高校生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐和應(yīng)用

張淑紅,馬靜雯,武秋穎,張運(yùn)峰,陳桂平,范永山,張 潔

(1.唐山師范學(xué)院 生命科學(xué)系,河北 唐山 063000;2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河北 保定 071001)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是借助多媒體、智能仿真和虛擬實(shí)境等一系列高科技技術(shù),對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)操作步驟進(jìn)行模擬和仿真。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)互換、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)組合成高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[1]。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的不斷成熟,高等院校的教學(xué)和科研工作越來(lái)越依賴虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)。在《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》(教高〔2012〕4號(hào))中明確要求建設(shè)優(yōu)質(zhì)教育資源共享體系,在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》明確提出要建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室,把教育信息化作為國(guó)家信息化的戰(zhàn)略重點(diǎn)和優(yōu)先領(lǐng)域全面部署、加快實(shí)施。2017年,教育部辦公廳發(fā)布了2017-2020年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)通知[2]。

生物化學(xué)是生命科學(xué)領(lǐng)域的一門(mén)重要學(xué)科,主要研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、糖類(lèi)、脂類(lèi)等生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能,與生命活動(dòng)息息相關(guān),被許多高校生物類(lèi)相關(guān)專業(yè)設(shè)為專業(yè)基礎(chǔ)必修課程。生物化學(xué)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和技術(shù)性,因此越來(lái)越多的高校不斷加強(qiáng)對(duì)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重視程度,以此作為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)。

生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生掌握生物學(xué)的知識(shí)、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰托纬煽茖W(xué)素質(zhì)都有不容小覷的作用。但是,隨著近幾年高校的不斷擴(kuò)招,很多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)滿足不了學(xué)生們隨時(shí)并且重復(fù)性地做一門(mén)實(shí)驗(yàn)的需要,只能在不同的時(shí)間段給學(xué)生們安排某一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。因此,大量的課程安排無(wú)法得到充分的實(shí)施,加上財(cái)政投入的緊張,從而影響了大量生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的質(zhì)量和效率。另外,由于資金、環(huán)境條件以及相關(guān)設(shè)施的局限,許多學(xué)校無(wú)力提供昂貴的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)所需要的設(shè)備,使得很多生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程無(wú)法發(fā)揮最大的作用,從而導(dǎo)致了課程的整體質(zhì)量不高。因此,將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)室,將在很大程度上解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源短缺和先進(jìn)設(shè)備不足等問(wèn)題。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分[3]。實(shí)驗(yàn)空間(https://www.ilab-x.com/)是根據(jù)教育部發(fā)布的“2017-2020年示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃”,由教育部支持建設(shè)的國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目集中展示共享的平臺(tái)。目前該平臺(tái)包括12個(gè)專業(yè)大類(lèi)、3470個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,覆蓋了2684所高校。教師可以借助平臺(tái)相關(guān)內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生們可以通過(guò)平臺(tái)免費(fèi)學(xué)習(xí)一系列尖端的高科技技術(shù)。實(shí)驗(yàn)空間展示了多個(gè)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù),比如生物大分子分離純化綜合設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真基因工程方法制備ScFv抗體大實(shí)驗(yàn)、腫瘤壞死因子(TNF)的酶聯(lián)免疫吸附法定量檢測(cè)、重組蛋白質(zhì)的分離與純化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、生化層析和肌酸激酶的純化、酶學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)測(cè)定等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)很多高校在本校實(shí)驗(yàn)中心基礎(chǔ)上建立了國(guó)家生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如華中科技大學(xué)、東北師范大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、福建師范大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)、華中師范大學(xué)、四川大學(xué)、曲阜師范大學(xué)等,同時(shí)部分高校建立了省市級(jí)或校級(jí)生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這些虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)不僅可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行系統(tǒng)管理,而且可以在線進(jìn)行學(xué)生測(cè)試考核和師生互動(dòng)交流。采用層次教育、虛實(shí)交互、創(chuàng)新發(fā)展的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理體系,有效地緩解了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源不充足的壓力,化解了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課程理論教學(xué)不同步之間的矛盾,培育了學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)以及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力,為學(xué)生們創(chuàng)造了全方位的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)氛圍,從而建立起“經(jīng)典與現(xiàn)代、虛擬與現(xiàn)實(shí)”有機(jī)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,實(shí)現(xiàn)了人才培養(yǎng)的現(xiàn)代化。

1.2 培養(yǎng)流程

首先學(xué)生們自己登陸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),進(jìn)行課前預(yù)習(xí),完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的操作步驟,并且了解實(shí)驗(yàn)的操作要點(diǎn)、難點(diǎn)和一系列注意事項(xiàng)。在課堂上,教師根據(jù)學(xué)生們課前的預(yù)習(xí)情況,重點(diǎn)講述學(xué)生們出現(xiàn)問(wèn)題的薄弱部分。然后學(xué)生們?cè)诔浞终莆諏?shí)驗(yàn)的理論及操作知識(shí)以后,在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟的操作練習(xí)。學(xué)生們可以多次重復(fù)操作,不斷強(qiáng)化操作流程。最后在課程結(jié)束以后,采取仿真模擬考核,學(xué)生們?cè)跊](méi)有提示的考核模式下,獨(dú)立地完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程的操作。在系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)分之后,列出出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方,學(xué)生們進(jìn)行改正,并且反復(fù)地練習(xí)發(fā)生錯(cuò)誤的地方,直到正確。教師依據(jù)考核的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié),學(xué)生們結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告[4]。

1.3 實(shí)施效果

通過(guò)使用虛擬仿真技術(shù),教師可以為學(xué)生提供完整的知識(shí)點(diǎn)指導(dǎo),讓他們能夠在實(shí)際的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中,通過(guò)軟件模擬出真實(shí)的環(huán)境,并且根據(jù)學(xué)生的操作情況及時(shí)給出反饋,以便學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)的要領(lǐng)。如果操作不正確,系統(tǒng)會(huì)給出正確的原理解釋,學(xué)生們可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行解決。李斌等通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)模式和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,發(fā)現(xiàn)后者的學(xué)習(xí)效果更加顯著,學(xué)生們對(duì)知識(shí)的記憶能力、實(shí)驗(yàn)操作能力、自主學(xué)習(xí)能力有了明顯的提高,學(xué)習(xí)態(tài)度發(fā)生很大的轉(zhuǎn)變,學(xué)習(xí)成績(jī)有較大提高[5]。劉慧萍等通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。

2 生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

2.1 避免可能產(chǎn)生的一系列危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)

一些難度系數(shù)大的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)如果操作不恰當(dāng)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不成功,不適合在課堂上進(jìn)行公開(kāi)示范。另外一些涉及有毒有害實(shí)驗(yàn)物品,學(xué)生進(jìn)行自主操作的機(jī)會(huì)很少。高等教育中的虛擬實(shí)驗(yàn)室顯示了它們的好處,減少了所需的成本和資源,并為實(shí)際實(shí)驗(yàn)提供了更安全的環(huán)境[7]。樊佳等利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在本科階段生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了放射性同位素標(biāo)記抗體技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索,避免了學(xué)生可能遭受放射性元素危害的風(fēng)險(xiǎn)[8]。

2.2 優(yōu)化傳統(tǒng)的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

目前仍有大量的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中無(wú)法完成,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、操作步驟和實(shí)驗(yàn)效果無(wú)法給學(xué)生直觀、立體的視覺(jué)感受,教師很難全方位動(dòng)態(tài)展示實(shí)驗(yàn)效果。借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù),教師不僅可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作的流程模擬、高度逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,還可以提高對(duì)晦澀難懂的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理的理解能力。如常規(guī)本科實(shí)驗(yàn)酶聯(lián)免疫吸附技術(shù)完成整個(gè)操作需要兩天以上,一般規(guī)定為8學(xué)時(shí),所以大部分院校都不能完全由學(xué)生操作完成。劉芳等結(jié)合北京理工大學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)改進(jìn),使學(xué)生在規(guī)定學(xué)時(shí)內(nèi)熟練掌握該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理和操作[9]。

2.3 有助于大幅度減少實(shí)驗(yàn)成本

比起傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)景教學(xué),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)減少實(shí)際實(shí)驗(yàn)中所消耗的大量物資和設(shè)備的投入,并且學(xué)生們可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)實(shí)驗(yàn)操作和分析過(guò)程,顯著提高學(xué)習(xí)效率,以更短的時(shí)間和更低的成本培養(yǎng)更高素質(zhì)人才。李日輝等在醫(yī)學(xué)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中引進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),降低了液相層析等大型貴重實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入,并且方便學(xué)生多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)[10]。面臨精密儀器數(shù)量少且容易破壞的問(wèn)題,齊魯工業(yè)大學(xué)開(kāi)設(shè)了PCR儀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生們通過(guò)多次練習(xí),既掌握了設(shè)備的使用方法,又解決了實(shí)驗(yàn)室因儀器少而導(dǎo)致學(xué)生們不能同時(shí)操作的難題[11]。

2.4 提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)多媒體技術(shù)和動(dòng)態(tài)圖像等形式提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣,使生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)更加生動(dòng)有趣,能夠最大程度地激發(fā)學(xué)生們自主學(xué)習(xí)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣。武春燕等利用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的蛋白質(zhì)分離和純化實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在凝膠層析、離子交換層析、親和層析等實(shí)驗(yàn)步驟中將樣品流經(jīng)層析柱的過(guò)程形象地展現(xiàn)在學(xué)生眼前,大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,啟發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的探究思維[12]。

2.5 有利于虛擬教研室建設(shè)

以信息化、智能化、虛擬結(jié)合、資源共享和協(xié)同教研為特征的虛擬教研室成為一種“新教研”組織形式,并得到教育部的大力支持[13]。具有相似特征的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是虛擬教研室開(kāi)展教學(xué)研究的最佳研究對(duì)象。通過(guò)生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)和完善,對(duì)于建立生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬教研室,與同類(lèi)大學(xué)協(xié)同開(kāi)展課程資源開(kāi)發(fā)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)和教學(xué)模式、教學(xué)評(píng)價(jià)具有積極意義。

3 生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用前景

3.1 虛實(shí)結(jié)合

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)雖然可以對(duì)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和操作過(guò)程進(jìn)行重現(xiàn),但它仍然不可以完全代替實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和感性認(rèn)識(shí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只能局限于模擬系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和結(jié)果,與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)存在一定的差異,不利于培養(yǎng)學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)精神和實(shí)踐能力。所以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要合理結(jié)合,充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì),避免兩者的弊端,才能真正提高生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

3.2 實(shí)施全新的教學(xué)模式

通過(guò)將傳統(tǒng)的課堂方式與先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)工具結(jié)合,實(shí)施全新的教學(xué)模式。李卓恒等[14]將傳統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合,重新設(shè)置了課堂內(nèi)外的時(shí)間和責(zé)任分配,將傳統(tǒng)的授業(yè)方式改為讓學(xué)生自主完成相對(duì)應(yīng)的任務(wù),教師把學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交給了學(xué)生。王天曉等[15]利用濰坊醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)逆轉(zhuǎn)錄、SDS-PAGE、熒光定量PCR、NK細(xì)胞活性測(cè)定和紫外分光光度技術(shù)檢測(cè)RNA濃度及純度等生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的摸索,取得了良好的效果。

3.3 完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多年的推行,逐漸地暴露出一些問(wèn)題。胡今鴻等以首批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和178所高校反饋的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)放共享研究調(diào)研問(wèn)卷為樣本,分析發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍存在資源質(zhì)量不高、重復(fù)建設(shè)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不足、自主創(chuàng)新能力不夠、數(shù)據(jù)重復(fù)利用等問(wèn)題,提出亟待建立起有利于資源開(kāi)放共享的管理體制和運(yùn)行機(jī)制[16]。

盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)成為生物實(shí)驗(yàn)的重要組成部分,它的應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大,然而,實(shí)踐證明,許多虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的實(shí)施仍然依賴外界的資源支持。很多項(xiàng)目都是從市場(chǎng)中直接買(mǎi)進(jìn)的,學(xué)校并沒(méi)有借助自身能力進(jìn)行研發(fā),自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)匱乏,教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)停滯不前,使得高校無(wú)法獲得創(chuàng)新性的發(fā)展。在建設(shè)過(guò)程中,還缺乏一系列對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),使得它們無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的需求。而且它們之間的兼容性和可擴(kuò)展性都有待提高,開(kāi)發(fā)起來(lái)比較困難。此外,由于系統(tǒng)架構(gòu)、操作流程和功能模塊之間存在明顯的不同,使得它們無(wú)法達(dá)成有效的匹配,從而導(dǎo)致了該類(lèi)項(xiàng)目的整體質(zhì)量相對(duì)較差。

因此,對(duì)于生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),應(yīng)該加強(qiáng)資源建設(shè),提高建設(shè)質(zhì)量,在資源建設(shè)上做到寧缺毋濫;進(jìn)一步探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)展,加大資源開(kāi)放共享的力度;提供統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),建立嚴(yán)格的規(guī)范,運(yùn)用科學(xué)的運(yùn)行機(jī)制;在制度方面,建立良好的資源開(kāi)放共享的管理運(yùn)行機(jī)制;提升高校的自主研發(fā)能力,深化自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),從而獲得創(chuàng)新性發(fā)展。