虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐

李琳琳，金華，呂國忠，孫曉東，楊紅，宋彥濤，肖添元

（大連民族大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧 大連）

《細(xì)胞工程》是我國高校生物技術(shù)和生物工程本科專業(yè)的核心課程，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐是其極為重要的環(huán)節(jié)，與《細(xì)胞工程》配套的《細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)》是以實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐操作為主的課程[1-2]。《細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)》要求學(xué)生對《細(xì)胞工程》理論知識的理解與領(lǐng)悟，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、觀察能力、分析和解決問題能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力。目前，《細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)》借助植物組培快繁項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐能力，但因?qū)r間、空間、儀器依賴程度高等問題使得教學(xué)效果不甚理想。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)的依托下，構(gòu)建的高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，也是仿真技術(shù)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的產(chǎn)物[3]。最終實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中展開實(shí)驗(yàn)，而不受時間、空間的限制，并具有直觀化、個性化、智能化等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，因此也受到了全國各高校的高度重視，并逐漸引入到本科教學(xué)中。2018年教育部印發(fā)了《關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》，進(jìn)一步深化和拓展了虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)，推動了虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中的改革探索[4]。如何做好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)，開辟“智能+實(shí)驗(yàn)室”新途徑是新時代本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要任務(wù)[5]。本研究構(gòu)建了以“草莓脫毒苗工廠化生產(chǎn)”為內(nèi)容的植物脫毒快繁應(yīng)用虛擬仿真，來補(bǔ)充《細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)》教學(xué)模塊，強(qiáng)化學(xué)生對理論知識的掌握和理解，提升教學(xué)成效和綜合能力。促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)時代學(xué)習(xí)興趣和實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量、探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式[6-9]。

一 項(xiàng)目建設(shè)背景

植物脫毒快繁是細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)中利用優(yōu)良植物莖尖無菌部位進(jìn)行脫毒處理后離體培養(yǎng)，短期內(nèi)獲得大量遺傳性一致后代的繁殖技術(shù)，其操作流程包括無菌母株制備、不定芽增殖、完整植株的馴化及無毒苗工廠化生產(chǎn)等流程，細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)對理論知識的理解、應(yīng)用具有積極的示范作用。一方面，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中由于脫毒快繁實(shí)驗(yàn)耗時較長，受課時間限制學(xué)生對實(shí)驗(yàn)全過程缺乏一個完整動態(tài)的觀察過程[1]；另一方面，由于實(shí)驗(yàn)涉及培養(yǎng)基配制、外植體處理、莖尖脫毒操作、接種、繼代培養(yǎng)、馴化、移栽等多個固定實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生缺乏自主性和交互性、若實(shí)驗(yàn)其中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題需要重新開始甚至導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中斷或失敗，影響實(shí)驗(yàn)效果、質(zhì)量和學(xué)生積極性[2]。

“草莓脫毒苗工廠化生產(chǎn)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境虛擬連棟日光溫室場景（連棟日光溫室、苗床、基質(zhì)、組培苗、營養(yǎng)缽等）、消毒間、組培實(shí)驗(yàn)室（包括準(zhǔn)備室、無菌操作室、培養(yǎng)室、生理生化檢定實(shí)驗(yàn)室）；儀器設(shè)備（高壓蒸汽滅菌器、超凈工作臺、解剖鏡、微波爐、pH計、解剖刀片、組培架等），讓學(xué)生可以真切感知整體的實(shí)驗(yàn)涉及的場景、儀器和實(shí)驗(yàn)流程。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在線下實(shí)驗(yàn)開始前向?qū)W生開放，學(xué)生利用課余時間進(jìn)行預(yù)習(xí)和虛擬實(shí)操，提高學(xué)生的全流程實(shí)驗(yàn)的感知，同時借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)保障特殊時期（如新冠疫情線上上課期間）實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的正常教學(xué)進(jìn)度。

二 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)與應(yīng)用

“草莓脫毒苗工廠化生產(chǎn)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依托于開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺，通過“計算機(jī)”“平板”“手機(jī)”等客戶終端設(shè)備向本學(xué)院本科生、研究生及生物相關(guān)專業(yè)學(xué)生開放，通過數(shù)據(jù)接口使兩者無縫對接。在客戶端與服務(wù)器建立連接后，呈現(xiàn)“學(xué)習(xí)模式”和“考核模式”供學(xué)生選擇進(jìn)行線上操作模式可選擇進(jìn)行在線學(xué)習(xí)和操作訓(xùn)練（圖1）。

圖1 草莓脫毒工廠化生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面

如圖2所示，支撐項(xiàng)目運(yùn)行的平臺及項(xiàng)目運(yùn)行的架構(gòu)共分為數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層、應(yīng)用層五層，每一層都為其上層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

（一） 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特點(diǎn)

采用3D仿真技術(shù)模擬草莓脫毒快繁多個實(shí)驗(yàn)場景再現(xiàn)，使實(shí)驗(yàn)場景和實(shí)驗(yàn)對象直觀形象、生動逼真，如臨實(shí)境[6]。我校已獲得該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)國家軟件著作權(quán)。“草莓脫毒苗工廠化生產(chǎn)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破線下實(shí)驗(yàn)時間周期過長、缺乏動態(tài)過程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的認(rèn)知的限制。實(shí)驗(yàn)涉及多個固定實(shí)驗(yàn)操作、三個無菌培養(yǎng)階段、兩個定植生長階段，實(shí)驗(yàn)時間較長，若其中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題需要從頭開始，增加時間成本；學(xué)生人數(shù)多等的限制問題。“草莓脫毒苗工廠化生產(chǎn)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室、固定的上課時間延伸為泛在化的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室和全天候在線的“空中課堂”，學(xué)生可在4個學(xué)時內(nèi)完成整個實(shí)驗(yàn)操作流程觀察到整個實(shí)驗(yàn)過程。有效解決了教師跟蹤實(shí)驗(yàn)過程的困難，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

（二） 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容

圖3 學(xué)習(xí)模式3D場景和操作界面

立足于基礎(chǔ)理論，以教學(xué)大綱為本，配合細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)課程的培養(yǎng)目標(biāo)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)總體包括“培養(yǎng)基配置、生物調(diào)節(jié)物質(zhì)配置、外植體選擇與消毒、草莓莖尖剝離、接種、繼代培養(yǎng)、組培苗移栽”等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生進(jìn)入“學(xué)習(xí)模式”中熟悉和體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)場景、器具、操作等；漫游于虛擬的實(shí)驗(yàn)室，能夠直觀形象、立體生動地體驗(yàn)、360°展示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)儀器設(shè)備和空間布局、了解實(shí)驗(yàn)室各類安全提示和警示標(biāo)識。項(xiàng)目構(gòu)建模擬的場景將知識點(diǎn)附加三維模型之上，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵知識要點(diǎn)在虛擬環(huán)境中的三維可視化，如臨其境開展實(shí)驗(yàn)。“學(xué)習(xí)模式”中具有實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)提示，熟悉實(shí)驗(yàn)流程和操作細(xì)節(jié)，反復(fù)操作和練習(xí)。學(xué)生與虛擬環(huán)境、各類試劑、儀器和物體實(shí)時互動，進(jìn)行操作練習(xí)，通過人機(jī)交互的方式，實(shí)現(xiàn)邊練習(xí)、邊學(xué)習(xí)、邊調(diào)整，錯誤和不足之處及時得到改正和補(bǔ)充。人機(jī)交互性操作步驟總計超過60步。“學(xué)習(xí)模式”不設(shè)時間限制和操作不當(dāng)扣分的考核，學(xué)生可針對自己的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退仞B(yǎng)進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)和練習(xí)。

經(jīng)過學(xué)習(xí)模式的訓(xùn)練基本掌握了“草莓脫毒苗工廠化生產(chǎn)”綜合實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，可選擇進(jìn)入“考核模式”完成實(shí)驗(yàn)課程考核和檢驗(yàn)。該模式下學(xué)生進(jìn)行闖關(guān)式的考核，開始實(shí)驗(yàn)按照節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作（不可返回上一節(jié)）直至實(shí)驗(yàn)流程結(jié)束，學(xué)生將不會獲得任何關(guān)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和操作的提示，若操作錯誤后臺自動扣分，學(xué)生需要在規(guī)定的時間內(nèi)獨(dú)立完成全部實(shí)驗(yàn)操作，未按時完成或?qū)嶒?yàn)步驟操作不當(dāng)達(dá)到三次則視為未通過考核。學(xué)生需要重新回到“學(xué)習(xí)模式”進(jìn)行復(fù)習(xí)后再進(jìn)入“考核模式”，“考核模式”限制操作3次，學(xué)生可針對自己學(xué)習(xí)情況決定何時進(jìn)行考核，完成考核模式實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)及提交實(shí)驗(yàn)報告系統(tǒng)會進(jìn)行記錄和打分。

（三） 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種新的教學(xué)方法，是實(shí)體實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。細(xì)胞工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺和信息資源，具有易開發(fā)、易共享、突破時空限制、內(nèi)容豐富、效率高、三維效果好等特點(diǎn)[7]。它不僅可用于細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)課程的輔助教學(xué)，還可用于本科生的探索性實(shí)驗(yàn)、本科生的創(chuàng)新項(xiàng)目和研究生的科研培養(yǎng)。它不僅可以促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理和專業(yè)技能，還可以幫助學(xué)生進(jìn)行自主研究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)科研創(chuàng)新精神[5]。根據(jù)細(xì)胞工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和應(yīng)用，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺有待進(jìn)一步完善和完善。首先，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性和參與度，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計中增加了引導(dǎo)學(xué)生理解、思考、分析和解決問題的預(yù)習(xí)題。

如圖4所示，對大連民族大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)2017級和2018級本科生進(jìn)行了課程問卷調(diào)查，涉及8個問題：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)這種形式是否接受；通過虛擬仿真平臺是否掌握實(shí)驗(yàn)原理；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的“學(xué)習(xí)”和“考核”模塊是否滿足你對實(shí)驗(yàn)的需求；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對線下實(shí)驗(yàn)操作是否具有幫助；通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癃?dú)立完成線下實(shí)驗(yàn)；通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺是否觀察到了線下實(shí)驗(yàn)的全過程；對這門課程的考核方式是否滿意；是否接受其他課程也開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。從調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果來看，總體上提高了學(xué)生對教學(xué)的滿意度。其次，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)中可以根據(jù)需要更新和增加先進(jìn)的技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。最后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔以實(shí)體實(shí)驗(yàn)具有錦上添花的效果。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)受程序控制，幾乎沒有不可控因素，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中增加具有混淆的操作，培養(yǎng)學(xué)生判斷和應(yīng)對突發(fā)事件的能力。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究中，可能會出現(xiàn)各種突發(fā)事件，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)保障了特殊時期實(shí)踐教學(xué)的正常進(jìn)度。

圖4 學(xué)生對課程學(xué)習(xí)效果的評價

結(jié)果顯示，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)生的參與度、提高了對課程學(xué)習(xí)的興趣、對掌握和熟練運(yùn)用理論知識具有積極作用。學(xué)生通過線上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后大大提升了實(shí)驗(yàn)效率，學(xué)生在線下的實(shí)驗(yàn)中也不再機(jī)械重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟，而是將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)獲得的訓(xùn)練與實(shí)際對應(yīng)起來，避免了不必要的浪費(fèi)。也讓學(xué)生在實(shí)線下驗(yàn)中有更多的精力思考和提問，彌補(bǔ)了大學(xué)生缺乏自主性思考的不足，為今后從事相關(guān)生產(chǎn)和科研工作增加助力。

三 結(jié)語

草莓脫毒苗工廠化生產(chǎn)項(xiàng)目將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與理論知識有機(jī)結(jié)合，采用3D仿真技術(shù)模擬了草莓莖尖脫毒實(shí)驗(yàn)、植物快速繁殖實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對知識的理解并應(yīng)用、鍛煉了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力、培養(yǎng)了的無菌意識、科研素質(zhì)和創(chuàng)新精神。另外，平臺持續(xù)建設(shè)與更新，緊跟國家網(wǎng)絡(luò)平臺提升步伐將引入5G網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)虛擬仿真平臺對優(yōu)質(zhì)資源的共享能力和穩(wěn)定性，滿足更多學(xué)生的同時訪問。此外，細(xì)胞工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)貫徹了OBE教育理念，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和思考能力，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路與方法改革打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。