放射性同位素標(biāo)記核酸雜交實驗項目的建設(shè)與應(yīng)用

龔思穎， 許文亮， 胡 原， 鄧靈福， 秦麗瑋， 李 兵

（華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物學(xué)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心，武漢430079）

0 引 言

為加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源的建設(shè)與應(yīng)用，促進信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合，解決中國大學(xué)生動手能力不足等問題，教育部于2013年和2017年分別啟動了國家虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)［1-2］。為加快振興本科教育，全面提高高校人才培養(yǎng)能力，發(fā)揮國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目示范引領(lǐng)作用，2018年教育部就加強國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目持續(xù)建設(shè)與應(yīng)用有關(guān)工作做了進一步規(guī)范，“淘汰水課，打造金課”正式寫入教育部文件［3］。自2017年教育部開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)開始，截至2019年，ilab-x實驗空間上共有2 000＋虛擬仿真實驗教學(xué)課程。

2020年新冠肺炎疫情使得全球許多國家數(shù)以億計的大學(xué)生處于停課、停學(xué)、停教的危機狀態(tài)。中國成功實現(xiàn)了“停課不停教、停課不停學(xué)”，截至5月初，我國1 454所高校開展了在線教學(xué)工作。新冠肺炎疫情加速在線教育的發(fā)展，《2020年政府工作報告》明確作出“推進教育信息化”的重要部署，教育部已啟動中長期規(guī)劃和“十四五”規(guī)劃編制工作［4］。虛擬仿真實驗教學(xué)正在成為一種新的教學(xué)手段，推動高校教育信息化建設(shè)，打造虛擬仿真“金課”、建設(shè)國家虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程成為虛擬仿真資源建設(shè)的重要目標(biāo)。

1 項目建設(shè)的意義

生物學(xué)建立在實驗基礎(chǔ)上，從早期轉(zhuǎn)基因植物研究以來，核酸分子雜交技術(shù)在核酸結(jié)構(gòu)和功能研究、基因表達調(diào)控和物種親緣關(guān)系研究中發(fā)揮著重要作用［5］。放射性同位素標(biāo)記核酸分子雜交是遺傳學(xué)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)研究中常用的技術(shù)之一，與Realtime PCR技術(shù)及地高辛標(biāo)記相比，放射性同位素由于其靈敏度高，實驗重復(fù)性好，結(jié)果可靠，在Northern雜交、Southern雜交中廣泛應(yīng)用［6］。但由于安全風(fēng)險大、實驗周期長、成本高以及學(xué)生需持“輻射安全與防護培訓(xùn)合格證”才能進行相關(guān)實驗操作等原因，無法經(jīng)常性大規(guī)模面向本科生開展。生物學(xué)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心（以下簡稱“中心”）開發(fā)建設(shè)的首批國家虛擬仿真項目“放射性同位素標(biāo)記核酸分子雜交實驗”，突破了時空限制和高危實驗環(huán)境制約，彌補了實體教學(xué)的不足［7］。

2 項目開發(fā)

中心圍繞軟件功能開發(fā)、實驗內(nèi)容和教學(xué)模式設(shè)計、應(yīng)用成效、持續(xù)改進與共享等方面，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、提高實踐能力為目標(biāo)，注重將科研成果融入實驗教學(xué)，寓“教”于“研”［8］。

2.1 教學(xué)軟件功能模塊開發(fā)

該項目屬于遺傳學(xué)實驗——轉(zhuǎn)基因植物鑒定與表型分析綜合設(shè)計型實驗的一個專題，該教學(xué)軟件由南京萊醫(yī)特電子科技有限公司開發(fā)，綜合運用了ZBrush、3DS MAX、3D-Coat、AE、Unity3d等軟件，教學(xué)時長3學(xué)時，包含實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒灢僮鳌⒄n后鞏固、實驗報告5個模塊（見圖1）。①實驗?zāi)康哪K：明確實驗內(nèi)容及重難點，幫助學(xué)生在系統(tǒng)學(xué)習(xí)中快速將所學(xué)內(nèi)容有效聯(lián)系，提高學(xué)習(xí)的主動性。②實驗原理模塊：展示實驗原理、器材、實驗步驟解析、實驗突發(fā)狀況處理等基礎(chǔ)知識。③實驗操作模塊：含教學(xué)、考核、演示3種學(xué)習(xí)模式，7個實驗?zāi)K，實驗設(shè)計體現(xiàn)多路徑和推演性，實現(xiàn)隨機交互。④課后鞏固模塊：通過設(shè)置問題，幫助學(xué)生回顧整個實驗的關(guān)鍵知識點和操作要點，鞏固學(xué)習(xí)效果。⑤實驗報告模塊：分前言、材料和方法、結(jié)果、問題與討論、參考文獻5個部分，鼓勵學(xué)生以研究論文形式采用英語撰寫，生成個性化實驗報告。

圖1 虛擬實驗項目模塊組成

2.2 實驗內(nèi)容設(shè)計

實驗操作包括植物RNA提取（7步）、變性RNA電泳（19步）、Northern印跡（轉(zhuǎn)膜）（7步）、預(yù)雜交（5步）、探針的制備與雜交（8步）、洗膜（4步）和放射自顯影壓片（4步）等7個模塊，共54個交互性實驗步驟，每個模塊含實驗原理、實驗儀器和試劑、實驗方法與步驟、注意事項4個方面，既自成體系，又環(huán)環(huán)相扣（見圖1）。

采用“虛實結(jié)合”的教學(xué)形式（見圖1），其中RNA濃度測定、質(zhì)量檢測、變性膠電泳和轉(zhuǎn)膜等內(nèi)容采用實體實驗和虛擬操作相結(jié)合的方式學(xué)習(xí)，探針合成、雜交、放射自顯影等風(fēng)險性較大的操作可在虛擬實驗中反復(fù)體驗，綜合運用問題式、探究式、討論式學(xué)習(xí)方法，幫助學(xué)生掌握核酸分離與電泳、虹吸印跡法轉(zhuǎn)移RNA、探針合成與雜交、放射自顯影等生物學(xué)關(guān)鍵實驗技術(shù)。

2.3 “線上＋線下”混合式教學(xué)模式設(shè)計

實驗操作模塊設(shè)有教學(xué)、演示和考核3種模式。教學(xué)模式按實驗流程依次呈現(xiàn)7個實驗?zāi)K，并設(shè)置包含基礎(chǔ)理論及核心操作在內(nèi)的提問、在線幫助和討論環(huán)節(jié)。學(xué)生可通過考核模式隨機進入教學(xué)模式中的任意模塊開始實驗，通過演示模式觀看實際實驗操作錄像，掌握規(guī)范的實驗操作方法，起到課前預(yù)習(xí)、課后鞏固的作用。

學(xué)生根據(jù)需要自主選取任一教學(xué)模式，采取“線上＋線下”混合式學(xué)習(xí)方式。課前“線下”預(yù)習(xí)實驗原理，進入實體實驗室熟悉相關(guān)儀器，了解實驗流程和關(guān)鍵操作，通過演示模式“線上”操作；課堂教學(xué)中采取“線上＋線下”混合學(xué)習(xí)，選取教學(xué)模式操作，期間進行小組討論和演練（4人一組），操作結(jié)束后，進入大組（全班）討論環(huán)節(jié)；課后以考核模式進行“線上”操作，后臺記錄所有虛擬操作過程，綜合實驗過程和考試結(jié)果自動量化評分（見圖2）。

圖2 “線上＋線下”混合式教學(xué)模式設(shè)計

2.4 考核方式及標(biāo)準(zhǔn)

考核注重過程性評價和考試評價的有機整合，確保評價的全面、客觀，如表1所示，涉及5個考核方面。 過程性評價以虛擬實驗操作為載體，在實驗開始前完成提問環(huán)節(jié)（圖3a），進入實驗界面完成所有實驗步驟并提交，之前實驗操作會被記錄（圖4b），系統(tǒng)根據(jù)操作次數(shù)、練習(xí)題答案、操作步驟正誤等因素，自動評分并解析錯誤詳情（圖3c，3d，3e），幫助學(xué)生自我評估學(xué)習(xí)效果。任課老師根據(jù)軟件的評價反饋、學(xué)生的實驗報告和考試結(jié)果（圖3f），綜合評定成績。

表1 虛擬實驗考核方式及標(biāo)準(zhǔn)

圖3 實驗操作及系統(tǒng)評分（虛擬仿真實驗部分截圖）

3 應(yīng)用成效

項目面向校內(nèi)生物科學(xué)、生物技術(shù)專業(yè)、化學(xué)-生物學(xué)交叉培養(yǎng)班等在校本科生免費開放，通過ilab-x實驗空間面向全國高校免費共享使用，目前實驗瀏覽量達23 489人次（截至2020-10-30）。前期調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生的滿意度為96.43%，97.84%的學(xué)生認(rèn)為該項目對實體教學(xué)很有幫助（截至2017-10-16，2 273人次）。面向2015級本科生調(diào)研，回收反饋意見175份，綜合分析優(yōu)勢如圖4所示。

圖4 面向2015級本科生教學(xué)調(diào)研結(jié)果（N＝175）

項目至今接待了新疆師范大學(xué)、四川大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)、湖北省實驗室研究會會議代表等院校領(lǐng)導(dǎo)專家來訪和交流；受邀參加全國性虛擬仿真實驗教學(xué)研討會、學(xué)校信息化教學(xué)成果展、虛擬仿真實驗校園開放日等活動。抗疫期間組建教學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)服務(wù)2個團隊，為校內(nèi)外的虛擬仿真實驗用戶進行在線答疑或指導(dǎo)，并解決虛擬仿真實驗操作中出現(xiàn)的問題。5年來，項目組和相關(guān)專業(yè)師生通過虛實結(jié)合、實踐創(chuàng)新，以項目為依托取得了一系列成果，先后獲得全國大學(xué)生生命科學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎項2項、湖北省大學(xué)生實驗技能競賽一等獎4項；全國生物與食品類高校虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)成果二等獎1項、湖北省自制儀器設(shè)備一等獎1項；獲批省級教學(xué)研究項目1項、大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目2項、軟件著作權(quán)1項，發(fā)表教改論文3篇。

4 改進與發(fā)展

隨著信息技術(shù)發(fā)展和人才培養(yǎng)新要求，中心以項目持續(xù)改進與共享為目的，結(jié)合用戶反饋及疫情期間調(diào)研情況，從軟件功能、知識內(nèi)容、信息技術(shù)、評價體系、共享應(yīng)用等方面持續(xù)優(yōu)化，探索更符合教育部要求有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的虛擬仿真“金課”［9-10］。

4.1 軟件優(yōu)化升級，修復(fù)軟件使用中出現(xiàn)的問題

避免使用中因軟件本身、管理平臺、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（帶寬）、終端設(shè)備配置等因素造成的操作卡頓、不靈活等問題。對管理平臺進行漏洞檢查和服務(wù)器功能升級；與國家ilab-x.com平臺技術(shù)接口實行完全對接，便于實驗數(shù)據(jù)回傳和采集。采用實時云渲染技術(shù)，解決軟件首次下載時間過長、兼容性不夠和實驗卡頓等問題，顯著提高程序運行流暢度。

4.2 科教融合，提升高階性、突出創(chuàng)新性、增加挑戰(zhàn)度

注重學(xué)科前沿性和技術(shù)實用性，緊貼實驗課程體系、教學(xué)大綱，增加研究性、創(chuàng)新性、綜合性實驗內(nèi)容。知識內(nèi)容拓展和延伸，如引入Realtime PCR技術(shù)、生物素標(biāo)記核酸雜交、DNA雜交、原位雜交、microarray、蛋白質(zhì)雜交等技術(shù)，從實驗原理、步驟、優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍等方面與同位素標(biāo)記核酸雜交技術(shù)比較學(xué)習(xí)。

增加“知識應(yīng)用”模塊，引導(dǎo)學(xué)生將知識與科研、應(yīng)用聯(lián)系起來，如將核酸雜交實驗用于動植物轉(zhuǎn)基因的鑒定、拷貝數(shù)分析等實驗過程，讓學(xué)生體驗“跳一跳才能夠得著”的學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)，增強學(xué)生經(jīng)過刻苦學(xué)習(xí)獲得收獲的成就感，提高學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力。

4.3 集成最新信息技術(shù)手段，豐富實驗教學(xué)

運用虛擬現(xiàn)實、人工智能等技術(shù)，提高交互的隨機性和智能化。增加多種情形設(shè)置、可變量和對應(yīng)結(jié)果，便于差異化學(xué)習(xí)。提高場景還原的逼真度，如人操作移液器時，移液器移動，場景背景不動，減少眩暈感；提高三維動畫人的真實感；通過“半實半虛”方式，將實體實驗的圖片、視頻與動畫有機結(jié)合，增強真實感和沉浸感。

4.4 建立科學(xué)完善的實驗教學(xué)評價反饋體系

建立包括過程性評價、考試評價、增值評價和發(fā)展性評價的綜合考評體系，使得評價更加真實合理［11-12］。借助平臺管理系統(tǒng)對學(xué)生參與虛擬實驗的過程、結(jié)果、研討和意見反饋等數(shù)據(jù)進行采集和分析，作為項目改進的依據(jù)。探索適合于全日制本科生、研究生、在職教育碩士等不同學(xué)習(xí)者的有效教學(xué)評價體系［13］。

4.5 提高資源共享效率

以構(gòu)建完善的生物學(xué)實驗課程體系為目標(biāo)，整合優(yōu)質(zhì)資源，探索高校間跨專業(yè)跨學(xué)科的實驗資源共享的新模式。推動優(yōu)質(zhì)資源在中西部高校開放共享，鼓勵教師多模式應(yīng)用、學(xué)生多形式學(xué)習(xí)，形成學(xué)習(xí)者人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時時可學(xué)的泛在化學(xué)習(xí)新環(huán)境［14］。

5 結(jié) 語

該項目緊密圍繞遺傳學(xué)實驗轉(zhuǎn)基因植物鑒定與表型分析，綜合運用Unity3d等技術(shù)還原放射性同位素標(biāo)記核酸雜交實驗過程，突破高危環(huán)境限制，幫助學(xué)生快速掌握核酸提取步驟、探針制備原理與方法、同位素防護與安全使用規(guī)范等知識點，通過教學(xué)、演示、考核3種學(xué)習(xí)模式自由切換和“線上線下”混合式教學(xué)模式探索，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升實驗教學(xué)效果和學(xué)生實踐創(chuàng)新能力。但在信息技術(shù)手段更新、實驗內(nèi)容設(shè)計和形式創(chuàng)新、多元化教學(xué)評價體系建設(shè)等方面仍需不斷完善。需進一步探索混合教學(xué)模式下虛擬仿真資源研發(fā)和運用的新思路，對于適應(yīng)后疫情時代全球高等教育的新變化，推動實驗教學(xué)改革和高校信息化建設(shè)，培養(yǎng)適應(yīng)未來變化的研究型、創(chuàng)新型人才具有重要意義［15-17］。