國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺用于“生物技術制藥”課程實驗教學實踐*

張笑愷，羅 萍，程 平，鄒全明，趙 卓

（中國人民解放軍陸軍軍醫大學藥學與檢驗醫學系微生物與生化藥學教研室·國家免疫生物制品工程技術研究中心，重慶 400038）

生物技術制藥是綜合應用生物學與醫學、生物化學與分子生物學、微生物與免疫學、物理化學與工程學及藥學等的原理和方法加工制造藥物的技術［1］，屬應用性學科。用生物技術生產的以單克隆抗體等為代表的藥物已成功應用于疾病的臨床治療與預防。在實驗教學中讓學生掌握最新技術的原理、方法及實際操作是生物技術制藥實驗課的終極教學目標。生物技術的發展日新月異，但日常的實驗課教學受學時短、操作周期長、部分技術難以較好掌握等因素限制，教師難以實時更新實驗內容，學生的學習效果也欠佳［2-3］。因此，亟需借助新型信息技術輔助線下教學優化該課程實驗教學的效果。之前由于新型冠狀病毒感染疫情，線上授課成為高校教學工作的重要手段［4］。相對于理論課，實驗課教學更注重學生實際操作能力而非單純理論知識，故難以通過單純的線上講解完成，如遇突發狀況則更難進行［5］。2018年，教育部發布《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》，積極推動現代信息技術在實驗教學中的應用，以及提升實驗教學的質量和水平［6］。2019年2月，中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》，明確提出要強化實踐動手能力的培養。國家虛擬仿真實驗教學項目結合新時代背景下學生的需求，可通過綜合運用3D仿真、虛擬現實、混合現實等新興技術，采用計算機仿真系統展現日常實驗教學中難以實現的操作，注重學生創新和實踐能力的培養，讓學生以接近真實臨場的狀態反復多次參與實驗操作，最終掌握相關實驗技能［7］。因此，虛擬仿真實驗教學不僅重點解決了現實實驗中不具備或受限制的實驗條件；還結合理論知識，使學生能全面、形象地接受知識要點，促使實驗教學內涵式發展［8］；此外，也可保證線上高質量實驗教學的順利實施。在此，總結傳統線下實驗教學中存在的問題，以及虛擬仿真實驗教學平臺的開展流程及優勢，并進行實證分析。

1 傳統線下實驗課教學存在問題

生物技術制藥實驗是針對生物制藥及制藥工程本科專業開設的專業課，內容主要包括基因工程載體構建，發酵工程蛋白的發酵、表達、純化，細胞工程單克隆抗體制備等［9］。這些實驗有諸多不能有效開展的因素，如：①操作周期長、不可逆，間斷操作會導致實驗失??；②操作較難，需反復練習，單次實驗成功率較低；③操作過程存在不可控因素，初學者進行相關實驗存在安全隱患；④實驗儀器、動物、材料價格昂貴，搭建相關實驗場景困難；⑤實驗教員示范操作多為集體觀摩，無法保證每名學生均獲得實際操作機會。為此，我校生物技術制藥實驗課在疫情出現前的傳統實驗課設定的教學內容均以一些簡單、易于開展的實驗為主，且多為示范性講解，授課完成后，學生并不能獲得足夠的實驗操作能力，實驗課教學難達預期效果，需改進。改進核心是如何解決好學生生產實踐操作能力培養的問題，探索新的實踐教學模式，使其能系統掌握生物技術藥物研究和生產的基本方法及制造工藝，培養和提高其從事生物技術藥物研發和生產的綜合能力。

2 仿真平臺的應用

2.1 平臺開展流程

虛擬仿真實驗技術的應用，可擺脫物理現實的限制，拓展實驗教學的廣度和深度，達到輔助線下實驗課教學的目的。2018 年教育部推動上線的國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺（官網又稱“實驗空間”），為全國高校提供了虛擬仿真課程開放共享服務［10］。本教學團隊利用“實驗空間”開展了相關虛擬仿真實驗教學探索，提高了實驗教學質量。整個開課流程包括3個部分：1）認證。首先教師需在“實驗空間”官網（https：//www.ilab - x.com/）注冊個人賬號，然后點擊“個人中心”-“我的信息”-“申請認證”，進行教師認證。經過審核（不超過2 個工作日），如認證成功，開課前還需下載并簽署“承諾書”文件，填寫自己的賬號（即用戶名），簽名拍照上傳圖片即完成認證過程。2）建課。首先點擊“個人中心”-“智能實驗室”-“新建課程”，填寫課程名稱，并選擇課程類型（包括虛擬仿真實驗課、線上實驗課、線上線下混合式實驗課），最后選擇引用的實驗課程。3）維護。課程創建完成后點擊“課程管理”，閱讀并同意協議，再次點擊“課程管理”即可進行課程信息維護。課程信息包括基本信息、開課時間、封面、章節、作業、考試等。

2.2 平臺教學優勢

2.2.1 課程資源十分豐富

以中國人民解放軍陸軍軍醫大學生物技術制藥實驗教學設置內容，在“實驗空間”中進行搜索，其實驗課內容均有對應的虛擬仿真課程資源，詳見表1。對目前尚未開展虛擬實驗教學的院校很有幫助。

表1 “生物技術制藥”虛擬仿真實驗課程Tab.1 Virtual simulation experiment course of ″Biotechnological Pharmaceutics″

2.2.2 課程易于實施及管理

“實驗空間”開課流程操作簡單，教師授課前無須參加專門的培訓。學生參與實驗也僅需經過簡單注冊即可參加授課老師已開展的課程，且整個實驗可反復操作，直至學生完全掌握相關技術。同時，實驗課的操作結果可線上直接提交，學生接受度更好。再者，課程實施后，教師通過平臺不僅可查看學生成績的區間分布、作業的提交情況、學習時長、登錄次數、學習進度等教學情況，還可根據預先設置的成績策略中的計分規則自動分類計算學生的學習成績，并生成成績單。以上操作不僅大幅降低了教師的工作量，也便于其準確把握學生對實驗技術的掌握程度。

2.2.3 課程擴展十分便利

授課老師可根據課程的實際需要，創建自己的虛擬實驗平臺，“實驗空間”的“接口對接”項目提供了詳細的對接流程。此外，平臺還提供了微信公眾號“ilabx實驗空間”及電話支持，有專業人士對接，幫助教師創建自己的虛擬實驗平臺。

3 實證分析

3.1 對象與方法

以中國人民解放軍陸軍軍醫大學2020 級藥學專業四年制本科生為授課對象，共18人，隨機分為線上線下混合組（觀察組）和線下組（對照組），各9 人。以生物技術制藥經典實驗“雜交瘤技術制備單克隆抗體”為例（兩組學生授課前均未參加過該課程學習），基于“實驗空間”中浙江中醫藥大學雜交瘤技術制備單克隆抗體虛擬實驗課程，探索生物技術制藥虛擬仿真實驗教學模式，在研究過程中評估優化本課程實驗教學方法。對照組使用傳統的示范教學加實踐操作教學模式，即上課時，教師根據多媒體課件講解授課，然后示范并指導學生完成實驗；課后常規要求學生提交實驗報告并鼓勵學生完成問卷調查。觀察組基于“實驗空間”進行虛擬實驗教學，即上課時，教師依據多媒體課件授課，學生基于“實驗空間”完成實驗并線上提交實驗報告；課后對學生進行實驗關鍵點考核及問卷調查，從主客觀兩方面綜合評價學生對實驗原理、關鍵技術環節及技術的掌握程度，以及主觀學習感受與心得。評價基于“實驗空間”的虛擬實驗教學模式是否有助于提高教學質量，如能否幫助學生更好地掌握該實驗原理及實際操作技術，能否激發學生學習興趣、增強其學習自信、降低學習難度，能否明顯提高教學效率等。實驗教學完成后，對照組學生實驗成績由操作指導老師打分，觀察組由授課教師在“實驗空間”實時提取。滿分100 分，得分越高成績越好。

3.2 學習效果評價

3.2.1 主觀感受與效率

觀察組學生均認為線上虛擬實驗教學方式降低了實驗原理及技能的學習難度，均展現出對虛擬實驗教學的興趣，并對實驗技能掌握展現出充足的自信。對照組學生需2 d 才能完成整個實驗學習，其中只有6 名（66.67%）學生表示能完整領會實驗要點并完成整個實驗。而觀察組學生在教學當天就能完成整個實驗學習，且所有學生均有機會對實驗進行反復操作，知識掌握更牢固。

3.2.2 考試成績

觀察組學生的實驗課平均得分（93.78±1.41）分，明顯高于對照組的（75.94 ± 0.00）分（P< 0.05）。虛擬實驗教學實驗過程可反復進行，有助于每個學生完整完成整個實驗流程，避免了由于實驗操作失誤導致的實驗中斷，提高了學生的主觀獲得感和實驗成績。

4 結語

“生物技術制藥”課程實驗及實訓等授課內容是培養生物技術人才的關鍵。在本教學組“生物技術制藥”一流課程建設基礎上，實施虛擬仿真實驗，進一步提高了實踐課的教學效果?！皩嶒灴臻g”在本教學組“生物技術制藥”課程實驗教學的應用證實，虛擬仿真實驗教學平臺是優化藥學應用性學科教學效果的重要手段，它正在解決高校實踐教育中“不能做”“不敢做”“不好做”的問題，正在幫助學生掌握最前沿的實驗技術和彌補生產實訓環節的缺失。