中醫藥院校分子生物學虛擬實驗建設及應用

蔣嘉燁, 栗 源, 可 燕

(上海中醫藥大學 教學實驗中心, 上海 201203)

中醫藥院校分子生物學虛擬實驗建設及應用

蔣嘉燁, 栗 源, 可 燕

(上海中醫藥大學 教學實驗中心, 上海 201203)

論述分子生物學虛擬實驗軟件特色及其在教學中的應用及體會。將虛擬實驗引入教學及課外拓展中,規范了實驗操作、提高了實驗效率。虛擬實驗也需要完善和發展,虛擬實驗并不能完全替代真實實驗。虛實結合、相輔相成,使二者有機結合,更好地服務于分子生物學實驗教學。

中醫藥院校； 分子生物學； 虛擬實驗； 教學應用

分子生物學是2l世紀生命科學中最重要的學科之一,其理論與技術已滲透到中醫藥研究的各個領域,成為診斷、治療和預防疾病的重要手段[1]。將分子生物學技術引入到中醫中藥的實驗教學中來,在培養中醫藥人才方面具有重要的地位[2-3]。然而,傳統意義上的分子生物學實驗往往耗時費力費錢,試劑可能對人體有害,對教學設備、場地、師資及實驗學時的要求均較高,中醫院校中分子生物學課時稍顯不足,一定程度上限制了其在本科生教學中的廣泛應用[4]。近年來網絡技術的進步和基于網絡的虛擬實驗技術的出現為該問題的解決提供了可能[5-6]，虛擬實驗技術在教學中的最直接應用就是“虛擬實驗平臺”[7]。虛擬實驗平臺以高仿真、互動性、網絡化特點突破了傳統實驗教學對實驗場地、時間及教學經費等條件的依賴。我校教學實驗中心作為第一批國家級虛擬仿真實驗教學示范中心,目前在分子生物學虛擬實驗建設中已經擁有自主知識產權的虛擬實驗項目24項,已在多家醫學院校推廣并受到好評。在實驗課程教學改革方面,采用虛實結合方式,進行分子生物學教學模式改革,解決了分子生物學耗時費力費錢、試劑可能對人體有害、實驗條件不足與需求旺盛的矛盾。

1 分子生物學虛擬實驗軟件特色

1.1 嚴謹的科學性

本虛擬實驗由我校分子生物學領域專家領銜的專業研發小組設計開發,實驗中每步細節都經過反復推敲討論,匯集集體經驗。正式上線前,由全國虛擬實驗教學平臺多位專家評估鑒定,在專家建議意見基礎上修改完善。虛擬實驗建設校企結合的模式保證了發現問題隨時能進行修改,一些新的技術和替代方法也可及時補充到虛擬軟件中,避免了部分虛擬軟件中完善周期長的不足。

1.2 優化的教學設計

虛擬實驗建設前充分調查了教師和學生的需求,基于學生的學習心理、學習方式及學習興趣,結合教師授課經驗,應用三維動畫吸引學生注意力；設置有多處選擇項,突出操作關鍵環節；設置大量提示框,包含關鍵知識點；游戲通關,提高學生興趣；學考結合,任務完成提升學生成就感。

1.3 較好的體驗性

突破時間、地點和設備數量的限制,寢室、家中都可作為第二課堂,學生通過局域網或Internet網進入虛擬實驗室自主學習。軟件高度寫實,實驗所用的儀器、試劑和耗材的圖像采集均以實體為標準,學生處于虛擬實驗室中,可以產生逼真的沉浸感,使得學生在一個極其生動、活潑、輕松、有趣的環境里進行虛擬實驗,避免部分虛擬軟件中沉浸感的不足。

2 分子生物學虛擬實驗在教學中的應用

2.1 建立虛實結合的實驗教學體系

虛實結合是國家級虛擬仿真實驗教學中心建設的原則,充分發揮真實實驗和虛擬實驗各自的優勢,進行實驗教學體系改革。以“醫學基本技能操作”課程改革為例,教學設計上采用虛實結合的方式,能實不虛,以虛補實,虛擬實驗占比20%,取得了較好的效果。學生利用虛擬實驗進行預習、掌握整體實驗過程的規范性,而真實實驗訓練學生對技術難點及關鍵點的把握,在實際中發現學生存在的問題。學生通過反復練習、反復再現實驗情境,不斷提高對實驗的掌握程度。

經過以上的教學改革,我們做了教學結果的調查研究,調查了2014級中藥專業和中西醫結合專業學生共214名,結果顯示,在課外經常登錄使用虛擬實驗的學生比例占44.39%,而想通過虛擬實驗進行課前預習的學生比例高達73.36%。學生普遍反映真實實驗和虛擬實驗相結合的模式加深了他們對實驗原理、步驟、實驗細節的掌握和理解,提高了他們的學習興趣和學習效果。

2.2 拓展課外知識及技能

虛擬實驗平臺因其開放性、便捷性在自我學習中占有較大的優勢。在探索性自主性實驗、大學生創新項目和研究生課外拓展中都發揮著重要的作用。本虛擬實驗平臺包括許多經典的實驗方法,如熒光定量PCR、Western blot等,在學生中廣受歡迎。截止到2015年10月,分子生物學虛擬實驗平臺2015年度月均使用率達到1 023人次。學生已把其當成一個重要課堂去完善自身知識體系。針對學生課外對虛擬實驗平臺的使用,我們隨機選取了100名應用虛擬實驗平臺的研究生進行調查研究。結果顯示，認為其對提高自身實驗操作技能有較大作用的占87%,認為其作為分子生物學輔助實驗教程較合適的占80%。

3 分子生物學虛擬實驗建設及應用體會

虛擬實驗作為現實實驗的補充,具有廣闊的應用前景[8-9],既可作為課程內的補充,也可服務于本科生探索性自主性實驗、大學生創新項目及研究生科研前期基本操作的規范化訓練,有利于加快學生融入個性化的自主探究式學習和研究型學習,有力地促進了實驗教學的深入改革。然而,目前虛擬實驗建設也存在著需要進一步提高之處。

3.1 虛擬實驗建設需緊跟新一代學生認知習慣

在目前信息化高速發展的時代,學生的認知習慣要求信息提供的便捷性、短時間的注意力吸引及學習過程的參與性。目前應用的虛擬實驗網絡版，一定程度上改善了單機版受到時間、地點和設備數量的限制,但進一步開發個人移動終端版本讓學生能隨時隨地應用虛擬實驗，仍是下一步完善的方向。虛擬實驗項目雖具有較好的科學性,但是個別虛擬實驗項目操作用時仍較長,因此需要借鑒微課程的形式,拆分冗繁的虛擬實驗,達到最佳效果。虛擬實驗項目雖具有較好的體驗性,卻存在學生跟著操作提示而無思考過程等不足,因此需要進一步設計問答式方案,促進學生對實驗過程的思考。

3.2 虛擬實驗建設應該向新技術發展

分子生物學是現代生命科學領域中的前沿性學科, 其發展速度快、應用廣泛, 且與多學科廣泛交叉, 已經成為眾多學科研究的基本工具[10]。目前建設的分子生物學主要面向本科生和研究生基本培訓,但是由于分子生物學發展日新月異,有部分學校并未引入高精尖的儀器。因此,虛擬實驗仍需進一步建設分子生物學前沿的實驗技術,滿足不同學校、不同層次人員應用學習需求。

3.3 虛擬實驗不能完全代替真實實驗

雖然在制作虛擬實驗的過程中,通過三維模擬等手段盡可能地保持與實物的一致性,但是與實際操作之間還是會存在一定的差異。用鼠標拖動觸摸不到實際儀器及器材,體會不到真實實驗的操作手感,而且,真實實驗中的突發情況在虛擬實驗中也體會不到。因此虛擬實驗不能完全取代傳統實驗教學,只是對傳統實驗教學的完善、補充和擴展。

4 結語

虛擬實驗的建設和應用,是實驗教學的一個新的發展方向,它必將促進教學觀念與教學形式的變革。將虛擬實驗引入輔助教學及課外拓展中,規范了實驗操作,提高了實驗效率,增強了學生在學習活動中的自主性和創新性[11]。當然,虛擬實驗仍需要完善和發展,虛擬實驗也不能完全替代真實實驗,應用上也存在著一定的局限性。因此,虛擬實驗的建設和應用要以學生需求為導向,虛實結合、相輔相成,使二者有機結合,更好地服務于分子生物學實驗教學。

References)

[1] 唐炳華.醫學分子生物學[M].北京:中國中醫藥出版社, 2011.

[2] 賈連群,柳春,王艷杰,等.中醫藥專業醫學分子生物學教學模式的探索[J].山西醫科大學學報:基礎醫學教育版, 2008, 10(1): 25-26.

[3] 苗明三,孫艷紅,方曉燕,等.論分子生物學技術在中醫藥研究中的應用[J].河南中醫學院學報, 2003, 18(6): 70-73.[4] 孫銘娟,王梁華,黃才國,等.分子生物學虛擬實驗教學軟件的設計與應用探索[J].中國醫學教育技術,2011,25(3):283-285.

[5] 德偉,王子杰,陳雅,等.探討分子生物學虛擬實驗的構建要素[J].南京醫科大學學報:社會科學版,2013,55(2):166-168.

[6] 楊銀峰,朱月春,王昕,等.虛擬實驗技術在分子生物學實驗教學中的應用[J].昆明醫科大學學報,2013,34(11):133-136.

[7] Iazzetti G,Santini G,Rau M,et al.VIRTLAB Avirtual Molecular Biology Laboratory [J].Bioinfomatics：Oxford,1998,14(9):815-816.

[8] 劉向華,德偉,劉志軍,等.虛擬實驗在分子生物學實驗教學中的作用[J].基礎醫學教育,2014,16(11):973-975.

[9] 劉向華,德偉,劉志軍,等.醫學分子生物學虛擬實驗的建立和應用優勢[J].西北醫學教育,2015,23(2):309-311.

[10] 郭靜,張一鳴,王寧.虛擬現實技術在分子生物學實驗教學中的應用[J].山西醫科大學學報:基礎醫學教育版, 2008,10(5):626-628.

[11] 韓志芬,管仲元,郭春榮,等.分子生物學虛擬實驗教學軟件的應用[J].實驗室研究與探索,2011,30(6):284-286.

Construction and application of virtual experiment of molecular biology in traditional Chinese medicine colleges

Jiang Jiaye, Li Yuan, Ke Yan

(Experiment Center for Teaching and Learning,Shanghai University of raditional Chinese Medicine,Shanghai 201203, China)

This paper discusses the features, teaching application and experience of virtual experiment of medical molecular biology, and introduces virtual experimental teaching and extracurricular counsel. It will standardize the experimental operation, and improve the efficiency of the experiment. Virtual experiment also needs to improve and develop, and cannot completely replace the real virtual experiment. Making the organic combination of both, it will better serve the molecular biological experimental teaching.

traditional Chinese medicine colleges； molecular biology; virtual experiment; teaching application

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.043

2016-06-16

國家基礎科學人才培養

(J1103607)；上海市教委預算內科研項目(2014JX10)；上海中醫藥大學課程建設(SHUTCM2015KCJS039)

蔣嘉燁(1984—),男,浙江浦江,碩士,實驗師,教學實驗中心醫學基礎實驗室副主任,主要從事西醫基礎實驗課的教學與研究

E-mail：jiayejiang@163.com

可燕(1969—),女,河北安平,博士,教授,教學實驗中心副主任,主要從事實驗教學與研究.

E-mail：keyantcm@163.com

G642.0

: A

: 1002-4956(2016)12-0174-03