基于虛擬仿真技術(shù)的高校分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

馮尚國(guó) 盧江杰 王慧中

摘要：本文通過探討傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，提出將虛擬仿真技術(shù)引入分子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各自教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)，豐富教學(xué)內(nèi)容和方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；分子生物學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）19-0107-02

一、引言

近年來，分子生物學(xué)進(jìn)入發(fā)展的快車道，許多先進(jìn)技術(shù)相繼出現(xiàn)，分子生物學(xué)的理論知識(shí)已滲透到生物學(xué)的諸多領(lǐng)域。由于分子生物學(xué)具有微觀性和抽象性的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中須通過實(shí)驗(yàn)操作來形象地展示其理論和技術(shù)，所以分子實(shí)驗(yàn)在該課程教學(xué)中具有非常重要的地位[1]。隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)開始崛起，它是一種人工模擬三維仿真環(huán)境的綜合性集成技術(shù)。由于操作簡(jiǎn)便、安全性高、成本低及場(chǎng)景逼真生動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已逐步滲透入高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。至2013年以來，國(guó)家教育部便積極開展了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作[2]。如何將虛擬仿真技術(shù)引入分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，完善現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高學(xué)生的積極性和創(chuàng)新能力，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，已成為高校急需解決的教學(xué)課題。

二、傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

1.教學(xué)內(nèi)容陳舊。目前，許多分子實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與前沿分子生物學(xué)發(fā)展結(jié)合性不緊密。陳舊的教學(xué)內(nèi)容讓學(xué)生失去了學(xué)習(xí)的興趣。另外，由于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)會(huì)用到一些具有危險(xiǎn)性的化學(xué)試劑和藥品，為了學(xué)生安全考慮，教師往往選擇一些安全性高、容易操作的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這樣容易使學(xué)生得不到鍛煉，造成教學(xué)內(nèi)容陳舊、資源匱乏。

2.教學(xué)方法單一。傳統(tǒng)教學(xué)方式比較單一，往往是教師逐一講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)步驟等。學(xué)生只需在課堂上完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作，上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種教學(xué)方式看似降低了實(shí)驗(yàn)操作錯(cuò)誤率，提高了教學(xué)效率，但是學(xué)生主動(dòng)思考的機(jī)會(huì)少，容易形成惰性和依賴性，對(duì)教學(xué)內(nèi)容只知其然而不知其所以然。

3.成本投入大。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)涉及的儀器也更加先進(jìn)昂貴。許多高校在這方面的資金投入不足，無法采購(gòu)先進(jìn)高端的實(shí)驗(yàn)儀器，相應(yīng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課無法開展，學(xué)生因此無法接觸到最前沿的分子生物學(xué)技術(shù)，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

4.學(xué)生動(dòng)手能力弱。由于時(shí)間限制，教師須在上課前完成材料準(zhǔn)備、試劑配制及儀器調(diào)試等工作。學(xué)生只需按實(shí)驗(yàn)步驟將事先準(zhǔn)備的試劑按比例添加即可。學(xué)生只是在簡(jiǎn)單地模仿實(shí)驗(yàn)部分操作，并沒有參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過程，這會(huì)造成學(xué)生動(dòng)手能力差，當(dāng)遇到問題時(shí)無法找到根源所在。

5.受時(shí)空限制大。由于教室資源有限，課堂上無法允許每個(gè)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通常情況下，2—4個(gè)學(xué)生一組開展實(shí)驗(yàn)，這樣無法保證每個(gè)學(xué)生都能動(dòng)手進(jìn)行操作。另外，由于課時(shí)限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只能有選擇地進(jìn)行授課，這會(huì)讓學(xué)生有接觸更多分子生物學(xué)技術(shù)的機(jī)會(huì)。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)及在分子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

1.降低實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性。有些分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)會(huì)涉及有毒有害的化學(xué)試劑，如果操作不當(dāng)，容易發(fā)生實(shí)驗(yàn)安全事故。例如，在DNA提取中會(huì)涉及易制毒化學(xué)試劑三氯甲烷，這種試劑易燃助燃且易制毒，受公安部門管制，瓊脂糖凝膠電泳中涉及具有致癌性的溴化乙錠，蛋白質(zhì)提取中涉及易制毒易制爆試劑丙酮等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)授課不但不用接觸危險(xiǎn)性化學(xué)試劑，還可以通過直觀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)試劑的操作和使用有更為準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以降低實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，同時(shí)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)理解能力。

2.可視微觀性實(shí)驗(yàn)。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)原理比較抽象，內(nèi)容非常微觀，用到的試劑量非常少。例如，DNA用量以納克計(jì)算，PCR反應(yīng)的試劑以微升計(jì)算。另外，一些實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過程是肉眼看不見的。例如，PCR反應(yīng)中DNA是如何變性、復(fù)性和延伸的？DNA重組子的構(gòu)建實(shí)驗(yàn)中，目的DNA片段是如何連接到載體DNA上的？這些都是肉眼看不到的。只有整個(gè)實(shí)驗(yàn)完成后，通過電泳檢測(cè)才能判斷實(shí)驗(yàn)成功與否。為了更為直觀地展示實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過程或?qū)嶒?yàn)原理，我們可以采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，使之與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合，不僅可以豐富教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性，還可以使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理有更深刻的認(rèn)識(shí)，最終熟練掌握和運(yùn)用所學(xué)的分子生物學(xué)知識(shí)[3]。

3.縮短實(shí)驗(yàn)周期。有些分子實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，學(xué)生在課堂上很難完成。例如Southern雜交，其實(shí)驗(yàn)包括基因組DNA制備、DNA限制酶切、DNA消化產(chǎn)物的瓊脂糖凝膠電泳、DNA轉(zhuǎn)移、探針標(biāo)記、雜交和洗膜檢測(cè)等步驟，每一步都需要很長(zhǎng)時(shí)間，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程需要兩天甚至幾天的時(shí)間。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則可以避免此類問題的發(fā)生。教師可以將這類周期性長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成虛擬實(shí)驗(yàn)，不但可以減少實(shí)驗(yàn)等待時(shí)間，使實(shí)驗(yàn)過程變得清晰緊湊，還可以讓學(xué)生在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過程中有的放矢，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率[3]。

4.降低實(shí)驗(yàn)成本。有些分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)會(huì)涉及價(jià)格昂貴的化學(xué)試劑或大型儀器。例如，RT-PCR實(shí)驗(yàn)要用到價(jià)格很貴的反轉(zhuǎn)錄試劑盒，熒光定量PCR實(shí)驗(yàn)要用到價(jià)格不菲的熒光定量PCR儀。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則不需要采購(gòu)這些價(jià)格昂貴的化學(xué)試劑和大型儀器，在虛擬實(shí)驗(yàn)中，不但可以保證學(xué)生接觸更先進(jìn)的分子生物學(xué)技術(shù)，增加更為豐富的教學(xué)資源，還可以大大降低實(shí)驗(yàn)資金投入。

5.打破空間限制。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受空間限制，只要有移動(dòng)終端，學(xué)生就可以隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開始實(shí)驗(yàn)操作，每位學(xué)生都有動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)會(huì)。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生多次進(jìn)行平臺(tái)重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，這樣既可以加深學(xué)生對(duì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的理解，也可以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

6.豐富考核方式。傳統(tǒng)分子實(shí)驗(yàn)考核方式是學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最終成績(jī)由考勤率、實(shí)驗(yàn)操作表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)構(gòu)成。這種考核方式過于單一，不利于學(xué)生積極性和創(chuàng)造性的提高，且容易造成學(xué)生機(jī)械性地完成或相互抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的考核方式更具多樣化和生動(dòng)化，教師事先設(shè)置好相應(yīng)的“知識(shí)障礙”，學(xué)生設(shè)法解除“知識(shí)障礙”，并成功完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后才獲得相應(yīng)的成績(jī)[4]。這種考核方式可以激發(fā)學(xué)生接受考核的積極性，減少抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)象，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

四、結(jié)束語

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是高校生物專業(yè)學(xué)生必修重要課程之一。將虛擬仿真技術(shù)引入分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不但可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，加深對(duì)分子生物學(xué)知識(shí)的理解，提高創(chuàng)新能力，而且可以密切聯(lián)系實(shí)際，豐富教學(xué)內(nèi)容和方式，降低教學(xué)成本投入，提高教學(xué)質(zhì)量。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不能放松實(shí)際動(dòng)手操作能力的培養(yǎng)，一定要采取虛擬仿真與實(shí)際操作相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，只有這樣才能更好地提高教學(xué)效果，培養(yǎng)出更多的創(chuàng)新性人才。

參考文獻(xiàn)：

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