“虛擬仿真”實驗在《DNA 重組與分子克隆實訓(xùn)》的教學(xué)應(yīng)用

徐 璐，盧明曉，顧志良，郁建鋒，冀 宏

常熟理工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500

1 虛擬仿真實驗

虛擬仿真（以下簡稱“虛仿”）實驗是以數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，采用“面向?qū)ο蟆钡乃枷雱?chuàng)建的能夠?qū)崟r操作、非實在的實驗空間。在此環(huán)境中，實驗者可以同在真實環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定實驗項目[1]，將不可逆、高危、長周期實驗等轉(zhuǎn)變?yōu)榭尚行越虒W(xué)實驗內(nèi)容[2]。大幅度縮減實驗周期、增加重復(fù)次數(shù)，提高實驗容錯率，讓學(xué)生沉浸式體驗高危實驗內(nèi)容，直觀地了解實驗操作全過程，掌握實驗原理由此可見，虛擬仿真實驗是提升高校實驗教學(xué)和學(xué)習(xí)者實踐學(xué)習(xí)效果的重要方式[3]。虛仿實驗教學(xué)由教學(xué)資源、教學(xué)裝備、教學(xué)環(huán)境基礎(chǔ)條件和教學(xué)管理平臺4 部分組成[4]。教學(xué)資源依據(jù)真實世界的學(xué)習(xí)對象制得，涵蓋豐富的知識內(nèi)容與逼真的實驗場景；教學(xué)資源平臺可向網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，如實驗空間等網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)；其教學(xué)裝備較為簡便，可利用電腦、平板、手機等電子設(shè)備進行學(xué)習(xí)，實現(xiàn)老師多元素教學(xué)、學(xué)生“碎片化”學(xué)習(xí)的效果[5]。

2 虛擬仿真實驗對于《DNA 重組與分子克隆實訓(xùn)》教學(xué)的重要性

《DNA 重組與分子克隆實訓(xùn)》以分子生物學(xué)和基因工程為理論基礎(chǔ)，是一門綜合性、實用性和系統(tǒng)性均較強的實訓(xùn)課程[6]，其內(nèi)容包含核酸提取、目的基因擴增、目的基因克隆與重組以及真核細胞高表達穩(wěn)定細胞株的篩選構(gòu)建；涉及多種基因工程操作技術(shù)，如：PCR 法擴增目的基因片段、質(zhì)粒提取、細胞培養(yǎng)、單克隆細胞株的挑選等。該實訓(xùn)實驗周期長，成功率低，成本高，需要在密閉潔凈的細胞培養(yǎng)室內(nèi)完成，授課時學(xué)生聚集容易造成生物污染，存在生物安全和環(huán)境隱患，導(dǎo)致其在實體實驗中無法完成。

本課程采用“虛實”結(jié)合的方式將虛仿實驗與實體實驗緊密連接，讓學(xué)生在有限的課時內(nèi)完成長周期實驗內(nèi)容，并在學(xué)習(xí)實驗的過程中體驗多路徑、可推演自由探索學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)過程不受時空限制并解決實體實驗資源和設(shè)備投入大、實驗耗材成本高、實驗周期長及生物安全隱患多等難題；幫助學(xué)生完成方案設(shè)計、條件優(yōu)化、儀器參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、定性和定量分析等任務(wù)，激發(fā)學(xué)生對該專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情和參與度，加深學(xué)生對知識點的理解，促進學(xué)生掌握前沿生物技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和高級思維，使其養(yǎng)成解決基因藥物生產(chǎn)過程復(fù)雜問題的綜合能力；同時，激發(fā)學(xué)生積極投身生物醫(yī)藥領(lǐng)域，為健康中國做貢獻的決心和信心，增強學(xué)生為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興而努力的責(zé)任感和使命感[7]。

3 教學(xué)實施過程

3.1 實驗前——實驗預(yù)習(xí)與方案設(shè)計

本課程的授課過程共分為3 個階段（如圖1），首先以問題驅(qū)動為導(dǎo)向（Problem Based Learning,PBL），通過團隊協(xié)作（Team-Based Learning, TBL）的方式讓學(xué)生進行實驗預(yù)習(xí)與方案設(shè)計。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，以“如何構(gòu)建TGF-β 高表達穩(wěn)定細胞株？”為問題驅(qū)動，每2～3 人組成一個實驗小組，以小組為單位，用1 周左右的時間自主查閱文獻、研究探討并制定個性化實驗設(shè)計方案。方案設(shè)計完畢后，每個實驗小組對所設(shè)計的方案進行項目方案的設(shè)計與匯報，教師及其他實驗小組對項目的設(shè)計思路、可行性、匯報過程進行提問與評價。

3.2 實驗中——“虛實”結(jié)合完成實驗內(nèi)容

本實訓(xùn)實驗內(nèi)容采用“虛實”結(jié)合的方式進行授課。首先在線下完成實體實驗內(nèi)容——構(gòu)建TGF-β 重組質(zhì)粒，包括核酸提取、目的基因獲取、載體構(gòu)建與質(zhì)粒小提。然后，在虛擬仿真實驗教學(xué)中心完成線上實驗內(nèi)容——TGF-β 高表達穩(wěn)定細胞株的構(gòu)建，包括細胞培養(yǎng)、轉(zhuǎn)染、陽性細胞株的篩選與鑒定等內(nèi)容（圖2）。

圖2 虛擬仿真操作界面——G418 加壓篩選

授課過程中教師針對學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中提出的問題及實驗原理的重難點問題進行答疑解惑，以深化學(xué)生對理論知識的掌握并指導(dǎo)其實驗操作。教師對關(guān)鍵步驟進行重點講解，對可能出現(xiàn)的問題予以提示，對實驗結(jié)果的分析和計算處理方法進行說明，并在此過程中實時開展小組討論，使個人學(xué)習(xí)與團隊學(xué)習(xí)相得益彰。

學(xué)生需要在規(guī)定時間內(nèi)完成虛仿實驗，網(wǎng)站平臺以多級計分的方式自動記錄學(xué)生每一步交互操作的成績，實驗結(jié)束后，系統(tǒng)生成總成績；與學(xué)生課后提交的實驗報告成績、交流匯報成績共同作為課程考核依據(jù)。

3.3 實驗后——總結(jié)匯報與評價

每組學(xué)生完成實驗后需撰寫實驗報告，總結(jié)實體實驗與虛仿實驗的實驗結(jié)果，對實驗結(jié)果進行合理性分析，回顧本次課程所學(xué)的實驗原理與操作，總結(jié)交流實驗心得、團隊協(xié)作存在的問題與優(yōu)勢，完成小組報告并互相進行交流。針對匯報結(jié)果，教師及其他小組要分別對匯報小組進行打分與評價。通過這樣的過程，可以培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作能力、報告撰寫能力及交流能力等基本的科研素養(yǎng)。

3.4 課程評價與反饋

教學(xué)滿意度調(diào)查發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生認為虛仿實驗體驗感新穎，80%以上的學(xué)生認為虛仿對于提升實驗技能掌握實驗原理有幫助。虛仿網(wǎng)站提供了可視的微觀原理，學(xué)生可生動形象地理解其中內(nèi)容。并且，利用4 個學(xué)時完成了單克隆細胞株的挑選、培養(yǎng)與鑒定，極大地壓縮了實驗時間，在短時間內(nèi)掌握了細胞培養(yǎng)、轉(zhuǎn)染、有限稀釋法、熒光定量檢測法、蛋白免疫印跡法等實驗原理與操作流程，為日后升學(xué)或就業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)。同時，學(xué)生為虛仿實驗部分提出了幾點建議：增強實驗文字提示的辨識度；刪減部分實驗操作，突出重點環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生更加清晰地掌握實驗流程等。這些建議為后續(xù)虛仿實驗的建設(shè)與完善提供了依據(jù)。

4 課程反思與結(jié)束語

實驗教學(xué)一直以來都是人才培養(yǎng)工作的重要組成部分，關(guān)系著所培養(yǎng)人才的工程實踐能力和工程創(chuàng)新能力[8]。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式下，受限于各種條件的制約，學(xué)生只能在特定的時間和地點，按照實驗講義的步驟，利用限定的實驗設(shè)備，簡單機械地完成特定的實驗內(nèi)容。因此，傳統(tǒng)實驗是完成具有“代表性”和“普適性”的“規(guī)定動作”，極大地制約了對學(xué)生動手能力和工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[9]。此外，傳統(tǒng)實驗室建設(shè)經(jīng)費的投入不可小覷，無論是實驗儀器設(shè)備的購置與維護，還是實驗場地的建設(shè)與管理，都需要耗費大量的人力、物力和財力。因此，在傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式下，“投入產(chǎn)出比”會受到質(zhì)疑。為此，改革傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式，探索適應(yīng)新時代發(fā)展的實踐教學(xué)新模式，是實驗教學(xué)改革的重要課題。

本課程利用虛仿實驗，建立多路徑、可推演的實驗設(shè)計，幫助學(xué)生進行探究式學(xué)習(xí)，與傳統(tǒng)教學(xué)相比更能體現(xiàn)“兩性一度”的教學(xué)過程。同時學(xué)生可利用碎片化時間在虛仿網(wǎng)站學(xué)習(xí)實驗原理、設(shè)備、三維仿真模型和仿真實驗錄屏等基礎(chǔ)知識和操作方法。網(wǎng)站中的三維動畫形象且具體地闡釋了微觀原理，使學(xué)生可以在短時間內(nèi)掌握細胞轉(zhuǎn)染、篩選、單克隆細胞株的挑選與鑒定方法；使學(xué)生深刻理解TGF-β 穩(wěn)定高表達細胞株篩選構(gòu)建的理論基礎(chǔ)及其生物安全知識，培養(yǎng)學(xué)生安全利用動物細胞株表達外源重組蛋白的綜合設(shè)計與應(yīng)用能力，充分證明虛仿對于分子生物學(xué)實驗的重要性[10]；讓學(xué)生通過了解和掌握生物醫(yī)藥領(lǐng)域的發(fā)展前沿技術(shù)，牢固樹立創(chuàng)新意識和科技強國的信念，增強其為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興而努力的責(zé)任感和使命感。