虛擬仿真實驗教學(xué)在生物學(xué)研究生培養(yǎng)中的作用探究

邱念偉 劉柏玲

摘 ?要：生物學(xué)科學(xué)研究存在實驗周期長、流程復(fù)雜、高精密儀器多，失敗幾率高、實驗耗費大，危險因素多等問題?？焖僬莆湛蒲蟹椒ê蛯嶒灱寄苁桥囵B(yǎng)生物學(xué)研究生的科研素質(zhì)，提高其學(xué)習(xí)和效率的重要途徑。虛擬仿真實驗可快速提高生物學(xué)研究生的實驗技能，提前熟悉實驗過程，提高實驗成功率，節(jié)約培養(yǎng)成本，加快學(xué)習(xí)進(jìn)程，增加科研成果產(chǎn)出，提高生物學(xué)研究生的培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：生物學(xué)研究生 ?虛擬仿真實驗教學(xué) ?學(xué)科特點 ?必要性

中圖分類號：G643.2 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）10（b）-0109-02

近年來，隨著虛擬實驗技術(shù)的成熟，人們開始認(rèn)識到虛擬仿真實驗課程在學(xué)生培養(yǎng)中的重要作用，國內(nèi)的許多高校都開始根據(jù)教學(xué)的需要建立虛擬仿真實驗室。2014年3月教育部公示首批100所國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心;2018年7月教育部又評選了首批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目，虛擬仿真實驗教學(xué)逐漸在各高校如火如荼地開展。生物學(xué)是一個實踐性很強的學(xué)科，需要開展大量的實驗訓(xùn)練。但是目前虛擬仿真實驗課程主要針對本科生開展，在研究生培養(yǎng)方案中開展較少[1，2]。由于研究生是真正從事科學(xué)研究的生力軍，需要應(yīng)用大量高新技術(shù)、開展系統(tǒng)實驗和創(chuàng)新性科研項目，虛擬仿真實驗教學(xué)課程對于生物學(xué)研究生培養(yǎng)更為重要[3，4]。

1 ?生物學(xué)科學(xué)研究的特點

生物學(xué)是一個實踐性較強的學(xué)科，生物學(xué)研究生必須充分理解和熟練掌握各項實驗技能，能夠系統(tǒng)地發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題才能獲得創(chuàng)新性成果。但初入學(xué)的研究生在本科階段學(xué)習(xí)的大多是簡單的、短時的、成熟性實驗，大多數(shù)學(xué)生還不具備開展創(chuàng)新性科學(xué)研究的能力。有人把研究生階段比作是“科研的斷乳期”。讓研究生盡快適應(yīng)“斷乳期”，迅速掌握科研實驗的技術(shù)與理論，快速培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力是培養(yǎng)生物學(xué)研究生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的生物學(xué)研究生實驗技能培養(yǎng)過程中，需要消耗較多的人力、物力、財力和時間。這主要因為生物科學(xué)研究具有以下特點：（1）實驗周期長，難以多次重復(fù);比如植物轉(zhuǎn)基因，獲得轉(zhuǎn)基因植物純合體需要2年甚至更多的時間。（2）實驗流程復(fù)雜，難以快速掌握;一項科學(xué)研究需要很多科研環(huán)節(jié)和長期監(jiān)測才能完成，研究內(nèi)容需系統(tǒng)、完整。（3）生物學(xué)科研儀器設(shè)備大部分為進(jìn)口設(shè)備，價格昂貴，實驗儀器操作不當(dāng)給儀器帶來損傷或縮短儀器使用壽命。（4）實驗材料和試劑花費較大，培養(yǎng)一個生物學(xué)研究生大約花費數(shù)萬至數(shù)十萬不等，實驗操作失誤或流程錯誤往往會浪費大量人力、物力。（5）生物學(xué)實驗受影響因素較多，失敗的幾率非常大，很多實驗多次重復(fù)才能成功。（6）生物學(xué)實驗中危險性因素多，操作不慎會對人體、儀器和實驗場所造成危險。

上述因素顯著影響了研究生科研課題的順利開展。虛擬仿真實驗技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用為上述問題的解決提供了一條新思路，虛擬仿真實驗技術(shù)可將“長時程實驗短時化、大尺度實驗微縮化、微觀實驗可視化、危險實驗安全化、復(fù)雜實驗熟練化、難重復(fù)實驗再現(xiàn)化”，使學(xué)生不必進(jìn)入實驗室就能夠進(jìn)行一些實驗操作，等技術(shù)原理和實驗操作熟練掌握后，再進(jìn)行實際實驗，從而快速提高研究生的實驗技能，熟悉實驗過程，節(jié)約培養(yǎng)成本，加快研究進(jìn)程，多出科研成果[4]。

2 ?為生物學(xué)研究生開設(shè)虛擬仿真實驗課程的意義

目前，國內(nèi)的虛擬仿真實驗課程主要面向本科生開設(shè)，開展的實驗課程多是基礎(chǔ)的、簡單的、成熟的、小型的實驗項目。針對生物學(xué)研究生的科研創(chuàng)新需求開設(shè)的虛擬仿真實驗項目極少。相對于生物學(xué)本科生而言，研究生應(yīng)具有獨立開展科學(xué)研究的能力，需要進(jìn)行系統(tǒng)的科研訓(xùn)練和技能培養(yǎng)，培養(yǎng)生物學(xué)研究生所需要的虛擬仿真課程也應(yīng)有顯著的不同。生物學(xué)科學(xué)研究內(nèi)容更多涉及高?；驑O端環(huán)境，實驗操作不可及或不可逆，實驗過程高成本、高消耗、長時程，實驗場景大尺度，或是復(fù)雜的綜合訓(xùn)練實驗項目。因此，更有必要向生物學(xué)研究生開展培養(yǎng)其實踐創(chuàng)新能力所需的虛擬仿真實驗課程[5]。在生物學(xué)研究生培養(yǎng)中開展虛擬仿真實驗課程對傳統(tǒng)的研究生培養(yǎng)模式、教學(xué)思想、教學(xué)體系、實驗內(nèi)容、教學(xué)方法都會產(chǎn)生意義深遠(yuǎn)的顛覆性影響，將在研究生的學(xué)習(xí)效率、技能培訓(xùn)、節(jié)約經(jīng)費、安全操作、創(chuàng)新思維、知識拓展等各個方面獲得新突破。面向生物學(xué)研究生的虛擬仿真實驗課程在研究生培養(yǎng)中將發(fā)揮以下作用。

2.1 可快速提高研究生創(chuàng)新實踐技能，盡快開展科學(xué)研究

研究生與本科生不同，本科生培養(yǎng)主要開設(shè)基礎(chǔ)的、簡單的、成熟的、短期的實驗，用來培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)知識和基本實驗技能。研究生則從事創(chuàng)新性的、復(fù)雜的、系統(tǒng)的、長期的科研工作。從本科生到研究生，創(chuàng)新能力是一種劇烈的蛻變，其科研經(jīng)驗需要較長時間的培養(yǎng)才能獲得。

通過虛擬仿真實驗可以使學(xué)生在短期內(nèi)熟悉自己的科研方案、技術(shù)路線、實驗技能、預(yù)期結(jié)果等。使研究生快速入門，提前步入科研狀態(tài)，提高科研成功率。

2.2 研究生需要快速熟悉和有效利用各類高精尖儀器

與本科生不同，研究生使用的大都是高精尖的科研設(shè)備，一方面各類儀器的操作步驟較為復(fù)雜，注意事項較為瑣細(xì)，往往需要專人操作或?qū)ｉT培養(yǎng)。操作不慎可能會嚴(yán)重?fù)p傷儀器設(shè)備或縮短儀器使用壽命，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。另外，生物學(xué)研究需要的高級儀器設(shè)備較多，研究功能豐富。但研究生能夠熟悉各類高級儀器設(shè)備的功能，并熟練使用的高級儀器設(shè)備的并不多，很多研究生不知道如何利用高級設(shè)備去研究自己的課題。

通過虛擬仿真實驗可以讓每個研究生都能快速熟悉各類高級儀器的原理、用途、操作、實驗準(zhǔn)備、注意事項等。有助于學(xué)生將各類高級儀器融入到自己的課題研究中，既可以提高科研成果的水平，也可以提高高級儀器設(shè)備的使用效率。

2.3 提高研究生科學(xué)研究成功率，節(jié)約科研經(jīng)費

培養(yǎng)一個生物學(xué)研究生需要數(shù)萬元乃至數(shù)十萬元科研經(jīng)費，實驗失敗是科研中的普遍現(xiàn)象，造成大量經(jīng)費損失。研究生從事的是創(chuàng)新性實驗，初入學(xué)的研究生對實驗對象的生物學(xué)特性、培養(yǎng)方法、取材方法、實驗操作、數(shù)據(jù)處理等各個方面知識和經(jīng)驗非常薄弱，任何一個環(huán)節(jié)的失誤都會導(dǎo)致前期的實驗工作前功盡棄。通過虛擬仿真實驗不僅可以使學(xué)生了解實驗對象，預(yù)測實驗結(jié)果，還可以培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能、數(shù)據(jù)處理方法等，可大大提高實驗工作的效率和成功率，減少試劑耗材的用量，延長儀器設(shè)備的壽命，節(jié)約科研經(jīng)費。

2.4 有助于研究生安全教育

研究生需要快速了解實驗室管理制度、實驗室安全注意事項、操作規(guī)范等，因為生物類實驗較為復(fù)雜，有毒、有害、易燃、易爆的危險藥品較多，水、電、火、氣等普遍使用，各類儀器設(shè)備危險因素也較多（如電爐、高速離心機、放射性物質(zhì)輻射、紫外輻射等），安全教育一刻不能放松。通過實踐操作很難將各個環(huán)節(jié)介紹清楚，課堂教學(xué)學(xué)生印象不深。虛擬仿真實驗可以系統(tǒng)地、經(jīng)常地向?qū)W生介紹各類危險因素、預(yù)防辦法及應(yīng)對措施。通過逼真的仿真系統(tǒng)可使學(xué)生獲得真實深刻的記憶，有效保障實驗室和人身安全。

2.5 難以觀察的科研實驗可先通過虛擬仿真未卜先知

很多生物學(xué)實驗可以事先通過虛擬仿真軟件進(jìn)行預(yù)測。如篩選藥物的靶點蛋白，就可以先通過虛擬仿真篩出可能的結(jié)合蛋白，把不相關(guān)的蛋白篩除，減少實驗工作量。通過虛擬仿真也可以預(yù)測蛋白復(fù)合體的組裝和精細(xì)結(jié)構(gòu)，推測蛋白質(zhì)的功能，提出蛋白質(zhì)的工作機制。在宏觀生物學(xué)方面，虛擬仿真也有廣泛的用途，如根據(jù)水生生物生長和遷移規(guī)律可以預(yù)測被破壞水體的生態(tài)恢復(fù)過程。有了虛擬仿真實驗軟件的幫助，許多不可見、難觀察的實驗結(jié)果就可以呈現(xiàn)出來，延伸我們對科研現(xiàn)象的認(rèn)識維度，能夠提高科研的成功率、工作效率和研究水平。

2.6 長周期實驗可以快速了解實驗進(jìn)展

部分生物學(xué)實驗周期較長，難以重復(fù)。如植物轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?，從目的基因的克隆到純合體的篩選需要十余個步驟，涉及十幾項實驗技術(shù)。即使實驗順利，整個實驗過程也至少需要1～2年的時間，農(nóng)作物的轉(zhuǎn)基因周期更長。實驗過程存在很多不可預(yù)知的問題。讓學(xué)生提前預(yù)知植物轉(zhuǎn)基因的流程，熟練掌握轉(zhuǎn)基因過程中各項實驗技術(shù)，就可以減少實驗錯誤，少走彎路。

2.7 隨時隨地學(xué)習(xí)，節(jié)約教學(xué)時間，提高學(xué)習(xí)效率

虛擬仿真實驗教學(xué)課程可提供開放式實驗教學(xué)服務(wù)，可遠(yuǎn)程共享，具有電腦客戶端和手機客戶端，可以在教室、宿舍、家庭、旅途等各類場所隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，方便學(xué)生自主靈活參與實驗。可隨時與指導(dǎo)老師交流答疑，也可以測試自己的學(xué)習(xí)效果，反復(fù)學(xué)習(xí)實驗內(nèi)容，打牢知識基礎(chǔ)，熟練實驗操作和實驗流程，學(xué)習(xí)不受時間、空間及儀器設(shè)備限制。從而提高學(xué)習(xí)的效率、教學(xué)師生教學(xué)時間，節(jié)省人力物力。

3 ?虛實結(jié)合提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量

為研究生開展虛擬仿真實驗的目的不是“以虛代實”，而是以虛促實，以虛擴(kuò)實，虛實結(jié)合，最終目的是提高研究生的創(chuàng)新實踐能力。在研究生實驗技能培訓(xùn)中仍然要堅持“能實不虛”的原則，可以滿足實際實驗的情況下，還是以實際操作實驗對學(xué)生進(jìn)行訓(xùn)練。開展虛擬仿真實驗是對實際實驗的補充，充分發(fā)揮虛擬實驗的優(yōu)勢，培養(yǎng)研究生的自主創(chuàng)新能力。目前虛擬仿真實驗課程在醫(yī)學(xué)、工科類研究生培養(yǎng)中已有成熟的應(yīng)用[2，6]，可使研究生快速熟練實驗技能，創(chuàng)新思維能力更加系統(tǒng)和完整，科研能力和素質(zhì)會得到快速提高。因此建議在生物學(xué)研究生培養(yǎng)中充分發(fā)揮虛擬仿真實驗課程的作用。

參考文獻(xiàn)

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