2）→酸堿條件下質(zhì)粒DNA復性→柱平衡→收集上清液→清洗質(zhì)粒DNA→曬干殘余漂洗液→洗脫質(zhì)?！鷾y濃度→質(zhì)粒保存。

圖3

傳統(tǒng)教學相關實驗課程需要教師提前做大量準備工作，實驗只能進行一次。如果學生實驗失敗，通常因?qū)W時數(shù)、實驗場地等原因失去重新操作的機會。利用虛擬仿真實驗，學生可以更好地預習和復習，掌握實驗中的關鍵節(jié)點，更好地完成課堂實驗。在生物技術綜合實驗虛擬仿真平臺上，學生們可隨時通過特定賬號在校內(nèi)外登錄網(wǎng)絡終端，聯(lián)網(wǎng)自學并進行模擬實驗，根據(jù)專業(yè)和興趣自主安排學習內(nèi)容、學習時間和進度，實現(xiàn)線上自主學習并獲得學習反饋評價，還可與教師進行討論、答疑及互動。

4 結語

教育部2015 年公布100 所國家級虛擬仿真實驗教學中心名單后，國內(nèi)虛擬仿真實驗建設加快了步伐。2018 年《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》要求進一步深化和拓展虛擬仿真實驗教學項目建設工作，助推信息技術與實驗教育教學深度融合，助推高等教育教學質(zhì)量變軌超車。[8]

生物技術虛擬仿真綜合實驗極大地減少了相關實驗教學設施的購置、節(jié)約了實驗成本，減少了實驗場地的使用，降低了教師資源的浪費，避免了有毒有害試劑對人體的傷害風險，從而保障經(jīng)濟、安全可靠的實驗教學，同時推動了教學信息化建設[9]。綜合實驗虛擬仿真項目建成后，同學們通過教學平臺虛擬完成實驗操作流程，得到實驗結果，系統(tǒng)還會對錯誤操作步驟進行糾正，指導學生正確地開展實驗。學生通過綜合虛擬仿真實驗的訓練，對相關知識進行預習和復習，或開展課外實驗，拓寬視野，提高獨立思考和創(chuàng)新實踐能力[10]?？傊?，生物技術綜合實驗虛擬仿真實驗項目能夠和真實實驗課堂相互補充，實現(xiàn)線上教育與線下教育的完美融合。