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

虛擬仿真技術(shù)在分子生物學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用〔〕:

摘要：虛擬仿真是一種可創(chuàng)立和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬仿真技術(shù)的開(kāi)展為分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供了便利的條件和技術(shù)支持。分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室已用于課堂教學(xué)，對(duì)于改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力和想象力等方面獲得了顯著效果。分子生物學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中各個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容整合為一個(gè)綜合的實(shí)驗(yàn)工程。但其具有耗時(shí)長(zhǎng)、價(jià)格貴以及空間局限等特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的形式已經(jīng)不能滿(mǎn)足教學(xué)開(kāi)展，虛擬仿真技術(shù)的引入將有助于緩解實(shí)驗(yàn)資源和教學(xué)需求之間的矛盾。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；分子生物學(xué)；綜合性實(shí)驗(yàn)

本文引用格式：劉靈，等.虛擬仿真技術(shù)在分子生物學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化,2022,7(50):13-15,35.

ApplicationofVirtualRealityTechnologyinprehensiveExperimentalTeachingofMolecularBiology

LIULing,SUNXiao-ming,SUNYa-nan,RENYuan-yuan,SUChao,TIANShan-shan,ZHANGWei

(TianjinMedicalUniversity，Tianjin)

Abstract:VirtualRealityisaputersystemthatcreatesandexperiencesVirtualWorld.Thedevelopmentofvirtualrealitytechnologyprovidesconvenientconditionsandtechnicalsupportforthereformofexperimentalteachingofmolecularbiology.Thevirtuallaboratoryofmolecularbiologyhasbeenusedinclassroomteachingandachievedremarkableresultsinimprovingexperimentalteachingeffect,enhancingstudents"interestinlearning,andcultivatingstudents"creativityandimagination.Theprehensiveexperimentalteachingsystemofmolecularbiologyintegrateseachindependentexperimentalintoaproject.However,aprehensiveprojectistime-consuming,expensiveandlimitedinspace.Thetraditionalmodelcannolongermeetthedevelopmentofteaching.Thevirtualrealitytechnologywillalleviatethecontradictionbetweenexperimentalresourcesandteachingneeds.

Keywords:Virtualreality;MolecularBIOLOGY;prehensiveexperiment

一引言

分子生物學(xué)是生命科學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的主干課程之一，是一門(mén)應(yīng)用性和理論性非常強(qiáng)的學(xué)科，因此分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生理論動(dòng)手才能、激發(fā)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)積極性等方面尤為重要【1】。綜合性實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和掌握，可以培養(yǎng)學(xué)生探究科研問(wèn)題的才能。通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)來(lái)掌握各項(xiàng)技術(shù)，進(jìn)步學(xué)生對(duì)分子生物學(xué)的感性認(rèn)知，激發(fā)其對(duì)科學(xué)研究的興趣【2】。我校已針對(duì)根底醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)增設(shè)了"基因克隆技術(shù)";課程，該課程是將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研素質(zhì)培訓(xùn)相結(jié)合，把科研成果轉(zhuǎn)化為綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。詳細(xì)授課內(nèi)容為"p62基因的重組及在真核細(xì)胞中的表達(dá)";，該課程獲得了較好的教學(xué)效果。但目前該課程存在耗時(shí)長(zhǎng)、價(jià)格貴、空間受限等問(wèn)題，阻礙了綜合性實(shí)驗(yàn)在學(xué)生中的廣泛開(kāi)展。因此，我們將虛擬仿真技術(shù)作為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)途徑，通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)、三維動(dòng)畫(huà)等可以解決目前存在的困境，同時(shí)新的教學(xué)形式調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而進(jìn)步學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量[3,4]。

二虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的根底上開(kāi)展起來(lái)的，它是充分利用高性能的計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源及各類(lèi)先進(jìn)的傳感器的一種集成技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)具有交互性、開(kāi)放性和便捷性等特點(diǎn)，學(xué)生可以通過(guò)登錄仿真平臺(tái)自主學(xué)習(xí)理論知識(shí)，操作訓(xùn)練。從而到達(dá)優(yōu)化教學(xué)過(guò)程、進(jìn)步教學(xué)質(zhì)量的目的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的概念，最早在1989年由美國(guó)的WilliamWolf教授提出，用來(lái)描繪一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在科學(xué)研究、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教育、娛樂(lè)等方面發(fā)揮著重要作用【5】。2022年教育部在全國(guó)推進(jìn)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立工作，加速了高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心系統(tǒng)化的開(kāi)展。目前許多高校根據(jù)需求建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，充分利用該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)輔助研究與教學(xué)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以模擬傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，反映實(shí)驗(yàn)操作的步驟和方法。在學(xué)習(xí)對(duì)象人數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，需要學(xué)生自主設(shè)計(jì)課題的情況下，虛擬實(shí)驗(yàn)可以發(fā)揮其獨(dú)特的作用。虛擬實(shí)驗(yàn)室并不是要取代傳統(tǒng)意義上的實(shí)驗(yàn)室，而是作為現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的補(bǔ)充。

三綜合設(shè)計(jì)性分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展的現(xiàn)狀及局限性

為了加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新才能和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，進(jìn)步學(xué)生的理論才能和科研才能，我校加快實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革，逐步加大綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)比例。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是進(jìn)展教學(xué)改革，增設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)課程[6,7]。

基因克隆技術(shù)是分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用最為廣泛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，也是本科教學(xué)大綱所要求的內(nèi)容。我校針對(duì)根底醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了"p62基因的重組及在真核細(xì)胞中的表達(dá)";綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程。課程主要是通過(guò)構(gòu)建一個(gè)具有特殊標(biāo)簽的重組蛋白質(zhì)粒，為研究蛋白的定位及功能提供便利工具。詳細(xì)為以綠色熒光〔GFP〕標(biāo)簽為載體，以p62基因?yàn)檠芯繉?duì)象，來(lái)實(shí)現(xiàn)交融基因的構(gòu)建和表達(dá)。該課程總體分為兩大局部：重組基因的構(gòu)建及重組基因在腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)鑒定。其中重組基因在腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)鑒定，涉及細(xì)胞的培養(yǎng)及轉(zhuǎn)染、熒光顯微鏡的應(yīng)用、蛋白的提取及BCA濃度測(cè)定、蛋白免疫印跡分析等，涵蓋了分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在腫瘤的發(fā)病機(jī)制研究及臨床治療研究中有廣泛的應(yīng)用。

但是由于其實(shí)驗(yàn)技術(shù)多、耗時(shí)長(zhǎng)、試劑昂貴及無(wú)菌細(xì)胞操作間場(chǎng)地的限制等，使其在本科教學(xué)中難以廣泛開(kāi)展，而只能在根底醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)展小班教學(xué)。詳細(xì)表達(dá)在以下幾方面。

〔1〕耗時(shí)長(zhǎng)

課程涉及細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞轉(zhuǎn)染、蛋白免疫印跡等實(shí)驗(yàn)，本身耗時(shí)較長(zhǎng)，其中包含很多等待的時(shí)間，順利開(kāi)展需要約一周時(shí)間，而且學(xué)生需要不斷探究實(shí)驗(yàn)條件。采用虛擬仿真教學(xué)，大約需要2-3小時(shí)，學(xué)生即可掌握操作過(guò)程。

〔2〕空間限制

該實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展需要裝備獨(dú)立的細(xì)胞培養(yǎng)間，并要求嚴(yán)格無(wú)菌操作?？臻g的限制使學(xué)生只能輪流在生物平安柜中操作，增加了不必要的等待時(shí)間，并且多人操作增加了細(xì)胞污染的可能性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)打破了空間限制，不需要為了廣泛開(kāi)展而進(jìn)展大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室改造，使學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)和練習(xí)，充分掌握細(xì)胞無(wú)菌操作技術(shù)。

〔3〕消耗高

實(shí)驗(yàn)需要血清、胰酶、培養(yǎng)基、轉(zhuǎn)染試劑、BCA試劑盒、抗體等，試劑耗材費(fèi)用昂貴也是限制因素之一。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)擺脫了試劑耗材費(fèi)用昂貴的難題，并可以重復(fù)進(jìn)展，同時(shí)降低了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的損耗，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。

虛擬仿真技術(shù)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用中還有一些優(yōu)勢(shì)，主要表達(dá)在以下幾方面。

〔1〕防止危險(xiǎn)操作和有危害的試劑

對(duì)于存在潛在危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)或者需要接觸有毒試劑的實(shí)驗(yàn)，在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一般采用視頻授課或者理論講解，學(xué)生無(wú)法直接參與實(shí)驗(yàn)。利用虛擬仿真技術(shù)那么可以讓學(xué)生在虛擬情景下操作，完成對(duì)理論知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中可以放心地去做各種危險(xiǎn)或容易發(fā)生意外狀況的實(shí)驗(yàn)。例如，溴化乙錠是一種高度靈敏的熒光染色劑，可用于觀(guān)察瓊脂糖中的DNA，但其具有一定毒性，虛擬的核酸瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗(yàn)，可以防止EB直接接觸皮膚所帶來(lái)的致癌危險(xiǎn)；丙烯酰胺的危害主要是引起神經(jīng)毒性，虛擬的SDS實(shí)驗(yàn)，可防止配膠灌膠過(guò)程中發(fā)生的意外。

〔2〕更加注重實(shí)驗(yàn)的綜合性和設(shè)計(jì)性

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生可以自主的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，假設(shè)沒(méi)有按照預(yù)定的程序進(jìn)展，得到的將是錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了更好地理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)重復(fù)屢次。另外，教師在平臺(tái)上上傳所涉及實(shí)驗(yàn)的講義、課件及實(shí)驗(yàn)操作錄像，鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)根本的實(shí)驗(yàn)原理及操作流程。同時(shí)，上傳相關(guān)參考文獻(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。再由指導(dǎo)教師給與點(diǎn)評(píng)和修正，提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的才能。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)大大進(jìn)步了學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量。

四虛擬仿真技術(shù)在分子生物學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)工程是現(xiàn)代信息技術(shù)與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，通過(guò)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)原理的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析等工作，從而擺脫了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、試劑、耗時(shí)等的束縛，使得教學(xué)實(shí)驗(yàn)得以廣泛的施行[8,9]。以培養(yǎng)"根底扎實(shí)、創(chuàng)新精神強(qiáng)、理論才能強(qiáng)、綜合素質(zhì)高";的拔尖創(chuàng)新型人才為目的，我校將采取虛實(shí)結(jié)合〔實(shí)際/現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)〕、線(xiàn)上線(xiàn)下結(jié)合、科研教學(xué)結(jié)合的教學(xué)形式，大力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革〔圖1〕。

"p62基因的重組及在真核細(xì)胞中的表達(dá)";課程主要分為兩個(gè)板塊，p62重組質(zhì)粒的構(gòu)建和重組基因的表達(dá)。構(gòu)建質(zhì)粒板塊采取傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，增加學(xué)生實(shí)際操作的時(shí)機(jī)，進(jìn)步學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。重組基因的表達(dá)板塊充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)資源和空間，既豐富了學(xué)生學(xué)習(xí)形式，又彌補(bǔ)學(xué)生不能反復(fù)進(jìn)展實(shí)驗(yàn)操作的缺乏。虛擬實(shí)驗(yàn)板塊詳細(xì)分為三個(gè)局部：細(xì)胞的培養(yǎng)及轉(zhuǎn)染；蛋白提取及濃度測(cè)定；蛋白免疫印跡分析。整個(gè)操作模塊僅需2-3小時(shí)即可完成，而且不需要大規(guī)模的無(wú)菌細(xì)胞間的改建，同時(shí)擺脫了試劑耗材費(fèi)用昂貴的難題，降低了實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的耗損。

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)工程將設(shè)置學(xué)習(xí)系統(tǒng)、演示系統(tǒng)、操作系統(tǒng)及考核評(píng)價(jià)系統(tǒng)〔圖2〕。以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔。教師負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)原理的講解、操作要領(lǐng)的指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控，鼓勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的才能。為學(xué)生提早參與教師科研團(tuán)隊(duì)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工程或大學(xué)生各項(xiàng)創(chuàng)新性大賽奠定了根底。

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)工程的建立，解決了時(shí)間、空間、經(jīng)費(fèi)等對(duì)開(kāi)展現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的限制，使許多現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)或是不易大規(guī)模開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)工程得以推廣，開(kāi)闊了學(xué)生的視野，完善了學(xué)生的科研思維。實(shí)驗(yàn)通過(guò)虛實(shí)結(jié)合，采用虛擬仿真操作，可以大大節(jié)約本錢(qián)，學(xué)生可以重復(fù)操作，穩(wěn)固練習(xí)。同時(shí)，線(xiàn)上線(xiàn)下的結(jié)合，鼓勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的才能。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，打破只能通過(guò)課本或者固定地方授課的方式，學(xué)生可以通過(guò)校園網(wǎng)形式，在宿舍或者遠(yuǎn)程自我學(xué)習(xí)。在教學(xué)內(nèi)容上，更加直觀(guān)。虛擬仿真技術(shù)改革了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程中以講授和演示為主的實(shí)驗(yàn)形式，激發(fā)和培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究精神和理論創(chuàng)新才能。該工程的評(píng)價(jià)體系，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為主導(dǎo)的評(píng)價(jià)形式，重視學(xué)生的學(xué)習(xí)、練習(xí)過(guò)程，并鼓勵(lì)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題，提出解決方案。削弱了實(shí)驗(yàn)操作的不確定因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，更公平而全面。

利用豐富的網(wǎng)絡(luò)和信息化資源，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)從一種被動(dòng)的單向承受中解放出來(lái)。以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮其能動(dòng)性和創(chuàng)造力，不受時(shí)間和地域的限制來(lái)自主完成相關(guān)操作實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練。探究并開(kāi)展虛實(shí)互補(bǔ)、以虛促實(shí)的新型理論教學(xué)形式是提升理論教學(xué)的質(zhì)量和效果、培養(yǎng)面向行業(yè)需求的理論型、創(chuàng)新型人才的重要途徑。

虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育科研領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)新的開(kāi)展方向。該綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中引入虛擬仿真技術(shù)，抑制了傳統(tǒng)教學(xué)形式無(wú)法解決的困難，推動(dòng)了分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。今后，我們將進(jìn)一步完善該課程的虛擬仿真局部，將該技術(shù)運(yùn)用到更多綜合性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革中。

參考文獻(xiàn)

【1】席守民，等.醫(yī)學(xué)分子生