基于虛擬仿真建設(shè)的“生化分離分析技術(shù)與原理”課程教學(xué)改革探索

蘇應(yīng)娟，王 艇

（1.中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 廣東 廣州 510275；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 廣東 廣州 510642）

虛擬仿真技術(shù)（Virtual Reality）是一種通過計算機(jī)對事物進(jìn)行虛擬模擬，從而實現(xiàn)對真實系統(tǒng)的模仿，達(dá)到和現(xiàn)實操作相同目標(biāo)的技術(shù)。目前，該技術(shù)已廣泛用于搭建開放共享、對實驗環(huán)境高度模擬且交互度較高的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，并能提供圖像音頻、視頻及三維動畫等技術(shù)支持。虛擬仿真教學(xué)平臺的使用，為學(xué)生提供了操作性強(qiáng)的學(xué)習(xí)空間，提升了他們自主學(xué)習(xí)的能力。

1 虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢

1.1 降低學(xué)習(xí)成本

虛擬仿真教學(xué)能降低對實驗空間的需求，學(xué)生只需配備移動終端，即可調(diào)用虛擬仿真平臺的資源，開展學(xué)習(xí)與操作。與傳統(tǒng)的實驗教學(xué)相比，虛擬仿真實驗的操作不受時間和地點(diǎn)所限，學(xué)生可自主安排，并專注于學(xué)習(xí)過程。

值得注意的是，傳統(tǒng)實驗教學(xué)經(jīng)常受經(jīng)費(fèi)和空間所限，無法購置更多的儀器設(shè)備，加之有些儀器設(shè)備貴重，學(xué)生親自操作的機(jī)率較小，并且試錯的成本較高。虛擬仿真技術(shù)很好地解決了這個問題，學(xué)生可以在平臺上任意多次地操作，沒有任何可能損害儀器的心理負(fù)擔(dān)，同時也降低了儀器維護(hù)的成本。

1.2 沉浸式與真實性

虛擬仿真技術(shù)平臺對現(xiàn)實實驗環(huán)境進(jìn)行了高度模擬，并注重人機(jī)交互及傳感器的應(yīng)用。學(xué)生點(diǎn)擊相應(yīng)的位置，即可按語音和文字提示進(jìn)行實驗，完全模擬了線下實驗中教師講解和指導(dǎo)的情景。如在很多的虛擬仿真實驗中，模擬出學(xué)生由實驗室到無菌室的過程，讓學(xué)生有身臨其境的感覺。此外，正式實驗時，語音和文字提示兩者結(jié)合，使學(xué)生能較快進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，又能與現(xiàn)實實驗操作的情景相關(guān)聯(lián)，為后續(xù)圓滿完成實驗操作奠定了基礎(chǔ)[1]。

1.3 趣味性與先進(jìn)性

開展虛擬仿真實驗操作就如同完成電子游戲中的任務(wù)。語音和文字的提示類似于游戲中的非玩家角色，能起到指引和輔助學(xué)生操作的作用。在虛擬平臺中，還可操作和記錄兼顧，幫助學(xué)生鞏固對理論知識的記憶，增強(qiáng)課程的趣味性。如野外實踐教學(xué)的虛擬仿真平臺，學(xué)生依提示找到植物后，可拍照、記錄，并保存于筆記本中。實驗結(jié)束后，學(xué)生會有滿滿的成就感[2]。

在2020 年前，實驗教學(xué)均以線下為主，即教師先講，學(xué)生再操作。最后以學(xué)生提交實驗報告作為考核方式。2020 年后，線上實驗操作成為趨勢，越來越多的專業(yè)開始構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。目前，混合式教學(xué)成為主流，構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺已是大勢所趨。

2 “生化分離分析技術(shù)與原理”課程概況

“生化分離分析技術(shù)與原理”是中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物技術(shù)本科專業(yè)的必修課程，是學(xué)生在完成“生物化學(xué)”學(xué)習(xí)后、進(jìn)行綜合實驗前開設(shè)的技術(shù)原理課程。它系統(tǒng)介紹了生命大分子物質(zhì)純化與鑒定的相關(guān)技術(shù)，包括制備和分離生物大分子物質(zhì)的技術(shù)（離子交換層析、聚焦層析、親和層析、凝膠過濾、氣相色譜和高效液相色譜技術(shù)等）和鑒定生物大分子物質(zhì)的技術(shù)（薄層層析、電泳、聚合酶鏈反應(yīng)、免疫分析等）[3]。

課程講授的每項技術(shù)相對獨(dú)立，卻又存在緊密的聯(lián)系。學(xué)生想要完全理解和掌握該課程，需要面對需記憶的概念多、知識體系復(fù)雜、綜合運(yùn)用難度大等多種挑戰(zhàn)。在有限的教學(xué)時數(shù)內(nèi)，僅靠傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以取得很好的教學(xué)效果。同時，還需要重視以下問題：第一，即使學(xué)生掌握了相關(guān)的技術(shù)原理，但在后續(xù)的課程中卻不能做到靈活運(yùn)用，或在實驗課中無法利用所學(xué)的技術(shù)原理解決遇到的實際問題；第二，學(xué)生對知識的運(yùn)用缺乏靈活性，不能回避思維方式的固化，以及不能從多角度掌控所學(xué)知識以將知識串聯(lián)成有機(jī)整體。

針對以上問題，主講教師開展過諸多改進(jìn)。例如，構(gòu)建出提供豐富課程內(nèi)容的慕課，其中視頻講解清晰簡潔，圖文并茂，課中和課后的小測試能及時鞏固課上所學(xué)知識，為后續(xù)的實操打下堅實的理論基礎(chǔ)。開展線上線下混合式教學(xué)，提供師生互動板塊，包括課程相關(guān)文獻(xiàn)導(dǎo)讀以及在線討論模塊。引入PBI（Problem Based Learning）和翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）教學(xué)模式，提高學(xué)生的課堂參與感、自主學(xué)習(xí)能力與學(xué)習(xí)興趣[4]。

雖然上述改進(jìn)方法極大地提升了學(xué)生的理論水平，但仍然無法解決他們對操作流程不熟悉的問題。由于缺乏直觀認(rèn)識，學(xué)生對實驗原理、技術(shù)背景以及實驗操作細(xì)節(jié)缺乏深入的理解，仍難以構(gòu)建完善的知識體系。為改善這種狀況，主講教師開展了虛擬仿真平臺的構(gòu)建。

3 虛擬仿真建設(shè)“生化分離分析技術(shù)與原理”課程的思路與舉措

3.1 虛擬仿真建設(shè)課程理念與思路

依照教育部提出的“金課”標(biāo)準(zhǔn)——“兩性一度”，即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度[5]，在已有的混合式教學(xué)模式下，搭建“生化分離分析技術(shù)與原理”的虛擬仿真教學(xué)平臺。平臺的內(nèi)容與講授的技術(shù)相契合，可操作的內(nèi)容豐富，并包括技術(shù)應(yīng)用部分，能讓學(xué)生更好地理解知識的運(yùn)用和轉(zhuǎn)化。同時，將虛擬仿真平臺的操作列入考核，客觀評價學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，為后續(xù)完善虛擬仿真的教學(xué)內(nèi)容打下基礎(chǔ)，最終建成具有“多層次、立體化、虛實結(jié)合、教研互補(bǔ)”特色的虛擬仿真“金課”[6]。

3.2 建設(shè)虛擬仿真實驗課程的舉措

3.2.1 搭建虛擬仿真教學(xué)平臺

虛擬仿真教學(xué)平臺的構(gòu)建是開展虛擬仿真課程建設(shè)的基礎(chǔ)。“生化分離分析技術(shù)與原理”在已有慕課視頻的基礎(chǔ)上，將其中的薄層層析和紙層析、柱層析的制備、柱色譜的分離、高效液相色譜以及應(yīng)用型的基質(zhì)輔助激光解吸附電離和高通量功能蛋白組學(xué)以虛擬仿真軟件的形式展現(xiàn)出來。主要采用校企合作的形式搭建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺：主講教師是虛擬課程內(nèi)容的設(shè)計者，擬定教學(xué)方案、操作流程與細(xì)節(jié)，企業(yè)為虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的搭建提供技術(shù)支持，包括網(wǎng)站或軟件的開發(fā)、完善與維護(hù)。這種合作構(gòu)建，是術(shù)業(yè)有專攻、資源的高度整合，能搭建出更好的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺；同時還能加強(qiáng)學(xué)校和企業(yè)的合作，實現(xiàn)資源利用的最大化。

3.2.2 改進(jìn)授課與學(xué)習(xí)形式，促進(jìn)教學(xué)相長

在虛擬仿真教學(xué)平臺搭建后，如何將其運(yùn)用到教學(xué)中是關(guān)鍵問題。“生化分離分析技術(shù)與原理”只講授原理，學(xué)生對具體操作缺乏直觀認(rèn)識。觀看視頻操作，學(xué)生依然缺乏浸潤式的感覺，容易消磨其興趣與耐心。引入虛擬仿真教學(xué)平臺，極大地彌補(bǔ)了“只看不操作”的缺陷。例如，獲得性免疫缺陷綜合征（Acquired Immunodeficiency Syndrome，AIDS），即艾滋病，是一種由人免疫缺陷病毒（Human Immunodeficiency Virus，HIV）引起的免疫系統(tǒng)疾病。由于艾滋病的傳播速度快、死亡率高而且目前無法治愈，現(xiàn)已成為嚴(yán)重威脅人類健康的疾病之一。目前的抗艾滋病藥物主要為化學(xué)藥，價格昂貴，副作用大，開發(fā)天然抗艾滋病病毒的藥物勢在必行。筆者設(shè)計的“水蕨抗HIV 蛋白CVNH 的表達(dá)、純化、鑒定和活性檢測”虛擬仿真實驗，有效地解決了蛋白表達(dá)、純化、鑒定與抗病毒活性鑒定過程中遇到的高成本和高風(fēng)險等難題。該虛擬仿真實驗打造了一個完整的科研型技術(shù)路線，也引入了全開放性思考。它融入了幾乎所有所學(xué)的生物技術(shù)，完美地實現(xiàn)了虛實結(jié)合的教學(xué)，是一個綜合性極強(qiáng)的虛擬仿真平臺，集蛋白酶解、富集、分離和鑒定于一體，涉及色譜儀和質(zhì)譜儀等昂貴設(shè)備。它不僅能幫助學(xué)生系統(tǒng)地掌握重組蛋白的理論知識、表達(dá)純化的實驗流程和研究思路，促進(jìn)他們對整體實驗原理和技能的學(xué)習(xí)和對大跨度實驗設(shè)計和技術(shù)路線的把握，還能極大地提高他們分析和解決復(fù)雜科學(xué)問題的能力與綜合應(yīng)用及創(chuàng)新能力。通過虛擬仿真的操作，讓學(xué)生親身參與抗HIV藥物研發(fā)的虛擬過程，激發(fā)他們?yōu)槿祟惤】底鲐暙I(xiàn)的社會責(zé)任感，引導(dǎo)他們密切關(guān)注科技前沿，激發(fā)科學(xué)創(chuàng)新熱情，樹立科學(xué)價值觀。因此，該實驗提升了學(xué)生綜合利用各類生化技術(shù)的能力，還讓“學(xué)習(xí)+操作”成為主要的學(xué)習(xí)方式。在操作中理解生化技術(shù)的原理與實驗步驟的設(shè)計，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，潤物細(xì)無聲地提高了他們的專業(yè)水平和社會責(zé)任感。

主講教師是虛擬仿真內(nèi)容的設(shè)計者，應(yīng)非常熟悉虛擬仿真教學(xué)平臺的操作，并在課上給出操作的介紹和演示。教師可在后臺查看學(xué)生操作虛擬仿真軟件的數(shù)據(jù)，了解學(xué)生完成操作的時長和困難，特別是難度較高的步驟。同時，應(yīng)及時解決學(xué)生在使用虛擬仿真軟件的過程中遇到的種種問題，并將意見反饋給制作公司，讓其盡快修改，提升學(xué)生在使用過程中的愉悅感。這樣，教師在授課過程中的針對性會更強(qiáng)，學(xué)生對難點(diǎn)的記憶會更深。

3.2.3 改變考核方式和評價體系，有效完成知識的傳授工作

將虛擬仿真軟件的操作列為課程考核的一部分。平臺可有效記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)時長、操作次數(shù)、具體步驟所用時長等數(shù)據(jù)以及實驗綜合評分，通過平臺分析處理的可視化圖表，展示學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并且教師和學(xué)生均可查看。這種評價體系豐富了考核方式，客觀地反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

虛擬仿真教學(xué)平臺還設(shè)有課程評價區(qū)，學(xué)生可以對課程進(jìn)行評價，客觀而詳盡的評價有助于提升虛擬仿真軟件的質(zhì)量，為打造虛擬仿真“金課”奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

教育信息的革命化發(fā)展，讓虛擬仿真軟件逐漸成為教學(xué)的輔助手段之一。虛擬仿真教學(xué)平臺便于維護(hù)和更新，可添加新理論與技術(shù)，開闊學(xué)生眼界，捕獲科研熱點(diǎn)，極大地滿足學(xué)生的好奇心與求知欲。“生化分離分析技術(shù)與原理”虛擬仿真軟件的建設(shè)和嘗試性使用，促進(jìn)了學(xué)生對課程內(nèi)容的深入理解。同時，教師也能更為清晰地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，有針對性地解決，并對課程進(jìn)行調(diào)整與完善。“生化分離分析技術(shù)與原理”虛擬仿真課程的建設(shè)，將為國家培養(yǎng)高質(zhì)量生物技術(shù)人才奠定堅實的基礎(chǔ)。