虛擬仿真技術(shù)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要 分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性較強(qiáng)的綜合實(shí)驗(yàn)課程，然而開設(shè)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程不多。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，學(xué)生可以隨時(shí)在計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，從而打破線下實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制。河南中醫(yī)藥大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)科依托學(xué)科教師優(yōu)質(zhì)科研項(xiàng)目，構(gòu)建以“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”為內(nèi)容的分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用可以擴(kuò)展分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，拓展科教融合發(fā)展的模式和內(nèi)涵。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；分子生物學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；科教融合

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）20-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.044

0 引言

分子生物學(xué)是在分子水平和整體水平上研究生命現(xiàn)象、生命本質(zhì)、生命活動(dòng)及其規(guī)律的學(xué)科，以核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子為研究對象，研究其形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能及其在遺傳信息和代謝信息傳遞中的作用和作用規(guī)律[1]。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于中醫(yī)藥、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要作用。因此，分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)成為相關(guān)專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。目前，高等院校開設(shè)的分子生物學(xué)課程都會(huì)穿插相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，如質(zhì)粒DNA的提取與鑒定、目的基因的克隆表達(dá)和重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化等相關(guān)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)都是微觀實(shí)驗(yàn)，使用的試劑多數(shù)以微升計(jì)量?；蚩寺?shí)驗(yàn)即聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)過程無法觀察，只能通過瓊脂糖凝膠電泳、酶切等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證PCR實(shí)驗(yàn)是否成功。此外，由于課時(shí)等因素限制，新的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)難以擴(kuò)充到目前的實(shí)驗(yàn)課程體系中。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國的高等教育模式不斷變革，越來越多的信息化技術(shù)被應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指利用多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，讓學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展實(shí)

驗(yàn)[2-3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的局限性，利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享，激發(fā)了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大學(xué)生的求知興趣和探索未知世界的好奇心。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容可以隨時(shí)更新，有利于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容接軌前沿實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法[4]，有利于教師的優(yōu)秀科研成果向?qū)嶒?yàn)教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

基于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性和廣泛應(yīng)用性，河南中醫(yī)藥大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)科依托生物化學(xué)國家級精品課程，將分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)作為生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要模塊，面向全校中藥學(xué)、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物類本科專業(yè)及相關(guān)專業(yè)研究生開設(shè)。針對分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)限制造成的部分實(shí)驗(yàn)缺失問題，學(xué)科依托教師優(yōu)秀科研項(xiàng)目，以“虛實(shí)結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)”為原則，構(gòu)建以“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”為內(nèi)容的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，以此提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生實(shí)踐能力。

1 現(xiàn)階段分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)包含的內(nèi)容較多，由于課堂學(xué)時(shí)和教學(xué)資源的限制，部分院校只開設(shè)了適合線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容，如質(zhì)粒DNA的提取、PCR實(shí)驗(yàn)和質(zhì)粒的轉(zhuǎn)化等。一些更接近實(shí)際生產(chǎn)生活的應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)，往往因?yàn)樵O(shè)備價(jià)格昂貴或課時(shí)限制難以開設(shè)。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，國家對具備高素質(zhì)綜合應(yīng)用能力人才的需求也日益增長[5]。中醫(yī)藥院校開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程需要更加注重課程內(nèi)容與學(xué)校辦學(xué)特色以及與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合。中醫(yī)藥是我國古代科學(xué)的瑰寶，中藥資源是中藥產(chǎn)業(yè)和中醫(yī)藥傳承發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來，中藥材的市場需求逐漸增大，如何既滿足市場需求又保護(hù)中藥資源是目前中醫(yī)藥發(fā)展所面臨的一大難題[6]。以分子生物學(xué)為基礎(chǔ)的合成生物技術(shù)為中藥藥效分子由傳統(tǒng)中藥材提取模式向高效、綠色、可持續(xù)工業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變提供了理論和技術(shù)支撐[7]。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門應(yīng)用性較強(qiáng)的基礎(chǔ)專業(yè)課程，應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)的缺失減弱了課程與實(shí)際生產(chǎn)生活的聯(lián)系，不利于學(xué)生知悉所學(xué)專業(yè)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用情況，減弱了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，同時(shí)降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

科研融入教學(xué)是目前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的熱點(diǎn)，科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的一種有效途徑，是實(shí)現(xiàn)科教融合的關(guān)鍵[8]。依托教師優(yōu)秀科研項(xiàng)目和相關(guān)儀器設(shè)備開設(shè)分子生物學(xué)應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)課程，可以解決因儀器設(shè)備限制造成相關(guān)實(shí)驗(yàn)無法開展的問題。目前國內(nèi)很多高校存在多個(gè)校區(qū)辦學(xué)，本科教學(xué)校區(qū)和科研實(shí)驗(yàn)室不在一個(gè)校區(qū)的情況，本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)要利用科研實(shí)驗(yàn)室相關(guān)儀器設(shè)備，需要克服空間上的障礙。此外，相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)室生物安全級別要求高，本科生生物安全認(rèn)知水平不高也是影響實(shí)驗(yàn)順利開展的重要因素。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不涉及實(shí)體實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，可以解決科研成果內(nèi)容因儀器設(shè)備和生物安全等因素限制而無法進(jìn)行線下教學(xué)的問題，降低優(yōu)秀科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的難度，有利于科研與教學(xué)的融合。

2 分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)

2.1 課程特點(diǎn)

河南中醫(yī)藥大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)科有著豐富的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，生物化學(xué)于2018年被評為國家精品在線開放課程、首批國家級線上一流課程，分子生物學(xué)理論及實(shí)踐于2021年被評為研究生教育優(yōu)質(zhì)課程。學(xué)科分子生物學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員都是工作在科研一線、擁有博士學(xué)位的教師，有較多的科研項(xiàng)目。根據(jù)教師科研項(xiàng)目的應(yīng)用性和可操作性，最終構(gòu)建以“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”為內(nèi)容的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程。“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”是典型的應(yīng)用性分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，且與學(xué)校中醫(yī)藥特色辦學(xué)定位相關(guān)。該實(shí)驗(yàn)基于地黃轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫，通過PR1基因克隆、表達(dá)載體的構(gòu)建、蛋白質(zhì)誘導(dǎo)表達(dá)和純化等步驟，深入了解PR1基因的作用機(jī)制，為地黃優(yōu)良品種的選育提供依據(jù)。該實(shí)驗(yàn)將科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)，內(nèi)容更接近實(shí)際應(yīng)用，讓學(xué)生感受到所學(xué)專業(yè)知識在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

該實(shí)驗(yàn)通過虛擬仿真技術(shù)生動(dòng)地模擬分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室場景，讓學(xué)生仿佛置身于真實(shí)實(shí)驗(yàn)室感知完整的操作流程，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性，加深了學(xué)生對分子生物學(xué)知識的理解[9]。學(xué)生課前通過學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理和知識點(diǎn)的課件、操作視頻等輔助學(xué)習(xí)資料進(jìn)行預(yù)習(xí)，然后通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)入習(xí)題模塊，通過測試后方可進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正式學(xué)習(xí)階段，在此階段可根據(jù)提示進(jìn)行練習(xí)和操作，掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)步驟后，可以進(jìn)入考核模塊。每個(gè)學(xué)生都可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室單人單機(jī)操作完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，避免出現(xiàn)學(xué)生需要分組共同完成實(shí)驗(yàn)的問題。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是開放的，學(xué)生可以全天候進(jìn)入平臺(tái)重復(fù)練習(xí)，有效提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)技能的理解和掌握程度。

2.2 課程內(nèi)容

“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)分為三個(gè)模塊，即習(xí)題模塊、學(xué)習(xí)模塊和考核模塊，如圖1所示，實(shí)驗(yàn)界面左上角有實(shí)驗(yàn)簡介、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理欄，里面包含該實(shí)驗(yàn)完整的文字介紹，學(xué)生可以點(diǎn)擊對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)。學(xué)生首先需要在習(xí)題模塊中完成所有題目，這一模塊是為了檢驗(yàn)學(xué)生課前預(yù)習(xí)情況，加深其對理論知識的理解與掌握。圖2所示為學(xué)習(xí)模塊界面，利用虛擬仿真技術(shù)逼真地還原分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室場景，界面中包含該實(shí)驗(yàn)所用到的全部耗材和設(shè)備。學(xué)生可以通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，360°查看實(shí)驗(yàn)室場景和儀器設(shè)備。隨后，學(xué)生可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)習(xí)，即根據(jù)界面左下角對話框中的提示進(jìn)行操作，同時(shí)相應(yīng)的試劑或儀器也以藍(lán)光高亮顯示，方便學(xué)生操作練習(xí)。在該模塊操作過程中，學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)入該界面再次學(xué)習(xí)，且沒有時(shí)長限制，學(xué)生可以根據(jù)自己對實(shí)驗(yàn)步驟的掌握情況反復(fù)練習(xí)。

學(xué)生通過學(xué)習(xí)模塊的練習(xí)，已經(jīng)熟練掌握實(shí)驗(yàn)步驟，可以進(jìn)入考核模塊完成實(shí)驗(yàn)課程的考核，如圖3所示。和學(xué)習(xí)模塊不同的是，在考核模塊中，界面左下角沒有實(shí)驗(yàn)操作步驟和藍(lán)光高亮提示，學(xué)生需要在規(guī)定的15 min內(nèi)完成全部實(shí)驗(yàn)操作。如果學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有完成實(shí)驗(yàn)操作，則視為未通過考核，需要重新回到學(xué)習(xí)模塊練習(xí)，完成后再次進(jìn)行考核，直至通過考核。學(xué)生在考核模塊操作中有任何疑問，可以將界面切回到學(xué)習(xí)模塊中查看詳細(xì)實(shí)驗(yàn)操作步驟，但是考核模塊中之前的操作不能保存，學(xué)生需要從頭開始考核。

通過對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的反復(fù)訓(xùn)練，學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)各個(gè)步驟的操作方式，對整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程有更全面的理解，提高了真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作中的規(guī)范性和準(zhǔn)確性[10]。讓理論知識與實(shí)驗(yàn)操作相互銜接，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用多學(xué)科知識和技能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，從而提高專業(yè)素養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以突破傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的局限性，激發(fā)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大學(xué)生的求知欲和好奇心，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度，增加學(xué)生對分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于道地藥材良種選育的了解。在大學(xué)四年級到企業(yè)或科研單位進(jìn)行認(rèn)知實(shí)習(xí)時(shí)，學(xué)生不再是漫無目的、走馬觀花式的參觀，而是可以把從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中獲取的專業(yè)知識和實(shí)際儀器設(shè)備聯(lián)系起來，利用專業(yè)知識有針對性地提出問題，深入了解企業(yè)生產(chǎn)科研情況。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建展望

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種新型的教學(xué)手段，依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化資源，具有易開發(fā)、易共享、突破時(shí)空限制和利于科教融合等特點(diǎn)，是線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充?！暗攸S抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目自開設(shè)以來，一直被作為河南中醫(yī)藥大學(xué)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的補(bǔ)充資源。但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種理想狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的每一步操作都是成功的，這種情況在線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)室中是很難順利達(dá)到的。所以，在今后的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建中，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作步驟設(shè)置不同得分，允許學(xué)生出現(xiàn)操作錯(cuò)誤，根據(jù)操作錯(cuò)誤程度，學(xué)生得到的分?jǐn)?shù)不同。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，可以返回主頁面查看自己的錯(cuò)誤操作，從而加深對實(shí)驗(yàn)操作的理解與掌握。

4 結(jié)束語

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是與科研和工業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系緊密的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，是培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型人才的重要環(huán)節(jié)，然而傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)由于課時(shí)、空間和實(shí)驗(yàn)資源的限制，減弱了教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用性與實(shí)踐性。基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)和教育信息化時(shí)代背景，構(gòu)建分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，彌補(bǔ)課堂教學(xué)和科研實(shí)習(xí)中缺失的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。線上線下虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式可以打破時(shí)間和空間對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的束縛，豐富教學(xué)表現(xiàn)形式，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，有利于優(yōu)秀科研成果向教學(xué)資源轉(zhuǎn)化。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用使實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊跟時(shí)代的發(fā)展，推動(dòng)相關(guān)專業(yè)學(xué)生綜合能力的提升，有助于造就一批具備創(chuàng)新精神、適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的專業(yè)人才。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 唐炳華，鄭曉珂.分子生物學(xué)[M].3版.北京：中國中醫(yī)藥出版社，2017.

[2] 常雅寧，彭鈺珂，魏東芝，等.虛擬仿真技術(shù)在酶工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019，

38（2）：237-239，244.

[3] 張碧魚，何素敏，陳笑霞，等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在生物學(xué)

本科教學(xué)中的開發(fā)應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2017，20（1）：

128-130.

[4] 董彬，吳濤，姚志剛，等.基于虛擬仿真技術(shù)的生物工

程類綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].生物工程學(xué)報(bào)，

2022，38（4）：1671-684.

[5] 汪天友.應(yīng)用型人才培養(yǎng)與高校教學(xué)改革問題探究[J].

高教學(xué)刊，2017（6）：102-103.

[6] 馬瑩，趙瑜君，馬曉晶，等.中藥活性成分生物合成研究及應(yīng)用[J].中國科學(xué)：生命科學(xué)，2022，52（6）：894-907.

[7] 史汶龍，王健，馬瑩，等.中藥活性成分生物合成途徑

解析研究方法進(jìn)展[J].中國中藥雜志，2023，48（9）：

2273-2283.

[8] 劉玉琳，徐雙滿，霍凱.科教融合創(chuàng)新指導(dǎo)下的本科生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（8）：31-34.

[9] 李佩珍，應(yīng)俊，金晶，等.分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（11）：99-100，104.

[10] 秦麗瑋，胡原，萬建，等.分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平

臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（7）：

140-143，147.

*項(xiàng)目來源：2023年河南省第二批本科高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目；2023年河南省“生物化學(xué)與分子生物學(xué)課程虛擬教研

室”項(xiàng)目；河南省研究生優(yōu)質(zhì)課程項(xiàng)目“分子生物學(xué)理論及實(shí)踐”（YJS2022KC23）。

作者簡介：賈浩宇，博士，內(nèi)聘教授；韓永光、馬利剛，博士，副教授；趙樂，博士，教授；鄭曉珂，通信作者，博士，二級教授。