虛擬仿真實驗在抗體工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用探討

朱培煒，付欣，鄧小亮

(廣州醫(yī)科大學(xué)生科院生物學(xué)實驗中心，廣東 廣州 511436)

伴隨著計算機技術(shù)的不斷改進(jìn)和提升，虛擬仿真技術(shù)也逐漸成熟和普遍化，該技術(shù)以系統(tǒng)技術(shù)、相似原理、信息技術(shù)和其應(yīng)用范圍內(nèi)相關(guān)的專業(yè)技術(shù)為本原，以各種物理效應(yīng)和計算機設(shè)備為載體，采用系統(tǒng)模型對遐想中或是現(xiàn)實的系統(tǒng)開展實驗探討的一項綜合性技術(shù)[1]。虛擬仿真實驗依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在的局限性，將現(xiàn)實中的實驗環(huán)境和實驗對象高度虛擬化，使抽象的內(nèi)容具體化、形象化和可視化，從而增加實驗本身的趣味性，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，也使實驗教學(xué)變得更加多樣化，大大提高了教學(xué)質(zhì)量，為教師的教學(xué)提供了不少的便利[2]。有文獻(xiàn)表明虛擬仿真技術(shù)有利于教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生實驗技能的提高，近些年該技術(shù)在高校實驗教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，在一定程度上對傳統(tǒng)實驗教學(xué)起到了有效的輔助和補充作用[3]。

隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，抗體工程技術(shù)已經(jīng)成為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的主力軍，尤其在生物技術(shù)制藥領(lǐng)域占有重要地位，為新藥開發(fā)、疾病診斷及防治開拓了新的前景[4]。抗體工程作為生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生的一門必修課程，通過理論與實驗教學(xué)，主要介紹現(xiàn)代抗體制備和應(yīng)用方面的基礎(chǔ)知識和發(fā)展趨勢，其內(nèi)容主要有動物免疫、基因工程、蛋白質(zhì)工程、抗體轉(zhuǎn)基因動物的制備以及各種新型抗體的臨床應(yīng)用等[5]。作為一門對實驗實操能力要求較高的課程，抗體工程實驗教學(xué)介紹了包括細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)及生物化學(xué)等多個相關(guān)實驗技術(shù)，如細(xì)胞培養(yǎng)、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction, PCR)等，是一個典型的綜合性實驗內(nèi)容。該課程將多個相對獨立的實驗技術(shù)匯聚到一個完整的實驗體系中，能夠讓學(xué)生更形象生動的了解和認(rèn)識細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)以及免疫學(xué)，鞏固其在理論方面的基本知識，同時也使學(xué)生對生物技術(shù)有一個更深層次的認(rèn)識，進(jìn)而提高其進(jìn)行科學(xué)研究的潛能和不斷進(jìn)行科學(xué)探索的興趣。由此可見抗體工程實驗教學(xué)在生物技術(shù)專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)方面發(fā)揮著非常重要的作用。本文通過分析傳統(tǒng)抗體工程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀與不足，對虛擬仿真實驗應(yīng)用于抗體工程實驗教學(xué)進(jìn)行探討，以期為高校進(jìn)行虛擬仿真實驗教學(xué)提供參考。

1 傳統(tǒng)抗體工程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀與不足

隨著我國現(xiàn)代化教育體制改革的不斷完善，生物技術(shù)專業(yè)在各個高校已經(jīng)廣泛開設(shè)，而抗體工程課程作為其中的核心課程也隨即成為生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生的必修課程，這一課程的開設(shè)已成為我國生物技術(shù)專業(yè)高級人才培養(yǎng)的重要手段之一，但是傳統(tǒng)的抗體工程實驗教學(xué)存在以下一些問題。

1.1 教學(xué)模式和方法相對落后

抗體工程實驗教學(xué)是抗體工程教學(xué)體系中比較重要的環(huán)節(jié)，是抗體工程教學(xué)不可或缺的一部分。通過抗體工程實驗教學(xué)，實現(xiàn)理論與實驗相結(jié)合，能夠促進(jìn)學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解，鍛煉學(xué)生基礎(chǔ)的實驗操作技能，有利于學(xué)生形成良好的科學(xué)素養(yǎng)和提高分析解決問題的能力。傳統(tǒng)的抗體工程課程實驗教學(xué)中，教師在上課前就幫上課的學(xué)生準(zhǔn)備好了大多數(shù)實驗材料，上課時教師對本節(jié)課的實驗內(nèi)容進(jìn)行講解和演示，老師演示完后學(xué)生僅僅是重復(fù)演示實驗，這種教學(xué)模式缺乏多種形式的實驗探究，容易造成學(xué)生只知其然而不知其所以然，其弊端顯而易見。其實抗體工程教學(xué)本身的理論比較簡單，而實際的實驗操作則較為困難，僅僅依靠教師較刻板化的實驗步驟和課堂上簡單的示教，學(xué)生往往很難充分理解實驗內(nèi)容和掌握操作要領(lǐng)，導(dǎo)致其在實驗操作過程中容易出現(xiàn)錯誤，如在細(xì)胞培養(yǎng)步驟中因操作不規(guī)范出現(xiàn)細(xì)胞污染；同時，由于學(xué)生對上課時的實驗操作記憶不深刻，因而實踐技能掌握程度低，學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力也難以得到提升。

1.2 教學(xué)資源短缺，教學(xué)效果不理想

近年來隨著全國各個高校的招生規(guī)模不斷擴大，學(xué)生人數(shù)呈現(xiàn)直線上升的趨勢，導(dǎo)致經(jīng)費、場地、儀器、設(shè)備、教師等資源相對匱乏[3]。在這種情況下，往往會出現(xiàn)理論課程教學(xué)和實驗課程教學(xué)難以同步，實驗課程先于理論課程開設(shè)，導(dǎo)致學(xué)生沒有學(xué)習(xí)理論知識而盲目進(jìn)行實驗；或理論教學(xué)的開課時間與實驗教學(xué)開課時間的間隔過長，導(dǎo)致理論知識與實驗無法做到無縫銜接，例如抗體工程課程設(shè)置時間一般為高年級學(xué)生，但其基礎(chǔ)理論課程基因工程、蛋白質(zhì)工程等往往于低年級階段已經(jīng)安排學(xué)習(xí)。此外，由于師資力量、場地、儀器等方面的限制，導(dǎo)致學(xué)生不得不以較多的人數(shù)為一組，無法滿足每個學(xué)生都獨立進(jìn)行實驗操作，或有些學(xué)生完全依賴其他組員不參與實驗等現(xiàn)象，教學(xué)效果并不是很理想。

1.3 實驗項目開設(shè)數(shù)量較少，學(xué)習(xí)深度受限

實驗內(nèi)容直接決定教學(xué)效果的好壞。抗體工程的實驗教學(xué)要求學(xué)生掌握抗體制備相關(guān)技術(shù)，抗體制備技術(shù)經(jīng)歷了多克隆抗體、單克隆抗體和基因工程抗體三個階段[4]。但是部分實驗課程耗時較長、難度大，如單克隆抗體的制備就需要分解為實驗前準(zhǔn)備、細(xì)胞觀察、動物免疫、細(xì)胞融合、選擇雜交瘤、檢測抗體、雜交瘤細(xì)胞的克隆化、凍存以及單克隆抗體的大量生產(chǎn)等幾大部分[6]，因此只能選取其中一些相對重要且常用的實驗技術(shù)，如質(zhì)粒抽提、細(xì)胞培養(yǎng)、免疫熒光檢測、生長抑制檢測等安排學(xué)生在實驗教學(xué)中動手參與。而這些安排的實驗中有些步驟由于課時的限制不得不由老師代做，如細(xì)胞培養(yǎng)實驗分為細(xì)胞復(fù)蘇、傳代、凍存等步驟，但老師課前需要幫學(xué)生做細(xì)胞復(fù)蘇，然后再由學(xué)生將老師提供的細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)、傳代。這大大降低了實驗課程的深度與廣度，不利于培養(yǎng)全面的生物技術(shù)人才。

2 虛擬仿真實驗應(yīng)用于抗體工程實驗教學(xué)的優(yōu)勢

2.1 促進(jìn)教學(xué)模式的改革，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，雖然教師布置了課前預(yù)習(xí)，讓學(xué)生課前完成實驗報告的前半部分包括實驗原理和實驗步驟，到實驗實操課上，教師會對實驗流程進(jìn)行一次演示，但由于課前預(yù)習(xí)相對抽象，而老師的示教因時間等方面的限制較為簡單，部分學(xué)生就很難掌握操作要領(lǐng)，導(dǎo)致學(xué)生實驗過程出現(xiàn)失誤而影響實驗結(jié)果。通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)，學(xué)生課前實驗預(yù)習(xí)、練習(xí)不再受時間和空間限制，可隨時隨地進(jìn)行虛擬實驗操作，熟悉各個實驗項目流程，規(guī)范操作方法，掌握注意事項，并可將虛擬實驗過程中遇到的問題或難題帶到實體實驗中去驗證和解決，這樣學(xué)生在實際操作中可以減少不必要的失誤，提高實驗成功率，進(jìn)而提高學(xué)生進(jìn)行實驗的積極性。課后學(xué)生可根據(jù)自身情況，對自己實操過程中不熟練或自己感興趣的部分反復(fù)練習(xí)，加深印象，使自己的實驗技能更上一層樓；同時虛擬仿真實驗系統(tǒng)借助多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、傳感技術(shù)，構(gòu)建了一種高度智能化、現(xiàn)實化的實驗教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生在進(jìn)行虛擬實驗過程有種身臨其境的感覺，實現(xiàn)互動實驗教學(xué)，如操作錯誤時會對操作者進(jìn)行提示，并要在糾正過后才能進(jìn)入下一步操作流程，這極大限度地增加了學(xué)習(xí)的趣味性，并提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 節(jié)省教學(xué)資源，提高學(xué)習(xí)效率

目前，大部分高校由于擴招，仍然會出現(xiàn)經(jīng)費緊張，師資力量薄弱，課時不足，實驗場地、儀器以及試劑緊缺等問題，每個學(xué)生獨立完成每一個實驗項目的目標(biāo)難以實現(xiàn)。而虛擬仿真實驗系統(tǒng)的應(yīng)用可在一定程度上解決這樣的難題，現(xiàn)在由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)達(dá)和手機、電腦的普及，學(xué)生以手機或電腦為工具，可實現(xiàn)在任何時間、任何地點登陸虛擬仿真實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)，其打破了時間和空間的限制，可以反復(fù)操作且具有共享性。另外，通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)，可學(xué)習(xí)儀器的使用，試劑的配制等，如熒光顯微鏡的使用，并能夠進(jìn)行反復(fù)的練習(xí)、嘗試而不會產(chǎn)生設(shè)備、試劑的損耗，同時又可以增加很多單元操作實驗，降低教學(xué)成本的同時有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2.3 提高學(xué)生自主創(chuàng)新能力，豐富教學(xué)內(nèi)容

創(chuàng)新是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的不竭動力，是當(dāng)代大學(xué)生都必須具備的重要能力之一。研究性實驗教學(xué)是學(xué)生在老師的引導(dǎo)下，采取較靈活的學(xué)習(xí)方式，通過查閱資料等方式自行設(shè)計實驗對學(xué)科問題進(jìn)行探索。其是鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段，而了解和掌握相應(yīng)的實驗技術(shù)才是自行設(shè)計實驗的基礎(chǔ)和前提。虛擬仿真實驗平臺就能提供各式各樣的實驗項目供學(xué)生進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)，通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)，學(xué)生可更多的認(rèn)識和掌握那些因耗時長、開設(shè)成本高、難度大而無法開設(shè)的實驗技術(shù)，如使用抗體庫技術(shù)篩選抗體、質(zhì)粒構(gòu)建、抗體純化等，是提高學(xué)生自主創(chuàng)新能力和創(chuàng)造性思維的重要工具；同時教師結(jié)合虛擬仿真實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗教學(xué)，既豐富了教學(xué)內(nèi)容，也使學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容更具有深度和廣度。

2.4 提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)教師業(yè)務(wù)素質(zhì)的提高

虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對每個學(xué)生在平臺內(nèi)的學(xué)習(xí)情況及實驗操作情況進(jìn)行整理和分析，并將分析結(jié)果發(fā)送給授課教師，通過虛擬仿真系統(tǒng)后臺導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，教師可以清楚地了解學(xué)生操作錯誤率較高的實驗項目及操作步驟，在實體實驗課上進(jìn)行有針對性的實驗教學(xué)，給學(xué)生較薄弱的環(huán)節(jié)增加實操機會，使其更好地掌握實驗技能，極大地提高了教學(xué)質(zhì)量；學(xué)生遇到問題并提出問題，老師同學(xué)生一起解決問題同樣是提高教學(xué)質(zhì)量的重要方式之一。正常來講，課后教師在固定時間固定地點會有一個答疑時間，而虛擬仿真實驗教學(xué)平臺提供的“在線答疑”功能，能讓學(xué)生在課下不受時間、地點的限制，對老師進(jìn)行提問，解決疑難問題；最后，通過虛擬仿真實驗教學(xué)，也對教師起到了一定的促進(jìn)作用。教師在教學(xué)過程中，要實時跟進(jìn)學(xué)生在平臺內(nèi)的學(xué)習(xí)情況，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況查閱相關(guān)資料并隨時調(diào)整授課內(nèi)容的重點，這也是教師一個不斷學(xué)習(xí)的過程，從而促進(jìn)自身業(yè)務(wù)素質(zhì)的提高。

3 虛擬仿真實驗的局限性

盡管虛擬仿真實驗教學(xué)和傳統(tǒng)實驗教學(xué)比有許多優(yōu)點，但其也存在一定的局限性，并不能完全取代傳統(tǒng)實驗教學(xué)。虛擬仿真實驗畢竟不是真正的實際對象的操作[1]，在感官上和實際操作還是有區(qū)別的，僅僅通過電腦或手機操作，學(xué)生并無法真正體驗到實驗操作的實際過程和實驗的復(fù)雜程度，同時如果完全依靠虛擬仿真實驗進(jìn)行實驗教學(xué)還會弱化學(xué)生基本訓(xùn)練和動手能力的培養(yǎng)；另外，由于虛擬仿真實驗系統(tǒng)智能化特性，學(xué)生在進(jìn)行實驗操作過程中如果出現(xiàn)錯誤，虛擬仿真系統(tǒng)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行提示，然后其實驗結(jié)果會按照提前設(shè)定的理想實驗結(jié)果展示給學(xué)生。而實體實驗中，學(xué)生們實驗過程中多多少少會遇到各種小的、大的問題，學(xué)生會尋找辦法解決問題，其應(yīng)對突發(fā)情況的能力就得到了鍛煉，相反虛擬仿真系統(tǒng)的智能性就容易造成學(xué)生缺少應(yīng)對突發(fā)情況能力的鍛煉。

4 總 結(jié)

將虛擬仿真實驗應(yīng)用于抗體工程實驗教學(xué)可以彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的不足，對完善實驗教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量起到了很好的推動作用；同時為學(xué)生提供一個開放、自主、交互的虛擬實驗環(huán)境，也在一定程度上克服了硬件方面對實驗教學(xué)的限制，從而使實驗教學(xué)內(nèi)容更豐富，教學(xué)質(zhì)量更高；學(xué)生通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)可隨時隨地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉自主創(chuàng)新能力；教師通過虛擬仿真實驗可提升教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，并促進(jìn)自身業(yè)務(wù)素質(zhì)的提高。但虛擬仿真實驗與實體實操之間還是存在一定的差異，畢竟仿真實驗是虛擬的，摸不著的，具有失真性，在實驗過程中，學(xué)生無法真正接觸實驗器材，對實驗操作的各個步驟沒有實際的概念，體驗不到動手操作的實際過程，同時也缺少應(yīng)對突發(fā)情況能力的鍛煉。因此抗體工程實驗教學(xué)并不能完全依靠虛擬仿真實驗而摒棄傳統(tǒng)實體實驗教學(xué)，只是對傳統(tǒng)實體實驗教學(xué)的完善、補充和擴展，只有將虛擬仿真實驗教學(xué)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)的優(yōu)點有機結(jié)合，才更有利于抗體工程實驗教學(xué)的發(fā)展。