生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺的建設(shè)

王艷 胡一鴻 金晨鐘

摘? ?要：從生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，建立了生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，以qRT-PCR技術(shù)分析玉竹多糖對高脂膳食小鼠脂代謝影響的仿真實(shí)驗(yàn)為例，通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以有序地完成qRT-PCR整過實(shí)驗(yàn)操作，循序漸進(jìn)地掌握實(shí)驗(yàn)的全過程，借助于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，可解決生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)面臨的實(shí)驗(yàn)周期長、生物安全、成本高等問題，同時(shí)能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生實(shí)際操作能力。

關(guān)鍵詞：生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（c）-0195-02

生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)在生物技術(shù)專業(yè)課程體系內(nèi)占據(jù)十分關(guān)鍵的影響地位，屬于主干課程管理范疇，重在培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力和解決問題的實(shí)際操作能力，這與當(dāng)代社會(huì)教育所提出的“零接軌”教育理念基本保持一致。前段時(shí)間我們已對生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)課程體系進(jìn)行了一次改革初探，已把教師的科研成果融入到綜合大實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過不斷的實(shí)踐和探索，我校農(nóng)生院在綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)踐教學(xué)上取得了良好的教學(xué)效果[1]，但仍存在一些問題，如大多數(shù)學(xué)生反映生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)周期長，真正開始做實(shí)驗(yàn)時(shí)只能分段開展，因而使其實(shí)驗(yàn)失去了連續(xù)性，重現(xiàn)性差，同時(shí)因教學(xué)實(shí)驗(yàn)成本和技術(shù)水平偏低等，使學(xué)生無法充分開展實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練活動(dòng)。此外，生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)中融入了部分教師的科研成果，起點(diǎn)相對較高，接近于實(shí)際的科研工作，時(shí)間相對較長。因此，現(xiàn)有的生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

近年來，全國高校都在積極開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的建設(shè)，大力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，各高校結(jié)合自身學(xué)校特色和教學(xué)目的，將無法或難以開展的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過利用虛擬仿真平臺學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠了解所有的實(shí)驗(yàn)儀器以及實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)，最終使專業(yè)技術(shù)水平得到全面提升[2]。因此，生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。

1? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是以多媒體技術(shù)為核心，運(yùn)用3D動(dòng)畫，模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，讓學(xué)生利用系統(tǒng)模型完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的擴(kuò)展和補(bǔ)充，也是現(xiàn)代生命科學(xué)高速發(fā)展的需要。

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)背景

根據(jù)生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)的教學(xué)大綱要求，以玉竹多糖對高脂膳食小鼠脂代謝影響（熒光定量PCR）實(shí)驗(yàn)作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對象，利用各種設(shè)備，如仿真、多媒體等設(shè)備，將實(shí)際操作與實(shí)驗(yàn)中的內(nèi)容、步驟等有機(jī)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了玉竹多糖對高脂膳食小鼠脂代謝影響的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真效果。這不僅能夠使學(xué)生觀看qRT-PCR實(shí)驗(yàn)技術(shù)整個(gè)流程，而且可以對整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行虛擬操作，詳細(xì)情況見圖1所示。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生能夠享受身臨其境的感受。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為了拓展學(xué)生的科研思路，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，我們設(shè)計(jì)了利用qRT-PCR技術(shù)分析玉竹多糖改善高脂膳食小鼠脂代謝影響的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并制成了一個(gè)完善的功能模塊，主要包括qRT-PCR的原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒Y(jié)果及討論、實(shí)驗(yàn)視頻、虛擬操作以及數(shù)據(jù)分析等六個(gè)重要組成部分。該實(shí)驗(yàn)來源于教師的科研項(xiàng)目，因此該實(shí)驗(yàn)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，這樣更具有真實(shí)性和科學(xué)性。

學(xué)生可以自由的開展自主學(xué)習(xí)活動(dòng)，通過觀看實(shí)驗(yàn)視頻，理解和掌握qRT-PCR的整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過程，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，而實(shí)驗(yàn)視頻包括實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備、SYBR? Premix EX Taq試劑盒、實(shí)驗(yàn)操作具體步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)束的清場等整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程且設(shè)置非常詳細(xì)。實(shí)驗(yàn)視頻直觀、真實(shí)地展示qRT-PCR的整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作流程，使學(xué)生通過對此項(xiàng)目的反復(fù)訓(xùn)練，提高真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作中的規(guī)范和準(zhǔn)確性，為實(shí)際實(shí)驗(yàn)規(guī)范地使用qRT-PCR以及為之后進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室完成新課題打下良好的基礎(chǔ)。

2? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 不受實(shí)驗(yàn)室儀器及場地的限制，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性

生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)包含的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，大部分是綜合型大實(shí)驗(yàn)，因此操作起來存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，且很多項(xiàng)目操作流程十分復(fù)雜，專業(yè)技術(shù)要求較高，學(xué)生如果想要熟練掌握，并在真實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)當(dāng)中能獨(dú)立完成，則必須反復(fù)去練習(xí)?？煽陀^環(huán)境導(dǎo)致學(xué)生能夠擁有的實(shí)驗(yàn)室練習(xí)時(shí)間、儀器以及實(shí)驗(yàn)耗材等是有限的，但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則可解決以上這些問題，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)操作。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)給學(xué)生創(chuàng)造了逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，真實(shí)感極強(qiáng)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。從而提高了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量。

2.2 使長期實(shí)驗(yàn)短期化，提高實(shí)驗(yàn)效果

生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)周期一般較長，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程往往是片斷、不連續(xù)。如以教師的科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：玉竹多糖對高脂膳食小鼠脂代謝的作用為例，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含玉竹多糖的提取分離純化以及純化的多糖對肥胖小鼠脂代謝作用（涉及動(dòng)物飼養(yǎng)、小鼠肝臟RNA提取、反轉(zhuǎn)成cDNA、熒光定量PCR）等環(huán)節(jié)，一般情況下，一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期需要30～60d左右，有的甚至更長。但受課時(shí)影響，很難完成實(shí)驗(yàn)。所以，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的建設(shè)，可以有效解決該問題。且在保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的連貫性及知識點(diǎn)的全覆蓋下，還可以不受時(shí)間和空間的限制，隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程、操作要點(diǎn)，為更好地進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

2.3 降低實(shí)驗(yàn)成本和資源，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率

生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中還存實(shí)驗(yàn)成本高、消耗過大等問題，如做qRT-PCR時(shí)，Trizol試劑、SYBR? Premix EX Taq試劑盒等成本過高，無法保證每個(gè)學(xué)生動(dòng)手做大量實(shí)驗(yàn)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可讓學(xué)生在未使用實(shí)驗(yàn)耗材就可以逼真地為學(xué)生展示qRT-PCR的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)操作，使學(xué)生在未進(jìn)行實(shí)際操作就能達(dá)到一定的學(xué)習(xí)效果，降低實(shí)驗(yàn)成本。

3? 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)以理論教學(xué)為前提，以課程實(shí)驗(yàn)為中心，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入到生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有內(nèi)容豐富、仿真強(qiáng)度高、安全無污染、高效開放以及與教材聯(lián)系緊密等特點(diǎn)，更易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，因而所取得的學(xué)習(xí)效果甚至優(yōu)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)所取得的效果?；谏锛夹g(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)存在實(shí)驗(yàn)周期、成本、安全等問題，急需對傳統(tǒng)教育理念進(jìn)行全面更新，豐富教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)形式，這樣才能夠盡快滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革發(fā)展的需求。培養(yǎng)更多具有分析問題、解決問題、創(chuàng)新和動(dòng)手能力的學(xué)生，為提高學(xué)生綜合素質(zhì)發(fā)揮應(yīng)有的作用，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的發(fā)展趨勢，在實(shí)踐教學(xué)中勢必會(huì)發(fā)揮出越來越大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王艷，胡一鴻，金晨鐘.農(nóng)林院校生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)課程體系改革的初探[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017（30）：249-251.

[2] 王甜，王茂林，林宏輝.生物類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)中的問題與對策[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（3）： 153-163.