國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)用于“生物技術(shù)制藥”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐*

張笑愷，羅 萍，程 平，鄒全明，趙 卓

（中國人民解放軍陸軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)與檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)系微生物與生化藥學(xué)教研室·國家免疫生物制品工程技術(shù)研究中心，重慶 400038）

生物技術(shù)制藥是綜合應(yīng)用生物學(xué)與醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、微生物與免疫學(xué)、物理化學(xué)與工程學(xué)及藥學(xué)等的原理和方法加工制造藥物的技術(shù)［1］，屬應(yīng)用性學(xué)科。用生物技術(shù)生產(chǎn)的以單克隆抗體等為代表的藥物已成功應(yīng)用于疾病的臨床治療與預(yù)防。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中讓學(xué)生掌握最新技術(shù)的原理、方法及實(shí)際操作是生物技術(shù)制藥實(shí)驗(yàn)課的終極教學(xué)目標(biāo)。生物技術(shù)的發(fā)展日新月異，但日常的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)受學(xué)時(shí)短、操作周期長、部分技術(shù)難以較好掌握等因素限制，教師難以實(shí)時(shí)更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也欠佳［2-3］。因此，亟需借助新型信息技術(shù)輔助線下教學(xué)優(yōu)化該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。之前由于新型冠狀病毒感染疫情，線上授課成為高校教學(xué)工作的重要手段［4］。相對于理論課，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)更注重學(xué)生實(shí)際操作能力而非單純理論知識(shí)，故難以通過單純的線上講解完成，如遇突發(fā)狀況則更難進(jìn)行［5］。2018年，教育部發(fā)布《關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》，積極推動(dòng)現(xiàn)代信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，以及提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平［6］。2019年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《中國教育現(xiàn)代化2035》，明確提出要強(qiáng)化實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目結(jié)合新時(shí)代背景下學(xué)生的需求，可通過綜合運(yùn)用3D仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)展現(xiàn)日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)的操作，注重學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生以接近真實(shí)臨場的狀態(tài)反復(fù)多次參與實(shí)驗(yàn)操作，最終掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能［7］。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅重點(diǎn)解決了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中不具備或受限制的實(shí)驗(yàn)條件；還結(jié)合理論知識(shí)，使學(xué)生能全面、形象地接受知識(shí)要點(diǎn)，促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵式發(fā)展［8］；此外，也可保證線上高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利實(shí)施。在此，總結(jié)傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開展流程及優(yōu)勢，并進(jìn)行實(shí)證分析。

1 傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)課教學(xué)存在問題

生物技術(shù)制藥實(shí)驗(yàn)是針對生物制藥及制藥工程本科專業(yè)開設(shè)的專業(yè)課，內(nèi)容主要包括基因工程載體構(gòu)建，發(fā)酵工程蛋白的發(fā)酵、表達(dá)、純化，細(xì)胞工程單克隆抗體制備等［9］。這些實(shí)驗(yàn)有諸多不能有效開展的因素，如：①操作周期長、不可逆，間斷操作會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失?。虎诓僮鬏^難，需反復(fù)練習(xí)，單次實(shí)驗(yàn)成功率較低；③操作過程存在不可控因素，初學(xué)者進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)存在安全隱患；④實(shí)驗(yàn)儀器、動(dòng)物、材料價(jià)格昂貴，搭建相關(guān)實(shí)驗(yàn)場景困難；⑤實(shí)驗(yàn)教員示范操作多為集體觀摩，無法保證每名學(xué)生均獲得實(shí)際操作機(jī)會(huì)。為此，我校生物技術(shù)制藥實(shí)驗(yàn)課在疫情出現(xiàn)前的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課設(shè)定的教學(xué)內(nèi)容均以一些簡單、易于開展的實(shí)驗(yàn)為主，且多為示范性講解，授課完成后，學(xué)生并不能獲得足夠的實(shí)驗(yàn)操作能力，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)難達(dá)預(yù)期效果，需改進(jìn)。改進(jìn)核心是如何解決好學(xué)生生產(chǎn)實(shí)踐操作能力培養(yǎng)的問題，探索新的實(shí)踐教學(xué)模式，使其能系統(tǒng)掌握生物技術(shù)藥物研究和生產(chǎn)的基本方法及制造工藝，培養(yǎng)和提高其從事生物技術(shù)藥物研發(fā)和生產(chǎn)的綜合能力。

2 仿真平臺(tái)的應(yīng)用

2.1 平臺(tái)開展流程

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，可擺脫物理現(xiàn)實(shí)的限制，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，達(dá)到輔助線下實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的目的。2018 年教育部推動(dòng)上線的國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)（官網(wǎng)又稱“實(shí)驗(yàn)空間”），為全國高校提供了虛擬仿真課程開放共享服務(wù)［10］。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)利用“實(shí)驗(yàn)空間”開展了相關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。整個(gè)開課流程包括3個(gè)部分：1）認(rèn)證。首先教師需在“實(shí)驗(yàn)空間”官網(wǎng)（https：//www.ilab - x.com/）注冊個(gè)人賬號(hào)，然后點(diǎn)擊“個(gè)人中心”-“我的信息”-“申請認(rèn)證”，進(jìn)行教師認(rèn)證。經(jīng)過審核（不超過2 個(gè)工作日），如認(rèn)證成功，開課前還需下載并簽署“承諾書”文件，填寫自己的賬號(hào)（即用戶名），簽名拍照上傳圖片即完成認(rèn)證過程。2）建課。首先點(diǎn)擊“個(gè)人中心”-“智能實(shí)驗(yàn)室”-“新建課程”，填寫課程名稱，并選擇課程類型（包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課、線上實(shí)驗(yàn)課、線上線下混合式實(shí)驗(yàn)課），最后選擇引用的實(shí)驗(yàn)課程。3）維護(hù)。課程創(chuàng)建完成后點(diǎn)擊“課程管理”，閱讀并同意協(xié)議，再次點(diǎn)擊“課程管理”即可進(jìn)行課程信息維護(hù)。課程信息包括基本信息、開課時(shí)間、封面、章節(jié)、作業(yè)、考試等。

2.2 平臺(tái)教學(xué)優(yōu)勢

2.2.1 課程資源十分豐富

以中國人民解放軍陸軍軍醫(yī)大學(xué)生物技術(shù)制藥實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置內(nèi)容，在“實(shí)驗(yàn)空間”中進(jìn)行搜索，其實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容均有對應(yīng)的虛擬仿真課程資源，詳見表1。對目前尚未開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的院校很有幫助。

表1 “生物技術(shù)制藥”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程Tab.1 Virtual simulation experiment course of ″Biotechnological Pharmaceutics″

2.2.2 課程易于實(shí)施及管理

“實(shí)驗(yàn)空間”開課流程操作簡單，教師授課前無須參加專門的培訓(xùn)。學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)也僅需經(jīng)過簡單注冊即可參加授課老師已開展的課程，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)可反復(fù)操作，直至學(xué)生完全掌握相關(guān)技術(shù)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課的操作結(jié)果可線上直接提交，學(xué)生接受度更好。再者，課程實(shí)施后，教師通過平臺(tái)不僅可查看學(xué)生成績的區(qū)間分布、作業(yè)的提交情況、學(xué)習(xí)時(shí)長、登錄次數(shù)、學(xué)習(xí)進(jìn)度等教學(xué)情況，還可根據(jù)預(yù)先設(shè)置的成績策略中的計(jì)分規(guī)則自動(dòng)分類計(jì)算學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，并生成成績單。以上操作不僅大幅降低了教師的工作量，也便于其準(zhǔn)確把握學(xué)生對實(shí)驗(yàn)技術(shù)的掌握程度。

2.2.3 課程擴(kuò)展十分便利

授課老師可根據(jù)課程的實(shí)際需要，創(chuàng)建自己的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，“實(shí)驗(yàn)空間”的“接口對接”項(xiàng)目提供了詳細(xì)的對接流程。此外，平臺(tái)還提供了微信公眾號(hào)“ilabx實(shí)驗(yàn)空間”及電話支持，有專業(yè)人士對接，幫助教師創(chuàng)建自己的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3 實(shí)證分析

3.1 對象與方法

以中國人民解放軍陸軍軍醫(yī)大學(xué)2020 級(jí)藥學(xué)專業(yè)四年制本科生為授課對象，共18人，隨機(jī)分為線上線下混合組（觀察組）和線下組（對照組），各9 人。以生物技術(shù)制藥經(jīng)典實(shí)驗(yàn)“雜交瘤技術(shù)制備單克隆抗體”為例（兩組學(xué)生授課前均未參加過該課程學(xué)習(xí)），基于“實(shí)驗(yàn)空間”中浙江中醫(yī)藥大學(xué)雜交瘤技術(shù)制備單克隆抗體虛擬實(shí)驗(yàn)課程，探索生物技術(shù)制藥虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在研究過程中評估優(yōu)化本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。對照組使用傳統(tǒng)的示范教學(xué)加實(shí)踐操作教學(xué)模式，即上課時(shí)，教師根據(jù)多媒體課件講解授課，然后示范并指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)；課后常規(guī)要求學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告并鼓勵(lì)學(xué)生完成問卷調(diào)查。觀察組基于“實(shí)驗(yàn)空間”進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即上課時(shí)，教師依據(jù)多媒體課件授課，學(xué)生基于“實(shí)驗(yàn)空間”完成實(shí)驗(yàn)并線上提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告；課后對學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)考核及問卷調(diào)查，從主客觀兩方面綜合評價(jià)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理、關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)及技術(shù)的掌握程度，以及主觀學(xué)習(xí)感受與心得。評價(jià)基于“實(shí)驗(yàn)空間”的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是否有助于提高教學(xué)質(zhì)量，如能否幫助學(xué)生更好地掌握該實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)際操作技術(shù)，能否激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)其學(xué)習(xí)自信、降低學(xué)習(xí)難度，能否明顯提高教學(xué)效率等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)完成后，對照組學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績由操作指導(dǎo)老師打分，觀察組由授課教師在“實(shí)驗(yàn)空間”實(shí)時(shí)提取。滿分100 分，得分越高成績越好。

3.2 學(xué)習(xí)效果評價(jià)

3.2.1 主觀感受與效率

觀察組學(xué)生均認(rèn)為線上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式降低了實(shí)驗(yàn)原理及技能的學(xué)習(xí)難度，均展現(xiàn)出對虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的興趣，并對實(shí)驗(yàn)技能掌握展現(xiàn)出充足的自信。對照組學(xué)生需2 d 才能完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，其中只有6 名（66.67%）學(xué)生表示能完整領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)并完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。而觀察組學(xué)生在教學(xué)當(dāng)天就能完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，且所有學(xué)生均有機(jī)會(huì)對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)操作，知識(shí)掌握更牢固。

3.2.2 考試成績

觀察組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課平均得分（93.78±1.41）分，明顯高于對照組的（75.94 ± 0.00）分（P< 0.05）。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程可反復(fù)進(jìn)行，有助于每個(gè)學(xué)生完整完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，避免了由于實(shí)驗(yàn)操作失誤導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)中斷，提高了學(xué)生的主觀獲得感和實(shí)驗(yàn)成績。

4 結(jié)語

“生物技術(shù)制藥”課程實(shí)驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)等授課內(nèi)容是培養(yǎng)生物技術(shù)人才的關(guān)鍵。在本教學(xué)組“生物技術(shù)制藥”一流課程建設(shè)基礎(chǔ)上，實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提高了實(shí)踐課的教學(xué)效果?！皩?shí)驗(yàn)空間”在本教學(xué)組“生物技術(shù)制藥”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用證實(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是優(yōu)化藥學(xué)應(yīng)用性學(xué)科教學(xué)效果的重要手段，它正在解決高校實(shí)踐教育中“不能做”“不敢做”“不好做”的問題，正在幫助學(xué)生掌握最前沿的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和彌補(bǔ)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的缺失。