虛擬仿真實驗項目研究
——以“藥用植物細胞規模化培養及產物分析”為例

何華奇，苗永美

(安徽科技學院 a.農學院；b.生命與健康科學院，安徽 鳳陽 233100)

1 植物細胞工程虛擬仿真實驗實施的必要性

為突出現代生物工程實驗的重要性和地位，我校生物工程、生物科學、生物制藥等專業在人才培養方案制定時將細胞工程、基因工程、發酵工程、蛋白質與酶工程四大工程實驗內容綜合起來獨立設課，定性為綜合性和設計性實驗課程，共80學時，細胞工程實驗占20學時。細胞工程實驗內容均與細胞全能性有關，通過植物組織培養技術、離體誘變及高產細胞篩選，原生質體制備、融合、再生等技術能夠很好地展示細胞全能性過程，包括從培養基配制、滅菌、選材、消毒、接種、培養、結果統計等技術，連續2～3 d內完成，1周后統計污染率、成活率等常規指標[1]。實驗內容的綜合性、設計性及開設方式上的連續性特點不僅鞏固了學生專業理論知識、強化了學生實踐技能和動手能力，還提高了學生的創新能力，為后期畢業設計、就業、甚至創業提供知識和能力儲備。但傳統實驗授課方式存在時間、條件限制，導致很多學生動手機會少，實驗結果不理想，能力得不到有效提升，而虛擬仿真實驗能很好的解決上述難題。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫及網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，使學生沉浸在虛擬環境中自主試驗，由此及彼、舉一反三，是一種有利于資源共享、全新開放、信息化的教學模式，已成為當前教學改革熱點[2]，也是一種灌輸式教學向誘導式再到自主式教學法的轉變，是驗證式教學模式到探究式教學模式的過渡。

隨著高等院校雙創教育的開展，為更好的體現專業特色和學校的應用型辦學定位，使專業人才培養目標和要求更加符合社會需求，我校于2021年以工程認證為終極目標開始新一輪人才培養方案修訂和教學大綱制定工作。課程組以此為契機，在生物工程、生物制藥、中藥等專業開設“藥用植物細胞規模化培養及產物分析”實驗，該實驗由多個連續的小單元實驗組成，具綜合性、設計性和創新性特點。為順應現代教育信息化發展趨勢，推動“細胞工程”實驗課程教學改革，我們積極構建“藥用植物細胞規模化培養及產物分析”虛擬仿真實驗項目，模擬實驗現場，使過程更加清晰直觀，降低教學難度和成本，增加學習趣味性，豐富教學形式，虛擬仿真線上授課能克服實驗周期長、儀器限制、藥用成分提取和檢測步驟復雜等困難。虛擬仿真項目可作為學生主體實驗預習、現實實驗的補充及課后反復練習的線上資源，三個專業每年約180名學生參與該實驗項目學習。

2 項目設計思想

虛擬仿真實驗項目培養學生綜合、系統、靈活運用知識的能力，以激發學生學習的主觀能動性，培養學生的創新意識、創新思維和創新能力為教學目標。項目內容系統且完整，涉及多學科知識，從選取材料到培養再到成分檢測，囊括了植物細胞培養及用途分析的全過程，綜合運用了生物學、中藥學、分析化學等課程的基本知識和方法。學生根據興趣愛好選擇不同類型藥用植物，設計不同方案，選擇相應試劑、儀器、方法、條件，最后對試驗場景、儀器設備、耗材、器具進行建模，并對模型進行渲染、優化、進而編寫該項目的運行程序，賦予操作單元之間的邏輯關系，完成動畫、人機交互、結果輸出等設計。

3 項目構建

3.1 實驗方案設計

實驗項目包含“藥用植物選擇、培養基配方設計、培養基配制與滅菌、材料消毒，愈傷誘導、細胞懸浮培養、細胞株誘變篩選、擴大培養、條件優化、大規模培養、細胞產量測定、藥用成分檢測”共13個操作單元，操作單元自由組合，有些為必選項，有些為可選項，可組成5～6種設計方案，如圖1所示，符合圖1流程，顯示設計正確，漏掉模塊或顛倒順序，系統會提示設計不正確。細胞誘變、篩選模塊為可選項，學生通過增加這一模塊熟悉細胞誘變和篩選方法，會獲取更高成績。操作單元放置在應用程序的右側欄目，用鼠標拖動到應用程序左側的設計面板中，可以隨意增加、刪除、調換順序。

3.2 參數的設定

實驗方案設計正確后開始具體參數設定操作。上機操作前，學生需查閱文獻，掌握常見藥用植物藥用成分及細胞培養概況，利于模塊參數設定。藥用植物根據主效成分劃分為黃酮類、總酚類、多糖類、皂苷類、生物堿類植物，包括細胞培養較成功的鐵皮石斛、金線蓮、人參、紅豆杉或者自選感興趣、熟知材料；材料消毒處理模塊設置參數有取材部位、消毒處理方式兩個子模塊；培養基配方設置參數有基本培養基、生長調節物質(又可細分為分裂素和生長素)、碳源、PH、瓊脂粉共6個子模塊；培養基滅菌設置參數有高壓蒸汽滅菌、過濾除菌、化學滅菌、干熱滅菌5個子模塊；愈傷組織進一步細分切割、過濾等細胞準備及直接振蕩培養2個子模塊；懸浮培養模塊設置轉速和光照兩個子模塊；擴大培養設置不同培養體體積子模塊；條件優化根據文獻研究報道主要細分為接種量、誘導子、光、溫度、轉速、時間、培養方式等子模塊；大規模培養分為機械攪拌生物反應器、氣升式生物反應器、流化床生物反應器、填充床生物反應器和膜生物反應器5個子模塊；細胞產量測定分為密度測定、體積測定和重量測定3個子模塊；成分檢測根據前面植物的主效成分選用相應方法，如黃酮選擇醇提、Al(NO3)3-NaNO2法測定，酚酸采用醇提、福林酚法測定，多糖采用水提醇沉、苯酚硫酸法測定[3]，皂苷類采用醇提、高氯酸-冰醋酸法測定[4]，生物堿采用酸化乙醇提取、紫外法測定[5]，紫杉醇采用醇提、HPLC法測定[6]。每個子模塊根據文獻報道或常規操作技術下設若干水平選項，其中有一個為正確選項，選擇正確系統會顯示正確，選擇不合理系統會提示錯誤信息。學生通過選擇模塊、子模塊及水平選項模塊熟悉藥用植物細胞大規模培養所需條件、主效成分提取及測定的流程。

圖1 實驗設計方案

3.3 3D仿真操作

實驗參數設定正確后，系統會提示點擊“進入實驗”按鈕，開始3D仿真操作，逐個完成實驗模塊。每個模塊的實驗步驟羅列在左側，所需物品放在右側，首先根據系統語音提示、文字提示、物品顏色閃爍提示選擇所需藥品、試劑、玻璃器皿、儀器等用品，選擇正確才能進入下一步驟，后面通過3D仿真操作完成其它實驗步驟。待完成所有操作后，系統會提示交卷，給予評價。

4 實驗教學方法

4.1 線上考核占總評的20%

學生通過學號注冊后登錄進入虛擬仿真線上教學系統，根據前期預習、查閱文獻資料開始虛擬仿真實驗操作。學生需完成從藥用植物選擇、消毒、培養到成分檢測的實驗設計和虛擬仿真操作全過程，以期掌握細胞全能性原理、細胞培養過程、成分檢測原理、檢測方法步驟、結果分析和注意事項。使學生在虛擬空間內不受時間、空間、條件限制，提前預習、反復練習直至熟練掌握實驗操作。系統會對每個模塊分項記分，根據學生的實驗方案設計、模塊分項、操作水平、操作時間等綜合評分，按一定比例計入課程總成績。線上考核能督促學生提前查閱文獻、積極思考，使學生在虛擬仿真實驗中理解并構建知識體系，發揮主觀能動性。模塊計分法使老師了解學生對知識的掌握情況，為后期針對性復習、輔導提供依據。

4.2 線下考核占總評的80%

線下教學采用講授法、學導式、互動式、翻轉式等教學方式。學生根據線上實驗設計方案和操作流程進入實驗室線下操作部分內容，以小組為單位，按照線下教學內容完成學習。首先，教師布置任務并講授實驗內容和注意事項，示范難度大的實驗操作，并穿插提問及采用翻轉等教學方式，以鞏固線上學習內容，教師根據學生回答問題和翻轉講解的情況給予評分。接下來學生以組為單位，領取實驗用品，開始動手操作，教師根據學生出勤、課堂表現給予每位學生評價，計入線下平時成績部分，占線下成績的30%(占總評24%)。打破了靠期末試卷定成績的傳統慣例，構建了過程性考核評價體系，線下過程性考核逐個進行，采取理論和實操相結合方式，過程性考核占線下成績的50%(占總評40%)。實驗報告占線下成績的20%(占總評16%)。從實驗報告的完整性、實驗結果、結果分析、書寫認真程度等幾個方面評定。具體如表1所示。

表1 考核評價體系

5 結語

針對周期長、風險大、設備匱乏的實踐教學，用虛擬仿真實驗代替部分或全部線下實踐教學，不僅可以解決實驗教學困境，還有助于學生快速熟悉實驗全過程，激發學生的學習興趣、提高學習效率和效果，還能提高學生自學能力和探索精神。本課程采用的線上線下相結合的教學方法可以相互補充，線上教學有效彌補常規實驗教學的不足，線下教學利于學生應變能力、分析問題和解決問題能力的培養，也利于團隊合作能力的培養。線上綜合評定成績更客觀、更一目了然，教學成效易評測、易統計、易分析；線下加大過程性評價比例，引起學生對實踐過程的重視，督促學生在學習過程中積極思考和總結。建設虛擬仿真實驗教學是教育現實所需，但由于虛擬仿真不能完全替代真實操作，也難以提高學生的動手能力和團隊協作能力，所以本項目以實驗室操作為主，虛擬仿真為輔，虛實結合，但需用務實、求真的態度才能獲取真知。