虛擬仿真技術在分子生物學實驗教學中的應用

摘 要 分子生物學實驗是一門應用性和實踐性較強的綜合實驗課程，然而開設的應用實驗課程不多。虛擬仿真實驗是一種計算機技術為基礎，模擬真實實驗環境的新型實驗模式，學生可以隨時在計算機終端進行實驗操作，從而打破線下實驗的時空限制。河南中醫藥大學生物化學與分子生物學學科依托學科教師優質科研項目，構建以“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”為內容的分子生物學虛擬仿真實驗。該虛擬仿真實驗的應用可以擴展分子生物學實驗教學內容，提高實驗教學質量，拓展科教融合發展的模式和內涵。

關鍵詞 虛擬仿真實驗；分子生物學；實驗教學；科教融合

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）20-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.044

0 引言

分子生物學是在分子水平和整體水平上研究生命現象、生命本質、生命活動及其規律的學科，以核酸和蛋白質等生物大分子為研究對象，研究其形態、結構、功能及其在遺傳信息和代謝信息傳遞中的作用和作用規律[1]。分子生物學實驗技術已廣泛應用于中醫藥、生命科學、醫學等多個領域，并發揮著重要作用。因此，分子生物學實驗成為相關專業一門重要的基礎實驗課程。目前，高等院校開設的分子生物學課程都會穿插相關的實驗課程，如質粒DNA的提取與鑒定、目的基因的克隆表達和重組質粒轉化等相關實驗。這些實驗都是微觀實驗，使用的試劑多數以微升計量。基因克隆實驗即聚合酶鏈式反應（PCR）實驗，反應過程無法觀察，只能通過瓊脂糖凝膠電泳、酶切等實驗驗證PCR實驗是否成功。此外，由于課時等因素限制，新的分子生物學實驗技術難以擴充到目前的實驗課程體系中。

隨著互聯網技術的迅速發展，我國的高等教育模式不斷變革，越來越多的信息化技術被應用到實驗教學中。虛擬仿真實驗是指利用多媒體和虛擬現實等技術，在互聯網上構建逼真的實驗操作環境，讓學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展實

驗[2-3]。虛擬仿真實驗的應用突破了傳統分子生物學實驗教學模式的局限性，利于實驗教學資源的共享，激發了互聯網時代大學生的求知興趣和探索未知世界的好奇心。虛擬仿真實驗平臺下的實驗教學內容可以隨時更新，有利于實驗內容接軌前沿實驗技術和方法[4]，有利于教師的優秀科研成果向實驗教學內容轉化，從而提高實驗教學質量。

基于分子生物學實驗的基礎性和廣泛應用性，河南中醫藥大學生物化學與分子生物學學科依托生物化學國家級精品課程，將分子生物學實驗作為生物化學與分子生物學實驗的重要模塊，面向全校中藥學、藥學、醫學和生物類本科專業及相關專業研究生開設。針對分子生物學實驗課時限制造成的部分實驗缺失問題，學科依托教師優秀科研項目，以“虛實結合，優勢互補”為原則，構建以“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”為內容的虛擬仿真實驗，彌補分子生物學實驗教學中存在的不足，以此提高實驗教學質量和學生實踐能力。

1 現階段分子生物學實驗教學的局限性

分子生物學實驗包含的內容較多，由于課堂學時和教學資源的限制，部分院校只開設了適合線下實驗教學的基礎內容，如質粒DNA的提取、PCR實驗和質粒的轉化等。一些更接近實際生產生活的應用性實驗，往往因為設備價格昂貴或課時限制難以開設。隨著社會的快速發展，國家對具備高素質綜合應用能力人才的需求也日益增長[5]。中醫藥院校開設實驗課程需要更加注重課程內容與學校辦學特色以及與生產實際相結合。中醫藥是我國古代科學的瑰寶，中藥資源是中藥產業和中醫藥傳承發展的基礎。近年來，中藥材的市場需求逐漸增大，如何既滿足市場需求又保護中藥資源是目前中醫藥發展所面臨的一大難題[6]。以分子生物學為基礎的合成生物技術為中藥藥效分子由傳統中藥材提取模式向高效、綠色、可持續工業生產模式轉變提供了理論和技術支撐[7]。分子生物學實驗是一門應用性較強的基礎專業課程，應用性實驗的缺失減弱了課程與實際生產生活的聯系，不利于學生知悉所學專業的現實應用情況，減弱了學生的學習興趣和熱情，同時降低了實驗教學質量。

科研融入教學是目前高校實驗教學改革的熱點，科研成果轉化為實驗教學資源是培養大學生創新能力的一種有效途徑，是實現科教融合的關鍵[8]。依托教師優秀科研項目和相關儀器設備開設分子生物學應用性實驗課程，可以解決因儀器設備限制造成相關實驗無法開展的問題。目前國內很多高校存在多個校區辦學，本科教學校區和科研實驗室不在一個校區的情況，本科生實驗教學要利用科研實驗室相關儀器設備，需要克服空間上的障礙。此外，相關科研實驗室生物安全級別要求高，本科生生物安全認知水平不高也是影響實驗順利開展的重要因素。虛擬仿真實驗不涉及實體實驗儀器設備，可以解決科研成果內容因儀器設備和生物安全等因素限制而無法進行線下教學的問題，降低優秀科研成果轉化為實驗教學內容的難度，有利于科研與教學的融合。

2 分子生物學虛擬仿真實驗課程的建設

2.1 課程特點

河南中醫藥大學生物化學與分子生物學學科有著豐富的理論和實驗教學經驗，生物化學于2018年被評為國家精品在線開放課程、首批國家級線上一流課程，分子生物學理論及實踐于2021年被評為研究生教育優質課程。學科分子生物學教學團隊成員都是工作在科研一線、擁有博士學位的教師，有較多的科研項目。根據教師科研項目的應用性和可操作性，最終構建以“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”為內容的虛擬仿真實驗課程。“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”是典型的應用性分子生物學實驗，且與學校中醫藥特色辦學定位相關。該實驗基于地黃轉錄組數據庫，通過PR1基因克隆、表達載體的構建、蛋白質誘導表達和純化等步驟，深入了解PR1基因的作用機制，為地黃優良品種的選育提供依據。該實驗將科研項目轉化為實驗教學，內容更接近實際應用，讓學生感受到所學專業知識在實際生產生活中的應用。

該實驗通過虛擬仿真技術生動地模擬分子生物學實驗室場景，讓學生仿佛置身于真實實驗室感知完整的操作流程，增強了實驗的趣味性，加深了學生對分子生物學知識的理解[9]。學生課前通過學習虛擬仿真實驗項目的原理和知識點的課件、操作視頻等輔助學習資料進行預習，然后通過虛擬仿真實驗系統進入習題模塊，通過測試后方可進入虛擬仿真實驗項目正式學習階段，在此階段可根據提示進行練習和操作，掌握相關實驗步驟后，可以進入考核模塊。每個學生都可以在虛擬實驗室單人單機操作完成整個實驗，避免出現學生需要分組共同完成實驗的問題。此外，虛擬仿真實驗系統是開放的，學生可以全天候進入平臺重復練習，有效提高學生對實驗技能的理解和掌握程度。

2.2 課程內容

“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”虛擬仿真實驗操作系統分為三個模塊，即習題模塊、學習模塊和考核模塊，如圖1所示，實驗界面左上角有實驗簡介、實驗目的和實驗原理欄，里面包含該實驗完整的文字介紹，學生可以點擊對實驗內容進行預習。學生首先需要在習題模塊中完成所有題目，這一模塊是為了檢驗學生課前預習情況，加深其對理論知識的理解與掌握。圖2所示為學習模塊界面，利用虛擬仿真技術逼真地還原分子生物學實驗室場景，界面中包含該實驗所用到的全部耗材和設備。學生可以通過點擊鼠標右鍵，360°查看實驗室場景和儀器設備。隨后，學生可以進行實驗操作的學習，即根據界面左下角對話框中的提示進行操作，同時相應的試劑或儀器也以藍光高亮顯示，方便學生操作練習。在該模塊操作過程中，學生可以隨時進入該界面再次學習，且沒有時長限制，學生可以根據自己對實驗步驟的掌握情況反復練習。

學生通過學習模塊的練習，已經熟練掌握實驗步驟，可以進入考核模塊完成實驗課程的考核，如圖3所示。和學習模塊不同的是，在考核模塊中，界面左下角沒有實驗操作步驟和藍光高亮提示，學生需要在規定的15 min內完成全部實驗操作。如果學生在規定時間內沒有完成實驗操作，則視為未通過考核，需要重新回到學習模塊練習，完成后再次進行考核，直至通過考核。學生在考核模塊操作中有任何疑問，可以將界面切回到學習模塊中查看詳細實驗操作步驟，但是考核模塊中之前的操作不能保存，學生需要從頭開始考核。

通過對虛擬仿真實驗項目的反復訓練，學生掌握實驗各個步驟的操作方式，對整個實驗流程有更全面的理解，提高了真實實驗操作中的規范性和準確性[10]。讓理論知識與實驗操作相互銜接，幫助學生學會運用多學科知識和技能進行實驗操作，從而提高專業素養。虛擬仿真實驗可以突破傳統分子生物學實驗教學模式的局限性，激發互聯網時代大學生的求知欲和好奇心，提高學生的實驗參與度，增加學生對分子生物學技術應用于道地藥材良種選育的了解。在大學四年級到企業或科研單位進行認知實習時，學生不再是漫無目的、走馬觀花式的參觀，而是可以把從虛擬仿真實驗中獲取的專業知識和實際儀器設備聯系起來，利用專業知識有針對性地提出問題，深入了解企業生產科研情況。

3 虛擬仿真實驗項目構建展望

虛擬仿真實驗是一種新型的教學手段，依托互聯網技術和信息化資源，具有易開發、易共享、突破時空限制和利于科教融合等特點，是線下實體實驗的有力補充。“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”虛擬仿真實驗項目自開設以來，一直被作為河南中醫藥大學分子生物學實驗課程的補充資源。但是虛擬仿真實驗是一種理想狀態下的實驗，在實驗中學生的每一步操作都是成功的，這種情況在線下實體實驗室中是很難順利達到的。所以，在今后的虛擬仿真實驗項目構建中，應根據實驗操作步驟設置不同得分，允許學生出現操作錯誤，根據操作錯誤程度，學生得到的分數不同。學生完成實驗項目后，可以返回主頁面查看自己的錯誤操作，從而加深對實驗操作的理解與掌握。

4 結束語

分子生物學實驗是與科研和工業生產聯系緊密的基礎實驗課程，是培養復合應用型人才的重要環節，然而傳統分子生物學實驗由于課時、空間和實驗資源的限制，減弱了教學內容的應用性與實踐性。基于創新型人才培養目標和教育信息化時代背景，構建分子生物學虛擬仿真實驗課程，彌補課堂教學和科研實習中缺失的實驗內容。線上線下虛實結合的實驗教學方式可以打破時間和空間對傳統實驗教學的束縛，豐富教學表現形式，優化實驗教學內容，有利于優秀科研成果向教學資源轉化。虛擬仿真技術的應用使實驗教學緊跟時代的發展，推動相關專業學生綜合能力的提升，有助于造就一批具備創新精神、適應新時代發展的專業人才。

5 參考文獻

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*項目來源：2023年河南省第二批本科高校虛擬仿真實驗教學項目；2023年河南省“生物化學與分子生物學課程虛擬教研

室”項目；河南省研究生優質課程項目“分子生物學理論及實踐”（YJS2022KC23）。

作者簡介：賈浩宇，博士，內聘教授；韓永光、馬利剛，博士，副教授；趙樂，博士，教授；鄭曉珂，通信作者，博士，二級教授。