生物化學綜合性虛擬仿真實驗建設與教學探索

史 影， 王偉偉， 周耐明， 霍穎異， 應穎慧， 吳 敏

（浙江大學a.生命科學學院；b.生物學國家級實驗教學示范中心，杭州 310058）

0 引 言

虛擬仿真實驗具有不受時間、空間及實驗條件制約，能多次重復實驗并便于共享推廣的優點，作為線上實驗教學項目，成為目前實驗教學一個新的發展方向［1-4］。目前所建設的虛擬仿真實驗項目往往是一個教學實驗項目，時長2 ～4 學時，一般獨立開展實驗教學，有的也融入某門課程中，成為課程體系中的一環。作為優質稀有線上實驗教學資源，探索虛擬仿真實驗與線上線下課程的融合機制，有助于促進線上線下“金課”建設，提升教學效果。同時多途徑探索虛擬仿真項目與多門課程的有效融合等問題有助于虛擬仿真實驗項目的拓展應用和最大程度地發揮育人成效。

我校建設的“G蛋白偶聯受體FPR1（甲酰肽受體1）全基因克隆、真核表達和功能測定虛擬仿真實驗”以虛擬仿真的方式，按研究型思路，全線模擬了G 蛋白偶聯受體FPR1 從頭克隆、真核表達及功能研究的整個過程，涉及生物信息學、分子生物學、細胞生物學和生物化學多個領域的研究方法和技術。該綜合性虛擬仿真實驗與高級生物化學實體實驗課程進行了虛實結合教學，同時輔助生物化學、遺傳學、基因工程和細胞生物學等實驗課程，促進學生綜合性實驗技能的掌握和研究型思路的培養。

1 綜合性虛擬仿真實驗建設

1.1 實驗設計與框架

G 蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptors，GPCR）是最大最多樣化的細胞膜蛋白家族之一，廣泛存在于從真菌到哺乳動物的生命體中。GPCR 通過接收胞外信號發揮作用，包括光、氣味、離子、激素、趨化因子、神經遞質、神經肽和蛋白質等。GPCR 和配體結合后經歷構象變化，與細胞內的G 蛋白偶聯，啟動下游復雜的信號途徑，實現對生物體的功能調控［5-7］。GPCR調節廣泛的關鍵生理功能，包括神經傳遞、血壓、心臟活動、血管完整性、組織損傷后止血、葡萄糖和脂質代謝、感覺知覺、內分泌和外分泌腺功能的調節、免疫反應、多種發育過程以及干細胞的功能和維持等。因此GPCR一直是生物學研究熱點及研發新藥的靶標。近年來有多個獨特的GPCR和配體復合體的晶體結構獲得解析，這些發現為藥物研發和設計奠定了基礎［8-9］。因此有關GPCR的學習，有助于學生了解蛋白質結構與功能、細胞信號轉導、疾病及藥物研發等領域的基礎知識及科學前沿。

本項目選擇了G蛋白偶聯受體FPR1 作為實驗研究對象。FPR1 又是趨化物質受體，在炎癥反應免疫細胞趨化過程中起重要作用。整個虛擬仿真實驗從FPR1 的基因分析及全基因克隆開始，獲得全長人源FPR1 基因，并克隆到真核表達載體中。然后將FPR1基因轉染到細胞中，用熒光蛋白標簽技術，對FPR1 蛋白的定位及內吞運動進行實驗分析，并對FPR1 介導的細胞趨化作用進行實驗測定。在此基礎上，引導學生線上線下進行實驗設計，對FPR1 的功能進行更深入研究。整個實驗跨度長、復原性高、呈現了蛋白質功能研究的基本思路。

整個虛擬仿真實驗包括實驗背景介紹、實驗和互動3 大模塊。實驗模塊中又分解成實驗目的、實驗原理和實驗操作3 部分。互動模塊穿插在實驗模塊中，以操作提示、試劑說明、實驗方案思考、實驗考核以及課后鞏固等多種形式呈現（見圖1）。

圖1 虛擬仿真實驗框架

1.2 實驗建設特色

（1）大跨度綜合性實驗設計。本實驗首先提出

FPR1 功能研究命題，然后從源頭——基因分析開始，通過基因克隆獲得人源FPR1 基因，再進行真核細胞轉染，研究FPR1 介導的細胞趨化作用和FPR1 內吞特征。涉及生物信息學、分子生物學、生物化學和細胞生物學等多個知識點，是一項綜合性虛擬仿真實驗項目，有助于培養學生研究型思維和綜合型實驗能力。

（2）采用視頻制作介紹實驗背景，圖文并茂及二維動畫闡述重要概念和原理。通過視頻制作，由淺入深地介紹GPCR 的相關背景知識，包括GPCR 7 次跨膜結構、GPCR功能及相關疾病與藥物研發、GPCR 三維空間結構、GPCR 介導的信號通路及本項目涉及的甲酰肽受體FPR1 等，立體呈現GPCR 的功能及研究現狀（見圖2）。同時鏈接視紫紅質、CCR5 等經典GPCR三維結構模型，鏈接RCSB PDB 蛋白數據庫及經典文獻，促進對GPCR三維結構的開放式自主學習。

圖2 實驗背景視頻介紹

原理部分知識點分解，盡可能采用圖文并茂或二維動畫方式講述重要概念和原理，幫助學生掌握并建立實驗思路。例如在闡述GPCR介導的信號通路原理部分，利用二維動畫形式闡述GPCR 介導信號轉導的激活和傳遞、所涉及下游重要蛋白、第2 信使變化以及偶聯不同亞型G蛋白產生的不同信號通路（見圖3）。

圖3 GPCR介導的信號通路原理動畫介紹

（3）沉浸式虛擬實驗過程。實驗操作進行全方位模擬，包括實驗環境、實驗儀器和實驗過程的仿真。軟件以現場真實場景數據、儀器數據和典型設備數據為依據呈現實驗環境和儀器設備。盡可能真實體現實驗過程的狀態、變化及效果。實驗操作（見圖4）可選擇教學模式、練習模式和考核模式。在教學模式學習整個實驗的流程、操作、細節及注意事項，在練習模式親自實踐操作，在考核模式進行考核自查。通過教學——練習——考核的多次重復實踐，逐漸深化鞏固相關原理、操作和實驗思路。同時難點步驟配備了實體操作視頻及教學視頻，加強學生對實驗的實體感性認識。

（4）多點設計互動與評價，引入啟發式教學。虛擬仿真實驗多點設計人-機互動，可以提高實驗趣味并適時解決問題，提升實驗成效。本實驗通過實驗過程中的互動設計、考核和拓展作業等，多點、面地與學生展開互動交流，培養學生自主學習的能力。

圖4 實驗操作動畫

實驗過程中設計操作提示、試劑說明、要點提醒等環節，及時提醒學生實驗操作要點細節、注意事項等，幫助學生更好地理解實驗原理及關鍵步驟，學生反饋這些互動設計幫助很大。同時在實驗操作環節還設置實驗方案思考。例如在真核細胞轉染操作之后提出了多質粒同時轉染，以及穩定轉染細胞株的篩選等思考內容；在內吞實驗操作后提出了如何用內吞實驗篩選GPCR拮抗劑的實驗思考，并提供了可選方案。通過互動啟發學生去思考實驗細節和設計，進一步探索實驗方案和方法。

評價體系除了在考核模式下，系統會根據學生實際操作及提問回答打分以及課后鞏固題庫進行自動評分以外，教師還可以通過學生提交的實驗報告和作業等，了解學生的學習情況。同時課后鞏固中還布置了與研究思路相關的拓展型思考題，幫助學生舉一反三，拓展實驗思路，培養學生研究型實驗思維。

2 虛擬仿真實驗融入線上線下教學探討

2.1 虛實結合的教學實踐

該綜合性虛擬仿真實驗融入高級生物化學課程進行了線上線下相結合的教學實踐。①虛擬仿真實驗與實體實驗互補，使整個實驗體系更完整。虛擬仿真實驗項目從目的基因分析和克隆開始，直到功能檢測。實體實驗從流程中的質粒提取和細胞培養開始，一直到功能檢測。②虛擬仿真實驗強化了實驗原理、實驗流程和操作要點，實體實驗側重于親手操作和靈活實踐。例如，在細胞轉染和功能測試部分，虛擬仿真實驗使原理更生動，注意事項的呈現更完整。③在虛擬仿真實驗基礎上實體實驗的設計及操作內容可以更深入豐富。例如虛擬仿真實驗只采用了Lipofactamine 2000一種轉染方法，實體實驗采用了Lipofactamine 2000、XtremeGENE HP DNA轉染和磷酸鈣轉染3 種方法，并對其他功能如轉錄增強子CRE（cAMP響應元件）調控下游基因轉錄以及GPCR介導的下游ERK1/2 信號通路調控進行了檢測等［10-11］。

2.2 虛擬仿真實驗融入機制探索

虛擬仿真實驗在融入線下實驗教學過程中，需要摸索其融入的方式方法，嘗試合適的教學體系和教學途徑，以獲得更好的教學效果。

首先利用虛擬仿真實驗學習實驗背景、實驗原理、操作流程及要點以及學習實體實驗的前期工作，并熟悉實驗場景和實驗內容是非常有效的教學途徑。在虛實重合的部分，可先通過虛擬仿真實驗學習實驗內容及操作，然后在實體實驗中促成學生自主展開實踐該部分內容，培養學生獨立學習和實驗的能力。后續在實體實驗中再引導學生做更廣泛深入的設計、進行更豐富及復雜的實驗實踐。實體實驗結束后，重新回爐虛擬仿真實驗的考核模式，加強對虛擬仿真實驗思路和內容以及實體實驗更深入地思考。虛擬仿真實驗和實體實驗的有效融合，不僅是教學內容的相互補充，更可在教學效果上起到互相促進的作用。

3 虛擬仿真實驗拓展與應用

3.1 虛擬仿真實驗內容提取及應用

為促進虛擬仿真實驗項目最大程度地發揮育人成效，充分利用虛擬仿真實驗資源，本項目內容被提取剖析，輔助多門課程學習。例如在人體代謝與健康通識課程中，提取了本項虛擬仿真實驗中GPCR 介紹視頻及FPR1 膜定位及內吞運動用于介紹蛋白質功能及正確運輸，同時提取了虛擬仿真項目中基因組DNA提取及濃度測定實驗用于核酸代謝教學等。

3.2 虛擬仿真實驗用于課程銜接

作為一項綜合性虛擬仿真實驗，本項目嘗試在生物化學、分子生物學、基因工程和細胞生物學等實驗課程之間搭橋銜接。例如在生物化學實驗之后，分子生物學實驗或基因工程實驗之前，選用該綜合性虛擬仿真實驗項目對有關基因分析及克隆的部分進行預熱；選用真核細胞轉染及細胞功能實驗對相關的細胞生物學實驗課程進行預熱等。通過一項綜合性虛擬仿真實驗，將不同的專業基礎實驗課程串聯起來，呈現科學實驗的綜合性和復雜性。

4 結 語

虛擬仿真實驗是高校實驗教學改革的方向之一，可以把一些重要的耗時費材、現實中難以實現的實驗以線上虛擬仿真實驗的形式呈現。同時它還具有可重復、圖文及動畫并茂等特點，對于闡述復雜實驗背景、原理和細節等具有獨特優勢。虛擬仿真實驗成為通過線上實驗教學進行人才培養的重要途徑［12-13］。我校建設的“G蛋白偶聯受體FPR1 全基因克隆、真核表達和功能測定虛擬仿真實驗”以研究型思路，打造了一個完整的基礎型技術路線，同時引入了一些開放式思考。該項目可以單獨開展，也可以融入生物化學實驗、分子生物學實驗等課程中實現虛實結合教學。項目實施促進了學生對整體實驗原理和技能的學習，促進了學生對大跨度實驗設計和技術路線的把握。項目在融入線上線下相結合的教學過程中，對融入機制進行了探討，有助于課程內容及教學效果的提升。且綜合性虛擬仿真實驗在輔助教學及課程銜接中可發揮其獨特作用［14-16］。