虛擬仿真實驗教學在分子生物學實驗教學中的應用思考

姚慶收，秦加陽，張小華，賽思翔

（濱州醫學院藥學院，山東 煙臺 264003）

大眾創業，萬眾創新。國家政策的引領和創新創業教育的大力發展，使得眾多地方高校在定位辦學目標時以應用型人才培養為主，發展創新創業教育，服務本地經濟發展兼顧外延拓展，為當地經濟和社會發展輸送優秀人才。應用型人才的培養離不開實驗教學，有效的實驗教學是學生鞏固課堂知識、掌握基本實驗操作技能，并在實驗過程中觀察、分析實驗現象，得出科學合理結論的過程；更是不斷培養分析并解決問題能力、提升創新能力的重要環節。分子生物學課程在生命科學相關專業課程體系中具有重要地位[1]，是近幾十年傳統生物學在分子水平上的創新和延伸，從分子水平揭示生命活動規律的學科。分子生物學課程不僅從分子水平上闡述了生物信息的傳遞規律和基因表達調控知識，還囊括了眾多實驗新技術。如何在教學過程中更好地傳授分子生物學實驗技術，讓學生不僅掌握這些技術的原理和方法，還能在操作和應用過程中提高分析及解決問題能力，最終達到活學活用并探索新的分子生物學實驗技術的目的，是很有意義的教學研究。

1 傳統分子生物學實驗教學

傳統分子生物學實驗教學在長時間發展過程中積累了豐富的經驗，具有很多優點。如教師隨堂指導，能夠發現并及時解決問題；學生可以動手操作實驗儀器，參與實驗全過程，鍛煉操作技能。但是，傳統分子生物學實驗教學也有其缺點，具體如下。

1.1 教學內容受限

傳統實驗教學由于受實驗室條件、實驗經費、學生人數和學時等因素的影響[2-3]，在教學內容選擇上具有較大的局限性。在教學安排時，只能根據現有的實驗條件進行教學內容取舍，往往只安排一些相對容易操作、在短時間內能夠完成的實驗，如動植物細胞DNA或RNA提取、質粒DNA提取、DNA酶切、PCR擴增、瓊脂糖凝膠電泳、重組DNA轉化、重組子篩選及鑒定和SDS-PAGE等實驗。雖然學生有機會進行實驗操作，但僅僅鍛煉了基本的分子生物學實驗操作，與熟練運用分子生物學實驗技術的要求還有很大差距。而一些重要的實驗技術，如實時定量PCR技術、酵母單雜交技術、酵母雙雜交技術、Western-blot技術等相關的實驗教學相對較少，而這些技術在學生后續學習或工作中都是常用的實驗技術。因此，如何改變這種現狀，拓展分子生物學實驗教學內容，不再局限于最基本的實驗技術，是值得思考的問題。

1.2 教學互動性差，學生參與度低

在實驗過程中，受實驗室條件限制，學生通常分小組進行實驗，參與度不一致。學習積極性高的學生能夠主動參與實驗，并注意觀察實驗現象，遇到不懂的問題能及時與授課教師溝通；但也有部分學生參與度不高，在整個實驗過程中處于游離狀態。限于實驗時間，授課教師不僅要負責實驗講解、實驗指導，還要關注實驗進程，及時解決學生提出的問題，不能全程跟蹤每位學生。學生在實驗過程中需要完成相關的實驗項目，還要對實驗進行分析總結，撰寫實驗報告，這導致學生沒有時間認真思考實驗，遇到問題也難于追根溯源，甚至有些學生的實驗操作是錯誤的。部分學生為了上課而上課，走馬觀花，機械完成實驗操作，不思考為什么這么操作、為什么這個實驗會得到這種結果、這個實驗是與哪些分子生物學理論相關聯。所以整個實驗過程流于形式，難以培養學生分析問題、解決問題能力以及創新思維，自然也不能起到實驗課程應有的作用。

1.3 實驗過程缺乏安全性

分子生物學實驗中會用到較多有毒有害試劑，如二甲基亞砜、β-巰基乙醇、四甲基乙二胺等。由于學生實驗操作水平有差異，對實驗室安全的認知和防護能力也不同，勢必會出現試劑應用不規范、操作不規范問題，進而造成實驗室污染，也給使用者和接觸者帶來人身危害。同時，在實驗過程中產生的廢液、廢棄物需要進行處理，造成實驗費用的增加。因此，探究分子生物學實驗教學改革，既能讓學生真正鍛煉實驗操作技能，又能避免實驗過程中出現的問題，提高實驗教學質量至關重要。

2 分子生物學虛擬仿真實驗教學的可行性

虛擬仿真實驗教學是一種重要的實驗輔助手段，借助多媒體和互聯網，基于虛擬實驗軟件，逼真模擬實驗過程，通過人機互動達到在虛擬網絡平臺上進行實驗重現和學習的目的[4-5]。虛擬仿真實驗教學具有傳統分子生物學實驗教學無可比擬的優勢，在諸多方面彌補了傳統實驗教學的不足[6]。

2.1 便于師生互動，提高教學質量

虛擬仿真實驗教學平臺為師生互動提供了條件[7]。在平臺上，學生能夠按照實驗課堂的要求，對所要進行的實驗項目進行模擬。在模擬過程中，學生按照實驗設計仔細操作每一個步驟，并對實驗過程進行反復練習，對于不能掌握的實驗步驟可以多次模擬，通過重復練習加深印象。教師可以在實驗過程中針對操作步驟或涉及的實驗原理設置不同的練習題，讓學生進行解答，學生如果沒有掌握實驗操作技能或實驗原理，則不能通過當前測試，無法進行下一階段的學習。這種模擬教學不但能夠加強學生對操作技能的掌握，加深印象，同時也將實驗與理論相融合。平臺可以記錄學生的操作情況并統計分析，教師可以根據統計數據有針對性地對實驗過程中出現的問題進行講解甚至個別輔導，從而有效解決傳統實驗教學中師生互動較少的問題，加強對學生學習情況的了解，進而提高教學效果。

2.2 節約實驗經費，便于實驗內容的選擇

分子生物學實驗教學往往會根據專業人才培養目標和實驗條件有針對性地選擇實驗教學內容，需要購買藥品、耗材和實驗儀器等，而且藥品和耗材不具有可重復使用的特點，因此，每年都需要在實驗教學方面投入大量經費。而虛擬仿真實驗借助網絡資源和編程軟件，根據實驗內容要求編輯出數量眾多的實驗項目，方便實驗內容的選擇，避免了一些實驗因需要貴重儀器等原因而無法開展的情況。教學中涉及的實驗技術都是成熟的分子生物學實驗技術，編輯的實驗項目軟件可以在較長時間內使用，具有一定的持續性，可以節省大量實驗經費。學生通過軟件反復練習實驗操作直至掌握，彌補了傳統實驗教學由于練習少導致學生“課上會課下忘”的缺陷。

2.3 提高實驗教學的安全性

虛擬仿真實驗教學基于網絡和數據，逼真地模擬了實驗過程。在教學過程中，只要具備實驗室、計算機、網絡和實驗教學模擬軟件等條件，就可以完成實驗過程，不再需要真實的實驗操作，也避免了對實驗儀器和實驗試劑等的依賴。同時，避免在實驗操作過程中，由于操作不當損壞實驗儀器、帶來人身傷害和耽誤實驗開展等問題，或者由于試劑濺出、揮發等造成人身傷害或實驗室污染，更避免了致病菌等有害生物帶來的生物安全風險等，從而有效提高了實驗教學的安全性。例如SDS-PAGE實驗由于所用部分試劑容易揮發且對人體有害，在實驗過程中不可避免地帶來實驗安全問題，而且該實驗又與瓊脂糖凝膠電泳實驗有許多相似操作。通過虛擬仿真實驗教學，不但避免了實驗試劑的危害，還能讓學生在虛擬仿真SDS-PAGE實驗中與瓊脂糖凝膠電泳實驗進行比較，進一步掌握實驗技術，提高教學質量。

3 展望

萬事萬物各有利弊，雖然傳統實驗教學受到實驗儀器、實驗經費、實驗場地和實驗安全等條件的限制，但傳統實驗教學也有虛擬仿真實驗教學無法比擬的優勢。傳統實驗教學由于直接在實驗室操作，學生接觸的是真實的實驗儀器、實驗試劑及耗材，與虛擬仿真的實驗場景有著本質區別，儀器的可觸摸感和可操作感是虛擬仿真操作無法替代的。有些實驗感官刺激非常強烈，如顏色變化、沉淀生成和凝膠中有色條帶的移動等，會給學生真切的感受；而虛擬仿真平臺雖然也可以設置這些變化，但缺乏傳統實驗教學的真實感。因此根據實驗室條件和教學內容，合理安排傳統實驗教學和虛擬仿真實驗教學，使二者有機結合，相得益彰，從而有效提高分子生物學實驗教學質量，是更科學更有效的教學方式。