以生物醫學交叉領域大學生科研創新能力培養模式研究為例

尹娟 劉誠 宋金卓 董絮 汪嬌

摘 要：古生菌作為一種特殊的微生物類群，在人類皮膚微生物組中是一個恒定但高度可變的組成部分，目前研究發現：奇古菌可能通過硝化作用降低皮膚pH，造成皮膚屏障功能破壞;在土壤、海洋中的氨氧化古菌通過氨氧化作用調節生活環境中的氨氮平衡，與我們生產生活密切相關。因此，越來越多的科研人員對其進行深入探索，但傳統實訓實驗中存在著古生菌分離培養成功率低、周期較長、菌株鑒定成本高、遺傳和生化操作技術平臺要求高等問題，基于傳統實驗操作的連貫性、真實性、記憶性等特點，為模擬古生菌實驗的細節以減少錯誤率而擬創建集科普、教學、科研于一體的皮膚古生菌虛擬實驗科普互動學習平臺——《異“菌”突起》。通過古生菌的發現歷程、簡介、應用前景等版塊提供對極端微生物生活環境和生物學特性與功能角色的介紹，利于虛擬培養板塊利用網頁交互操作進行線上古生菌相關實驗操作模擬（本文主要以氨氧化古菌為代表菌株，模擬其分離、培養與鑒定過程）。

關鍵詞：虛擬實驗科普互動平臺;古生菌;實驗模擬;教學資源

隨著社會的不斷發展，科學技術的進步，人們逐漸走進了互聯網時代，個性化學習也層出不窮。其中，教育部強調了虛擬仿真實驗教學的重要性，并于2013年開始國家級虛擬仿真實驗教學中心的申報和布點工作，取得了很好的示范效果[1]。因其發展帶來的便利，本團隊擬建立集科普性、學術性、技術性、創新性為一體的《異“菌”突起》——湖文本科特色虛擬實驗科普互動微生物平臺。

1 皮膚古生菌虛擬實驗科普互動平臺創建背景

皮膚是人體最大的器官，作為人體的第一道防線，通過淋巴系統、血管系統和表皮神經與身體的其他部分相連接，具有屏障、吸收、感覺、分泌排泄、體溫調節等多種功能。成年人皮膚布滿豐富的褶皺、凹陷和附屬物，面積大約為18m2，而每1cm2的皮膚表面多達10億個微生物：細菌、真菌、古生菌、病毒等，這些微生物與皮膚健康息息相關。而古生菌作為一種古老的細菌存在于皮膚上，直接或間接的影響皮膚健康。

基于近年來皮膚古生菌在生物醫學、生活生產、工業環境等方面的發展情況及重要性，本文以生物醫學交叉領域大學生科研創新訓練研究項目——“襄陽市不同地區居民皮膚古生菌的分離鑒定及其菌群進化關系的初探”為例，建立《異“菌”突起》虛擬實驗科普互動平臺，用于對皮膚古生菌相關知識及實驗內容進行學習以及模擬操作。

虛擬實驗科普互動平臺采用理論與實踐結合的模式，通過古生菌的發現、簡介、虛擬培養、應用前景四個模塊，以視、聽、觸等感覺器官來接收信息，讓生命科學及生物醫學交叉領域專業的學生了解學習古生菌（以皮膚古生菌為例）生物學特征，掌握其分離、培養與鑒定等實驗操作細節，為科研創新訓練提供了一個不受時間、空間限制的學習實踐平臺;在教學資源方面，提供對極端微生物生活環境和生物學特性與功能角色的介紹，營造自主個性化學習、自主實驗的虛擬科研條件，激發學生創新思維，提升現實動手實踐能力。

2 《異“菌”突起》虛擬實驗科普互動平臺的構建

2.1 虛擬實驗科普互動平臺內容設計

《異“菌”突起》虛擬在線學習平臺的內容設計要求簡潔、便于操作、比例協調、重點突出。其擁有“古生菌的發現歷程、已知古生菌的簡介（分類、分布與功能、進化樹）、古生菌虛擬培養、古生菌的應用前景（例如，氨氧化古菌產氨——氮循環、產甲烷古菌產甲烷——碳循環）”四個菜單欄，根據需求，點擊進入后獲取相應的資源（文章、視頻、圖文、科普、菌株信息等）。其中古生菌虛擬培養是該平臺的特色板塊，云實驗通過鼠標的拖拽及聲音的感知使學生有較強的代入感。

2.2 虛擬實驗科普互動平臺板塊設計

本項目提出“知識學習——實驗模擬——實際操作”，將理論與實踐相結合，線上進行古生菌相關實驗的模擬，線下進行實際操作，通過《異“菌”突起》將兩者聯系起來，不僅可以提高學習者的知識學習效率，同時還能使實際實驗操作的容錯率增加。線上線下的相互促進融合，一方面提高科研創新訓練的實驗技能，另一方面提供了教學的輔助資源。

2.2.1 古生菌的發現歷程

現今一切生物都是由共同的遠祖，一種小的細胞進化而來，分化出細菌和古生菌這兩類原核生物?！懂悺熬蓖黄稹诽摂M學習平臺通過導入互聯網數據庫中相關文獻信息，從系統種系開始向受眾介紹什么是古生菌、古生菌是如何發現的、目前對古生菌的研究等等。借此平臺系統的介紹古生菌的發現歷程，向讀者展現特殊類群的微生物，激起其對古菌的研究興趣。

2.2.2 古生菌虛擬培養

《異“菌”突起》虛擬實驗科普互動平臺通過計算機的3D技術和人際交互模式使用戶體驗“動手做實驗”的樂趣，加強用戶基礎知識，使用戶在實驗中發現問題、探索問題;同時用戶還可以自主完成科研設計，培養科研思維習慣。古生菌培養周期較長、皮膚表面無菌采集較難、且器材耗費昂貴等原因有利于《異“菌”突起》虛擬在線學習平臺的建立，以氨氧化古菌為例，該平臺包括實驗前準備（消菌防護措施、培養基配制、樣本采集）、虛擬實驗操作（樣本培養、菌液分離純化、16S rRNA基因擴增）、實驗后總結（數據整理、實驗器材歸為）三部分。進入虛擬實驗后，系統會按照已定的操作內容給予提示，操作人員根據相應的提示（實驗裝置、實驗步驟、操作要點、注意事項等內容）通過拖動鼠標、點擊系統正確器材或者操作過程來繼續實驗。實驗操作結束后，系統會進行數據的整理及實驗器材的正確歸位提示，在整個虛擬實驗完成后，系統會根據操作人員的細節操作給予評分，可選擇繼續實驗模擬或退出實驗模擬。

2.2.3 古生菌的應用前景

科學家利用許多微生物給人類生活帶來了益處，例如益生菌、噬菌體療法等等，古生菌的發現對人類健康、生產等方面也存在潛在的應用前景。氨氧化古菌產氨——氮循環、產甲烷古菌產甲烷——碳循環等等之類的應用前景都在這一板塊展示出來，在讀者學習的同時帶來科研及創業靈感，更好地利用菌株資源。

3 虛擬實驗科普互動平臺創建的目的及優點

3.1 虛擬試驗科普互動平臺創建的目的

隨著科技水平的提高，人們越來越渴望深入探究人體各個組織器官微生物群落的生物多樣性、組織結構以及功能差異，更加徹底的了解人類自身，皮膚狀態影響一個人的直觀感受，皮膚微生物組受到越來越多的關注。而在其中有一類特殊的微生物代表——古生菌，人類皮膚微生物組的一個恒定但高度可變的組成部分。

皮膚古生菌的科學研究起步相對較晚，且沒有較完善的古菌培養系統，在實驗室條件下生長的物種并不一定是取樣部位占支配地位的物種，不能正確地呈現皮膚微生物群落的原始狀態，因此皮膚微環境的成分復雜性在實驗室內很難完全模擬，再加上傳統實訓實驗教學存在著古生菌分離培養成功率低、周期較長、菌株鑒定成本高、遺傳和生化操作技術平臺要求高等問題，分離、培養與鑒定過程中一步失誤就會造成實驗的停滯以及材料的浪費。

基于本課題組的“襄陽市不同地區居民皮膚古生菌的分離鑒定及其菌群進化關系的初探”，本項目擬建立《異“菌”突起》虛擬實驗科普互動平臺，用于對皮膚古生菌的相關實驗進行模擬，進行初步的探索學習。

3.2 虛擬試驗科普互動平臺創建的優點

傳統實訓實驗教學具有真實性、連貫性、記憶性等較強的特點，但我們不難發現傳統實訓實驗教學的資源和模式存在以下幾個共通的問題：一是實訓環境主要為實景，無法進行沉浸式教學，知識理解難度較大;二是場地以及空間均受限制，學生無法隨時隨地進行實驗學習;三是實訓實驗的基礎設備要進行定期的維護以及更新;四是教學資源相對于互聯網時代較落后[2]?；趥鹘y實訓實驗，以生物醫學交叉領域大學生科研創新能力培養模式研究為例建立的《異“菌”突起》虛擬實驗科普互動平臺可以很好的解決以上的問題。

通過虛擬實驗科普互動平臺可以進行樣本采集、培養基配制、古生菌生長、古生菌分離純化、菌種鑒定等實驗內容的模擬操作，減少傳統實際實驗操作中資源的消耗，且實驗模擬不再受時間、空間、條件及人數的限制，通過云操作有較強的情景代入感，同時，反復操作的可能性增強了學生的實驗動手能力，可避免知識的遺忘，在科研創新訓練方面提供一個學習實踐平臺;在教學方面，虛擬實驗科普互動平臺是對教學的一種輔助資源，節省了實驗教學的時間，提高教學質量，更好地培養學生自主思考的能力，激發同學們的創新思維能力，給社會提供了專業水平扎實、理論知識過硬的復合型人才。

4 結語

虛擬仿真實驗教學是依托虛擬現實、多媒體、人機交換、數據庫和互聯網通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環節和實驗對象，在虛擬環境中開展實驗，以便在真實實驗不具備或難以完成的條件下實現教學效果的教學方式。

《異“菌”突起》虛擬實驗科普互動平臺的建立與應用，實現了虛擬項目中儀器、場景、實驗操作的可視化，可以為學生、教師、科研愛好者等學習對象提供學習交流、互助的平臺。對學生來說，學習地點不再僅僅局限于課堂，并且能學到課堂上老師由于其他原因未普及的知識，拓展學生眼界、增加對醫學健康、生物資源、未來生物醫藥等領域的知識見解;對教師來說，利用虛擬在線教育平臺教學，為傳統教育模式帶來空間，注入新的活力;同時平臺的不同模塊使資源優化、開放、高效，營造自主個性化學習、自主實驗的虛擬科研條件，激發學生創新思維，提升現實動手實踐能力。

未來我們將在初步建立的基礎之上繼續擴充資源，擴大共享范圍，以期取得更好的效益，借助于互聯網培養專業技能人才。

參考文獻：

[1]技術革命催生中國高等教育變革[J].新課程研究（中旬刊），2013（08）：77.

[2]田萌.新冠疫情下基于虛擬現實技術的實訓教學平臺建設研究[J].價值工程，2020，39，569：9-12.

基金項目：本文系湖北省高校人文社科重點研究基地湖北文理學院鄂北區域發展研究中心課題基金資助（項目號：2020JDB016）

作者簡介：尹娟（2000— ），女，漢族，湖北襄陽人，本科，研究方向：微生物學。