生物化學(xué)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)與教學(xué)探索

史 影， 王偉偉， 周耐明， 霍穎異， 應(yīng)穎慧， 吳 敏

（浙江大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院；b.生物學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，杭州 310058）

0 引 言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有不受時(shí)間、空間及實(shí)驗(yàn)條件制約，能多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)并便于共享推廣的優(yōu)點(diǎn)，作為線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，成為目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)一個(gè)新的發(fā)展方向［1-4］。目前所建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往是一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，時(shí)長2 ～4 學(xué)時(shí)，一般獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有的也融入某門課程中，成為課程體系中的一環(huán)。作為優(yōu)質(zhì)稀有線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與線上線下課程的融合機(jī)制，有助于促進(jìn)線上線下“金課”建設(shè)，提升教學(xué)效果。同時(shí)多途徑探索虛擬仿真項(xiàng)目與多門課程的有效融合等問題有助于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的拓展應(yīng)用和最大程度地發(fā)揮育人成效。

我校建設(shè)的“G蛋白偶聯(lián)受體FPR1（甲酰肽受體1）全基因克隆、真核表達(dá)和功能測定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”以虛擬仿真的方式，按研究型思路，全線模擬了G 蛋白偶聯(lián)受體FPR1 從頭克隆、真核表達(dá)及功能研究的整個(gè)過程，涉及生物信息學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生物化學(xué)多個(gè)領(lǐng)域的研究方法和技術(shù)。該綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與高級生物化學(xué)實(shí)體實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了虛實(shí)結(jié)合教學(xué)，同時(shí)輔助生物化學(xué)、遺傳學(xué)、基因工程和細(xì)胞生物學(xué)等實(shí)驗(yàn)課程，促進(jìn)學(xué)生綜合性實(shí)驗(yàn)技能的掌握和研究型思路的培養(yǎng)。

1 綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與框架

G 蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCR）是最大最多樣化的細(xì)胞膜蛋白家族之一，廣泛存在于從真菌到哺乳動(dòng)物的生命體中。GPCR 通過接收胞外信號發(fā)揮作用，包括光、氣味、離子、激素、趨化因子、神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)肽和蛋白質(zhì)等。GPCR 和配體結(jié)合后經(jīng)歷構(gòu)象變化，與細(xì)胞內(nèi)的G 蛋白偶聯(lián)，啟動(dòng)下游復(fù)雜的信號途徑，實(shí)現(xiàn)對生物體的功能調(diào)控［5-7］。GPCR調(diào)節(jié)廣泛的關(guān)鍵生理功能，包括神經(jīng)傳遞、血壓、心臟活動(dòng)、血管完整性、組織損傷后止血、葡萄糖和脂質(zhì)代謝、感覺知覺、內(nèi)分泌和外分泌腺功能的調(diào)節(jié)、免疫反應(yīng)、多種發(fā)育過程以及干細(xì)胞的功能和維持等。因此GPCR一直是生物學(xué)研究熱點(diǎn)及研發(fā)新藥的靶標(biāo)。近年來有多個(gè)獨(dú)特的GPCR和配體復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)獲得解析，這些發(fā)現(xiàn)為藥物研發(fā)和設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)［8-9］。因此有關(guān)GPCR的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、疾病及藥物研發(fā)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識及科學(xué)前沿。

本項(xiàng)目選擇了G蛋白偶聯(lián)受體FPR1 作為實(shí)驗(yàn)研究對象。FPR1 又是趨化物質(zhì)受體，在炎癥反應(yīng)免疫細(xì)胞趨化過程中起重要作用。整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)從FPR1 的基因分析及全基因克隆開始，獲得全長人源FPR1 基因，并克隆到真核表達(dá)載體中。然后將FPR1基因轉(zhuǎn)染到細(xì)胞中，用熒光蛋白標(biāo)簽技術(shù)，對FPR1 蛋白的定位及內(nèi)吞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并對FPR1 介導(dǎo)的細(xì)胞趨化作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生線上線下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對FPR1 的功能進(jìn)行更深入研究。整個(gè)實(shí)驗(yàn)跨度長、復(fù)原性高、呈現(xiàn)了蛋白質(zhì)功能研究的基本思路。

整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)背景介紹、實(shí)驗(yàn)和互動(dòng)3 大模塊。實(shí)驗(yàn)?zāi)K中又分解成實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作3 部分?；?dòng)模塊穿插在實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，以操作提示、試劑說明、實(shí)驗(yàn)方案思考、實(shí)驗(yàn)考核以及課后鞏固等多種形式呈現(xiàn)（見圖1）。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)框架

1.2 實(shí)驗(yàn)建設(shè)特色

（1）大跨度綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)首先提出

FPR1 功能研究命題，然后從源頭——基因分析開始，通過基因克隆獲得人源FPR1 基因，再進(jìn)行真核細(xì)胞轉(zhuǎn)染，研究FPR1 介導(dǎo)的細(xì)胞趨化作用和FPR1 內(nèi)吞特征。涉及生物信息學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等多個(gè)知識點(diǎn)，是一項(xiàng)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有助于培養(yǎng)學(xué)生研究型思維和綜合型實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

（2）采用視頻制作介紹實(shí)驗(yàn)背景，圖文并茂及二維動(dòng)畫闡述重要概念和原理。通過視頻制作，由淺入深地介紹GPCR 的相關(guān)背景知識，包括GPCR 7 次跨膜結(jié)構(gòu)、GPCR功能及相關(guān)疾病與藥物研發(fā)、GPCR 三維空間結(jié)構(gòu)、GPCR 介導(dǎo)的信號通路及本項(xiàng)目涉及的甲酰肽受體FPR1 等，立體呈現(xiàn)GPCR 的功能及研究現(xiàn)狀（見圖2）。同時(shí)鏈接視紫紅質(zhì)、CCR5 等經(jīng)典GPCR三維結(jié)構(gòu)模型，鏈接RCSB PDB 蛋白數(shù)據(jù)庫及經(jīng)典文獻(xiàn)，促進(jìn)對GPCR三維結(jié)構(gòu)的開放式自主學(xué)習(xí)。

圖2 實(shí)驗(yàn)背景視頻介紹

原理部分知識點(diǎn)分解，盡可能采用圖文并茂或二維動(dòng)畫方式講述重要概念和原理，幫助學(xué)生掌握并建立實(shí)驗(yàn)思路。例如在闡述GPCR介導(dǎo)的信號通路原理部分，利用二維動(dòng)畫形式闡述GPCR 介導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的激活和傳遞、所涉及下游重要蛋白、第2 信使變化以及偶聯(lián)不同亞型G蛋白產(chǎn)生的不同信號通路（見圖3）。

圖3 GPCR介導(dǎo)的信號通路原理動(dòng)畫介紹

（3）沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行全方位模擬，包括實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)過程的仿真。軟件以現(xiàn)場真實(shí)場景數(shù)據(jù)、儀器數(shù)據(jù)和典型設(shè)備數(shù)據(jù)為依據(jù)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器設(shè)備。盡可能真實(shí)體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的狀態(tài)、變化及效果。實(shí)驗(yàn)操作（見圖4）可選擇教學(xué)模式、練習(xí)模式和考核模式。在教學(xué)模式學(xué)習(xí)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的流程、操作、細(xì)節(jié)及注意事項(xiàng)，在練習(xí)模式親自實(shí)踐操作，在考核模式進(jìn)行考核自查。通過教學(xué)——練習(xí)——考核的多次重復(fù)實(shí)踐，逐漸深化鞏固相關(guān)原理、操作和實(shí)驗(yàn)思路。同時(shí)難點(diǎn)步驟配備了實(shí)體操作視頻及教學(xué)視頻，加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的實(shí)體感性認(rèn)識。

（4）多點(diǎn)設(shè)計(jì)互動(dòng)與評價(jià)，引入啟發(fā)式教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)多點(diǎn)設(shè)計(jì)人-機(jī)互動(dòng)，可以提高實(shí)驗(yàn)趣味并適時(shí)解決問題，提升實(shí)驗(yàn)成效。本實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)過程中的互動(dòng)設(shè)計(jì)、考核和拓展作業(yè)等，多點(diǎn)、面地與學(xué)生展開互動(dòng)交流，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

圖4 實(shí)驗(yàn)操作動(dòng)畫

實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)操作提示、試劑說明、要點(diǎn)提醒等環(huán)節(jié)，及時(shí)提醒學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)細(xì)節(jié)、注意事項(xiàng)等，幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)原理及關(guān)鍵步驟，學(xué)生反饋這些互動(dòng)設(shè)計(jì)幫助很大。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)還設(shè)置實(shí)驗(yàn)方案思考。例如在真核細(xì)胞轉(zhuǎn)染操作之后提出了多質(zhì)粒同時(shí)轉(zhuǎn)染，以及穩(wěn)定轉(zhuǎn)染細(xì)胞株的篩選等思考內(nèi)容；在內(nèi)吞實(shí)驗(yàn)操作后提出了如何用內(nèi)吞實(shí)驗(yàn)篩選GPCR拮抗劑的實(shí)驗(yàn)思考，并提供了可選方案。通過互動(dòng)啟發(fā)學(xué)生去思考實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和設(shè)計(jì)，進(jìn)一步探索實(shí)驗(yàn)方案和方法。

評價(jià)體系除了在考核模式下，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生實(shí)際操作及提問回答打分以及課后鞏固題庫進(jìn)行自動(dòng)評分以外，教師還可以通過學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和作業(yè)等，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。同時(shí)課后鞏固中還布置了與研究思路相關(guān)的拓展型思考題，幫助學(xué)生舉一反三，拓展實(shí)驗(yàn)思路，培養(yǎng)學(xué)生研究型實(shí)驗(yàn)思維。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入線上線下教學(xué)探討

2.1 虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐

該綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入高級生物化學(xué)課程進(jìn)行了線上線下相結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐。①虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系更完整。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從目的基因分析和克隆開始，直到功能檢測。實(shí)體實(shí)驗(yàn)從流程中的質(zhì)粒提取和細(xì)胞培養(yǎng)開始，一直到功能檢測。②虛擬仿真實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)流程和操作要點(diǎn)，實(shí)體實(shí)驗(yàn)側(cè)重于親手操作和靈活實(shí)踐。例如，在細(xì)胞轉(zhuǎn)染和功能測試部分，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使原理更生動(dòng)，注意事項(xiàng)的呈現(xiàn)更完整。③在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上實(shí)體實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及操作內(nèi)容可以更深入豐富。例如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只采用了Lipofactamine 2000一種轉(zhuǎn)染方法，實(shí)體實(shí)驗(yàn)采用了Lipofactamine 2000、XtremeGENE HP DNA轉(zhuǎn)染和磷酸鈣轉(zhuǎn)染3 種方法，并對其他功能如轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子CRE（cAMP響應(yīng)元件）調(diào)控下游基因轉(zhuǎn)錄以及GPCR介導(dǎo)的下游ERK1/2 信號通路調(diào)控進(jìn)行了檢測等［10-11］。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入機(jī)制探索

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在融入線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，需要摸索其融入的方式方法，嘗試合適的教學(xué)體系和教學(xué)途徑，以獲得更好的教學(xué)效果。

首先利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)原理、操作流程及要點(diǎn)以及學(xué)習(xí)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的前期工作，并熟悉實(shí)驗(yàn)場景和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是非常有效的教學(xué)途徑。在虛實(shí)重合的部分，可先通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作，然后在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中促成學(xué)生自主展開實(shí)踐該部分內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的能力。后續(xù)在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中再引導(dǎo)學(xué)生做更廣泛深入的設(shè)計(jì)、進(jìn)行更豐富及復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐。實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，重新回爐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的考核模式，加強(qiáng)對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)思路和內(nèi)容以及實(shí)體實(shí)驗(yàn)更深入地思考。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)的有效融合，不僅是教學(xué)內(nèi)容的相互補(bǔ)充，更可在教學(xué)效果上起到互相促進(jìn)的作用。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)拓展與應(yīng)用

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提取及應(yīng)用

為促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目最大程度地發(fā)揮育人成效，充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，本項(xiàng)目內(nèi)容被提取剖析，輔助多門課程學(xué)習(xí)。例如在人體代謝與健康通識課程中，提取了本項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中GPCR 介紹視頻及FPR1 膜定位及內(nèi)吞運(yùn)動(dòng)用于介紹蛋白質(zhì)功能及正確運(yùn)輸，同時(shí)提取了虛擬仿真項(xiàng)目中基因組DNA提取及濃度測定實(shí)驗(yàn)用于核酸代謝教學(xué)等。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)用于課程銜接

作為一項(xiàng)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，本項(xiàng)目嘗試在生物化學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程和細(xì)胞生物學(xué)等實(shí)驗(yàn)課程之間搭橋銜接。例如在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)之后，分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)或基因工程實(shí)驗(yàn)之前，選用該綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對有關(guān)基因分析及克隆的部分進(jìn)行預(yù)熱；選用真核細(xì)胞轉(zhuǎn)染及細(xì)胞功能實(shí)驗(yàn)對相關(guān)的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行預(yù)熱等。通過一項(xiàng)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將不同的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程串聯(lián)起來，呈現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的綜合性和復(fù)雜性。

4 結(jié) 語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向之一，可以把一些重要的耗時(shí)費(fèi)材、現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)以線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)。同時(shí)它還具有可重復(fù)、圖文及動(dòng)畫并茂等特點(diǎn)，對于闡述復(fù)雜實(shí)驗(yàn)背景、原理和細(xì)節(jié)等具有獨(dú)特優(yōu)勢。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為通過線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行人才培養(yǎng)的重要途徑［12-13］。我校建設(shè)的“G蛋白偶聯(lián)受體FPR1 全基因克隆、真核表達(dá)和功能測定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”以研究型思路，打造了一個(gè)完整的基礎(chǔ)型技術(shù)路線，同時(shí)引入了一些開放式思考。該項(xiàng)目可以單獨(dú)開展，也可以融入生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)等課程中實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合教學(xué)。項(xiàng)目實(shí)施促進(jìn)了學(xué)生對整體實(shí)驗(yàn)原理和技能的學(xué)習(xí)，促進(jìn)了學(xué)生對大跨度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和技術(shù)路線的把握。項(xiàng)目在融入線上線下相結(jié)合的教學(xué)過程中，對融入機(jī)制進(jìn)行了探討，有助于課程內(nèi)容及教學(xué)效果的提升。且綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在輔助教學(xué)及課程銜接中可發(fā)揮其獨(dú)特作用［14-16］。