虛擬仿真實驗教學(xué)在分子生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用思考

姚慶收，秦加陽，張小華，賽思翔

（濱州醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，山東 煙臺 264003）

大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新。國家政策的引領(lǐng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的大力發(fā)展，使得眾多地方高校在定位辦學(xué)目標時以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為主，發(fā)展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，服務(wù)本地經(jīng)濟發(fā)展兼顧外延拓展，為當?shù)亟?jīng)濟和社會發(fā)展輸送優(yōu)秀人才。應(yīng)用型人才的培養(yǎng)離不開實驗教學(xué)，有效的實驗教學(xué)是學(xué)生鞏固課堂知識、掌握基本實驗操作技能，并在實驗過程中觀察、分析實驗現(xiàn)象，得出科學(xué)合理結(jié)論的過程；更是不斷培養(yǎng)分析并解決問題能力、提升創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。分子生物學(xué)課程在生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)課程體系中具有重要地位[1]，是近幾十年傳統(tǒng)生物學(xué)在分子水平上的創(chuàng)新和延伸，從分子水平揭示生命活動規(guī)律的學(xué)科。分子生物學(xué)課程不僅從分子水平上闡述了生物信息的傳遞規(guī)律和基因表達調(diào)控知識，還囊括了眾多實驗新技術(shù)。如何在教學(xué)過程中更好地傳授分子生物學(xué)實驗技術(shù)，讓學(xué)生不僅掌握這些技術(shù)的原理和方法，還能在操作和應(yīng)用過程中提高分析及解決問題能力，最終達到活學(xué)活用并探索新的分子生物學(xué)實驗技術(shù)的目的，是很有意義的教學(xué)研究。

1 傳統(tǒng)分子生物學(xué)實驗教學(xué)

傳統(tǒng)分子生物學(xué)實驗教學(xué)在長時間發(fā)展過程中積累了豐富的經(jīng)驗，具有很多優(yōu)點。如教師隨堂指導(dǎo)，能夠發(fā)現(xiàn)并及時解決問題；學(xué)生可以動手操作實驗儀器，參與實驗全過程，鍛煉操作技能。但是，傳統(tǒng)分子生物學(xué)實驗教學(xué)也有其缺點，具體如下。

1.1 教學(xué)內(nèi)容受限

傳統(tǒng)實驗教學(xué)由于受實驗室條件、實驗經(jīng)費、學(xué)生人數(shù)和學(xué)時等因素的影響[2-3]，在教學(xué)內(nèi)容選擇上具有較大的局限性。在教學(xué)安排時，只能根據(jù)現(xiàn)有的實驗條件進行教學(xué)內(nèi)容取舍，往往只安排一些相對容易操作、在短時間內(nèi)能夠完成的實驗，如動植物細胞DNA或RNA提取、質(zhì)粒DNA提取、DNA酶切、PCR擴增、瓊脂糖凝膠電泳、重組DNA轉(zhuǎn)化、重組子篩選及鑒定和SDS-PAGE等實驗。雖然學(xué)生有機會進行實驗操作，但僅僅鍛煉了基本的分子生物學(xué)實驗操作，與熟練運用分子生物學(xué)實驗技術(shù)的要求還有很大差距。而一些重要的實驗技術(shù)，如實時定量PCR技術(shù)、酵母單雜交技術(shù)、酵母雙雜交技術(shù)、Western-blot技術(shù)等相關(guān)的實驗教學(xué)相對較少，而這些技術(shù)在學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)或工作中都是常用的實驗技術(shù)。因此，如何改變這種現(xiàn)狀，拓展分子生物學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容，不再局限于最基本的實驗技術(shù)，是值得思考的問題。

1.2 教學(xué)互動性差，學(xué)生參與度低

在實驗過程中，受實驗室條件限制，學(xué)生通常分小組進行實驗，參與度不一致。學(xué)習(xí)積極性高的學(xué)生能夠主動參與實驗，并注意觀察實驗現(xiàn)象，遇到不懂的問題能及時與授課教師溝通；但也有部分學(xué)生參與度不高，在整個實驗過程中處于游離狀態(tài)。限于實驗時間，授課教師不僅要負責實驗講解、實驗指導(dǎo)，還要關(guān)注實驗進程，及時解決學(xué)生提出的問題，不能全程跟蹤每位學(xué)生。學(xué)生在實驗過程中需要完成相關(guān)的實驗項目，還要對實驗進行分析總結(jié)，撰寫實驗報告，這導(dǎo)致學(xué)生沒有時間認真思考實驗，遇到問題也難于追根溯源，甚至有些學(xué)生的實驗操作是錯誤的。部分學(xué)生為了上課而上課，走馬觀花，機械完成實驗操作，不思考為什么這么操作、為什么這個實驗會得到這種結(jié)果、這個實驗是與哪些分子生物學(xué)理論相關(guān)聯(lián)。所以整個實驗過程流于形式，難以培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題能力以及創(chuàng)新思維，自然也不能起到實驗課程應(yīng)有的作用。

1.3 實驗過程缺乏安全性

分子生物學(xué)實驗中會用到較多有毒有害試劑，如二甲基亞砜、β-巰基乙醇、四甲基乙二胺等。由于學(xué)生實驗操作水平有差異，對實驗室安全的認知和防護能力也不同，勢必會出現(xiàn)試劑應(yīng)用不規(guī)范、操作不規(guī)范問題，進而造成實驗室污染，也給使用者和接觸者帶來人身危害。同時，在實驗過程中產(chǎn)生的廢液、廢棄物需要進行處理，造成實驗費用的增加。因此，探究分子生物學(xué)實驗教學(xué)改革，既能讓學(xué)生真正鍛煉實驗操作技能，又能避免實驗過程中出現(xiàn)的問題，提高實驗教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要。

2 分子生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)的可行性

虛擬仿真實驗教學(xué)是一種重要的實驗輔助手段，借助多媒體和互聯(lián)網(wǎng)，基于虛擬實驗軟件，逼真模擬實驗過程，通過人機互動達到在虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺上進行實驗重現(xiàn)和學(xué)習(xí)的目的[4-5]。虛擬仿真實驗教學(xué)具有傳統(tǒng)分子生物學(xué)實驗教學(xué)無可比擬的優(yōu)勢，在諸多方面彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足[6]。

2.1 便于師生互動，提高教學(xué)質(zhì)量

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺為師生互動提供了條件[7]。在平臺上，學(xué)生能夠按照實驗課堂的要求，對所要進行的實驗項目進行模擬。在模擬過程中，學(xué)生按照實驗設(shè)計仔細操作每一個步驟，并對實驗過程進行反復(fù)練習(xí)，對于不能掌握的實驗步驟可以多次模擬，通過重復(fù)練習(xí)加深印象。教師可以在實驗過程中針對操作步驟或涉及的實驗原理設(shè)置不同的練習(xí)題，讓學(xué)生進行解答，學(xué)生如果沒有掌握實驗操作技能或?qū)嶒炘?，則不能通過當前測試，無法進行下一階段的學(xué)習(xí)。這種模擬教學(xué)不但能夠加強學(xué)生對操作技能的掌握，加深印象，同時也將實驗與理論相融合。平臺可以記錄學(xué)生的操作情況并統(tǒng)計分析，教師可以根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)有針對性地對實驗過程中出現(xiàn)的問題進行講解甚至個別輔導(dǎo)，從而有效解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)中師生互動較少的問題，加強對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的了解，進而提高教學(xué)效果。

2.2 節(jié)約實驗經(jīng)費，便于實驗內(nèi)容的選擇

分子生物學(xué)實驗教學(xué)往往會根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標和實驗條件有針對性地選擇實驗教學(xué)內(nèi)容，需要購買藥品、耗材和實驗儀器等，而且藥品和耗材不具有可重復(fù)使用的特點，因此，每年都需要在實驗教學(xué)方面投入大量經(jīng)費。而虛擬仿真實驗借助網(wǎng)絡(luò)資源和編程軟件，根據(jù)實驗內(nèi)容要求編輯出數(shù)量眾多的實驗項目，方便實驗內(nèi)容的選擇，避免了一些實驗因需要貴重儀器等原因而無法開展的情況。教學(xué)中涉及的實驗技術(shù)都是成熟的分子生物學(xué)實驗技術(shù)，編輯的實驗項目軟件可以在較長時間內(nèi)使用，具有一定的持續(xù)性，可以節(jié)省大量實驗經(jīng)費。學(xué)生通過軟件反復(fù)練習(xí)實驗操作直至掌握，彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)由于練習(xí)少導(dǎo)致學(xué)生“課上會課下忘”的缺陷。

2.3 提高實驗教學(xué)的安全性

虛擬仿真實驗教學(xué)基于網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)，逼真地模擬了實驗過程。在教學(xué)過程中，只要具備實驗室、計算機、網(wǎng)絡(luò)和實驗教學(xué)模擬軟件等條件，就可以完成實驗過程，不再需要真實的實驗操作，也避免了對實驗儀器和實驗試劑等的依賴。同時，避免在實驗操作過程中，由于操作不當損壞實驗儀器、帶來人身傷害和耽誤實驗開展等問題，或者由于試劑濺出、揮發(fā)等造成人身傷害或?qū)嶒炇椅廴荆苊饬酥虏【扔泻ι飵淼纳锇踩L(fēng)險等，從而有效提高了實驗教學(xué)的安全性。例如SDS-PAGE實驗由于所用部分試劑容易揮發(fā)且對人體有害，在實驗過程中不可避免地帶來實驗安全問題，而且該實驗又與瓊脂糖凝膠電泳實驗有許多相似操作。通過虛擬仿真實驗教學(xué)，不但避免了實驗試劑的危害，還能讓學(xué)生在虛擬仿真SDS-PAGE實驗中與瓊脂糖凝膠電泳實驗進行比較，進一步掌握實驗技術(shù)，提高教學(xué)質(zhì)量。

3 展望

萬事萬物各有利弊，雖然傳統(tǒng)實驗教學(xué)受到實驗儀器、實驗經(jīng)費、實驗場地和實驗安全等條件的限制，但傳統(tǒng)實驗教學(xué)也有虛擬仿真實驗教學(xué)無法比擬的優(yōu)勢。傳統(tǒng)實驗教學(xué)由于直接在實驗室操作，學(xué)生接觸的是真實的實驗儀器、實驗試劑及耗材，與虛擬仿真的實驗場景有著本質(zhì)區(qū)別，儀器的可觸摸感和可操作感是虛擬仿真操作無法替代的。有些實驗感官刺激非常強烈，如顏色變化、沉淀生成和凝膠中有色條帶的移動等，會給學(xué)生真切的感受；而虛擬仿真平臺雖然也可以設(shè)置這些變化，但缺乏傳統(tǒng)實驗教學(xué)的真實感。因此根據(jù)實驗室條件和教學(xué)內(nèi)容，合理安排傳統(tǒng)實驗教學(xué)和虛擬仿真實驗教學(xué)，使二者有機結(jié)合，相得益彰，從而有效提高分子生物學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量，是更科學(xué)更有效的教學(xué)方式。