生物學虛擬實驗室的構建及應用

杜 坤， 張 彪， 魏萬紅， 周福才

(揚州大學 生物科學與技術學院， 江蘇 揚州 225009)

生物學虛擬實驗室的構建及應用

杜 坤， 張 彪， 魏萬紅， 周福才

(揚州大學 生物科學與技術學院， 江蘇 揚州 225009)

構建了由結構與功能、組分與功能、設備與技能三大模塊以及平臺支撐軟件組成的生物學虛擬實驗室，并通過修訂人才培養方案、應用基于虛擬實驗室條件下開展不同類型的實驗項目實施流程等措施，充分發揮虛擬實驗室的效用。經過幾年的探索實踐，有效提高了學生的學習主動性，提高了實驗教學效果。

生物學實驗； 虛擬實驗室； 實驗教學改革

隨著計算機技術的發展，越來越多的信息技術被廣泛應用到實驗教學，微課、慕課、翻轉課堂等教學組織形式，為高水平創新型人才的培養開拓了新渠道[1-5]。其中虛擬仿真實驗因其具有低成本、高效率、功能全等優點[6]，越來越多地出現在高校的生物學教學過程中，并愈發體現出其優勢。

揚州大學是一所江蘇省屬重點綜合性大學，生物科學與技術實驗教學中心是一個服務于全校生物、理、工、農、醫等學科相關專業的國家級實驗教學示范中心。2012年，在該實驗教學示范中心的基礎上成立了生物學虛擬仿真實驗教學中心(以下簡稱“中心”)，并有計劃地進行虛擬實驗室的建設，目前已開發了一批具有自主知識產權的生物學虛擬仿真實驗教學資源及共享平臺，構建了虛實結合的實驗教學模式，對開展虛擬仿真實驗教學進行了初步探索。

1 構建生物學虛擬實驗室的必要性

揚州大學地處我國長三角地區，該地區已形成相當規模的生物技術產業集群。生物產業的快速發展需要大批“會生產、懂研發、善經營”的實踐型、創新型人才。不斷深化實驗教學的改革，充分利用現代教育技術，構建并應用生物學虛擬實驗室及配套實驗教學模式，對提高生物類人才培養質量具有十分重要的意義。

1.1 延伸實驗教學的時間和空間

野外教學是植物學實驗、動物學實驗等課程中一個十分重要且必可不少的教學環節[7]，其主要教學目標是讓學生應用所學知識對某一區域的動植物種質資源進行調查、標本采集與制作。但因野外動植物生態分布受地理條件、天氣等環境因素影響較大，植物自身各器官生長的漸次性和周期性、動物居所及行為習性的不確定性，使得傳統的野外教學實習很難見到或采集到種、屬的代表性動植物標本，導致實驗不完整或無法開設實驗。

而在虛擬實驗室中，通過2D或3D場景，多維度、全方位展現典型的動植物及其生境條件，再輔以動植物標本庫、檢索表等數字化實驗教學資源，就能較好地完成對物種識別和鑒定的學習，有效地延伸了實驗教學的時間和空間。

1.2 克服資源短缺的困難

生物學科的每次重大突破都源于工具(儀器設備)和技術(實驗方法和手段)的革新和發展[8]。在學校有限的資源條件下，不可能使每個學生都有機會使用那些精密儀器(如激光共聚焦顯微鏡、流式細胞儀、超速離心機、蛋白純化系統、基因測序儀、色譜系統、超薄切片機等)，也不可能使每個學生都有機會進入特殊的實驗場所(如BSL-2、BSL-3實驗室等)進行實驗。此外，有些生物學供試材料比較稀缺，再加之近年來凸顯的動物倫理(如實驗動物的使用)等問題，使得某些實驗只能按大組(6～10人/組)開設，實驗教學效果不夠理想。

而利用虛擬實驗室，學生可以在虛擬的環境中模擬學習使用相關儀器設備及開展特定生物材料的研究，在一定程度上克服了資源短缺的困難，既豐富了學生的閱歷，又提升了學生的綜合實驗技能和創新能力。

1.3 確保實驗安全

生物學的部分實驗項目需要使用劇毒性藥品或具有放射性的材料。在進行這些實驗時稍有不慎，不僅會對環境造成不可逆污染，還會對學生生命安全造成直接的威脅，因此，這些實驗在本科實驗教學中無法開展。此外，對病原微生物的操作、動物尸體的處理以及實驗動物安全等問題，也存在著許多潛在的風險。

而在虛擬實驗室開展上述實驗項目，既可以作為實體實驗的補充，規范實驗操作流程、降低實驗風險，又可有效減少對環境的污染，實現綠色實驗。

1.4 提升實驗教學效果

在生物學實驗教學中，學生對一些知識和技能很難有效掌握，例如在動物學實驗中，學生很難通過一次實驗對某一動物的內部組織及相互關聯建立起完整的概念；生物個體發育過程中一些不可見、不可逆且連續發展變化的生物組織結構發育進程很難觀察到；基因工程實驗技術方案復雜、實驗耗時長(從載體的構建到外源基因、蛋白的檢測往往需要一個學期的時間)，學生不能全面地把握實驗方法等。

但是在虛擬實驗室，學生可以反復進行虛擬實驗操作，有效地解決了上述問題。此外，配合與之相適應的實驗教學模式和實驗考評體系，激勵大學生個體或結對開展自主實驗，有效提升了實驗教學效果，提高了學生的實踐動手能力。

2 我校生物學虛擬實驗室的構建

中心在構建生物學虛擬實驗室之初，就提出了“積為教用、虛為實用、以虛補實、提升實效”的建設思路，充分利用信息技術、網絡技術的優勢，有計劃、有重點地構建了包含形態與結構、組分與功能、設備與技能三大模塊，多終端訪問的、開放式、桌面式生物學虛擬實驗室(見圖1)。

圖1 生物學虛擬實驗室基本架構

2.1 形態與結構虛擬仿真模塊

本模塊主要是為學生提供生物個體典型形態結構特征、生物個體各組織器官建成規律、生物個體與種群類別的鑒別、生物群體與生長環境的關系等教學內容的虛擬仿真實驗。實驗項目主要對應于中心為全校生物學、獸醫、動科、農學、生態、草業、環境工程、園林等專業開設的“植物學”、“動物學”、“微生物學”、“細胞生物學”等專業基礎實驗課程，主要解決實驗材料稀缺、個體的生長發育受季節和環境影響較大、發育過程不可逆的問題，并可提升實體實驗的效率。

本模塊主要包含以下實驗教學內容。

(1) 虛擬數字切片。將部分動植物組織、器官的典型結構切片在數碼顯微鏡下拍攝成若干張不同放大倍率(如40、100、200、1 000倍)的數碼照片，再使用圖像拼接軟件，將這些照片拼接成數字化切片。用編程軟件、數據庫軟件制作一個模擬顯微鏡下觀察切片的用戶界面，同時實現虛擬顯微鏡的部分實際功能，如物鏡的切換、載物臺的移動、標尺的添加等，對每一張數字化切片進行相關知識點的標注，并用Microsoft Access數據庫來管理這些數據要素。應用它，學生可以在進行實體實驗前或實驗后，隨時隨地對動植物個體典型結構特征進行預習和復習。

(2) 高等植物物種鑒別系統。植物學實驗的課程教學目標要求學生能獨立完成對某一植物標本名稱的鑒別、采集、整理、制作與歸檔。為此，我們制作了描述植物特征的術語圖文數據庫、鑒別植物物種名稱的檢索數據庫和不同生境類型的3D場景等，組成了高等植物物種鑒別系統。應用它，不僅能夠對相關植物標本進行多維度的學習，還能有效解決因地理條件、季節氣候等因素的影響，對植物單一個體觀察不完整、不能全面了解區域性植物生態分布和多樣性的問題。我們還充分利用校園、公園、田園中的植物，完成相關知識點和物種鑒別的教學工作。這不僅實現了植物分類學實驗教學在時空上的全開放，還為我們構建“學中游、游中學”的新型實驗教學模式提供有力支撐。

(3) 動物解剖3D虛擬實驗。動物形態結構解剖學實驗的主要教學目標是讓學生掌握動物器官(如心臟、肝臟、胃等)和系統(如消化系統、生殖系統、循環系統等)的特征與分布。我們利用Unity 3D開發軟件，結合3D Studio Max、Maya等建模工具，將各門的代表動物按照教學大綱所規定的解剖流程制作成三維虛擬實驗。應用它，有利于學生對動物個體各器官的解剖結構，尤其是特定器官在個體中的相對位置與分布的掌握。

2.2 組分與功能虛擬仿真模塊

利用本模塊可以對生物有效成分的分離、純化、測定及其功能鑒定實驗方法與技術進行虛擬仿真學習，較好地解決了部分實體實驗耗時長、實驗動物用量大的問題。模塊的內容涵蓋了“生物化學”、“生物技術大實驗”、“人體及動物生理學”、“基因工程”等實驗課程。

(1) 人體及動物生理虛擬實驗。使用Flash、Director、數據庫等技術，將動物實驗的操作規范、手術器械的使用、生理測定的過程等制作成虛擬實驗。學生可以在計算機上反復模擬實驗操作和測定實驗結果，且不需要大量使用活體實驗動物，同時也有效地提高了學生的學習興趣和對實驗的感性認知。

(2) 生物化學虛擬實驗。將蛋白、核酸、糖等生物活性物質的鑒定、分離、純化實驗制作成特定的虛擬實驗。應用它，不僅可有效降低實驗的潛在風險(如實體實驗中有毒藥品的使用)，還可實現實驗成本的降低。

(3) 基因工程虛擬實驗。基因工程實驗從特定外源基因的擴增開始，到載體的構建、目的基因的轉化、檢測與表達，體現一個完整的運用基因工程改造生物體的方法。在基因工程實驗教學中，由于學生對儀器設備的性能及操作過程不熟練、實驗的微觀反應過程不可見或不易觀察、實驗環節多和耗時長等問題，使學生只能看到部分的最終實驗結果，而對于實驗中的一些微觀反應過程無法了解，直接影響了實驗教學效果和學生的實驗興趣。再加之本實驗課程受學時限制，只能在一個學期內將實驗分割成若干個小實驗進行，這種片段式的記憶使學生很難對整個實驗過程有一個整體的把握。我們使用HTML5編程語言制作了整個實驗的流程，通過視頻等形式顯示儀器設備的規范化操作流程，通過3D仿真顯示微觀變化過程，從而實現實驗的完整性和微觀過程的可視性，有效提高了學生對實驗技術的理解和應用。

2.3 設備與技能虛擬仿真模塊

該模塊主要是將在生物學實驗中常用的儀器設備，尤其是一些“新、貴、精”的儀器設備制作成虛擬儀器，這種虛擬儀器可以模擬實體儀器的大部分功能與使用方法(如參數的設定、面板按鈕的功能等)。學生可以通過模擬操作使用單臺或多臺儀器設備來實現特定的實驗目的，并得到實驗結果。應用它，不僅可以較好地解決儀器設備臺套數偏少、精密儀器使用機會少等問題，還可以相對減少實驗課上關于儀器設備使用方法的講解時間，提高設備的使用效率和完好率。

2.4 生物學虛擬仿真實驗教學平臺

該平臺是我中心采用Access數據庫和B/S架構自主開發的一套軟件，主要是為上述三大模塊提供軟件支撐，方便管理人員靈活配置三個模塊的具體功能，提供學生網上選課、提交實驗報告、實驗考核和開放實驗預約功能以及教務檔案的管理等。

3 生物學虛擬實驗室的應用

中心在建設之初，就提出了“積為教用、虛為實用、以虛補實、提升實效”的虛擬實驗室建設思路。為了充分發揮虛擬實驗室的優勢，調動學生主動學習的熱情，切實提升實驗教學效果，我們構建了一套“虛實結合”的生物學實驗教學模式。

3.1 制定不同類型實驗項目的教學流程

2013年，我們重新修訂了生物學各專業的人才培養方案，除了調整綜合性、設計性實驗的比例，將一些前沿生物學實驗技術(如免疫熒光技術、氣液相色譜技術、流式細胞技術等)納入本科實驗教學中以外，還單獨設立了大學生自主實驗課程，獨立計算學分，并規定本科生須在前3年(生物學相關專業實行3+1培養模式，即3年校內學習，1年專業、畢業實習)至少完成一次自主實驗項目。項目從選題、方案設計、項目實施到撰寫報告，均由學生在導師的指導下獨立完成。

3.1.1 課程性實驗項目

實驗教學大綱中規定的實驗室安全教育、實驗動物操作規程等均在虛擬實驗室中完成。對于驗證性、綜合性實驗項目，要求學生先在虛擬實驗室中完成虛擬仿真學習及預習效果測試。在實體實驗室，教師不再花費許多時間講解實驗的原理、方法和流程，而是以個別指導為主，在保證實驗效果的前提下壓縮驗證性實驗項目的學時比重。實驗結束后，學生在網上撰寫并提交實驗報告，在學期結束前參加統一的在線實驗考核和實體實驗操作考核(見圖2)。

圖2 不同類型的實驗項目教學流程

3.1.2 自主性實驗項目

自主性實驗項目主要來源于科研成果的轉化、教師在研的科研項目子課題、國內外的研究熱點和現實生活中的生物學相關問題。項目的具體實施流程如下：

(1) 學生在虛擬實驗室的“開放性實驗”欄目中選擇自主性實驗項目名稱(或自擬項目名稱)，通過觀摩虛擬實驗室內的數字化實驗教學資源和相關文獻，在線撰寫項目申報書(包含實驗材料、設計思路、所需儀器、藥品、耗材、實驗方法、參考文獻等)，并提交至中心主任助理；

(2) 主任助理根據實驗研究內容將申報書轉至相關學科的教師；

(3) 教師審閱項目申報書并提出修改意見；

(4) 學生按照修改后的方案預約中心實驗室，并在規定時間內做實驗；

(5) 實驗結束后在線撰寫并提交結題報告，指導教師予以評分。對實驗開展順利、結果比較理想、有較大研究意義的項目，中心可配備專門的項目導師，項目轉入導師科研實驗室進行深入研究，并為學生申請創新基金項目、參加大學生“挑戰杯”競賽活動提供資助。

3.2 構建過程與結果并重、虛實互補的考核體系

考核在整個教學工作中起著指揮棒和標尺的作用[9-10]。為了配合基于網絡虛擬實驗室的實驗教學，切實發揮虛擬實驗室的優勢，我們構建了過程與結果并重、虛實互補的實驗考核體系(見表1和表2)。該方案實施以來，一定程度上改變了學生重理論、輕實踐，重考試、輕過程的狀況。

表1 課程性實驗項目考核體系

表2 自主性實驗項目考核體系

4 結束語

加強實驗教學工作是提高學生動手實踐能力、創新能力的重要手段之一[11-12]。在信息技術、網絡技術高速發展的當今，揚州大學發揮互聯網的優勢，構建了生物學虛擬實驗室，并實施了與之配套的實驗教學模式和虛實互補的考核體系。虛擬實驗室的使用提升了學生的學習興趣，使學生從被動學習轉變為主動學習，提高了實驗教學效果，為培養實踐創新型的生物類人才提供了有力的平臺保障。

References)

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[3] 孫青，艾明晶，曹慶華.MOOC環境下開放共享的實驗教學研究[J].實驗技術與管理，2014，31(8)：192-195，214.

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[6] 解麗芳，林宏輝.虛擬實驗室在本科生物實驗教學中的作用[J].實驗技術與管理，2014，31(9)：114-115.

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[12] 盧鐵城.加強實驗教學 培養科技創新人才[J].中國大學教學，2005(3)：10-11.

Construction and application of biology virtual laboratory

Du Kun, Zhang Biao, Wei Wanhong, Zhou Fucai

(College of Bioscience and Biotechnology, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China )

The biology virtual laboratory including the structure and function, component and function, equipment and skills, and supporting software, is constructed. Some measures are carried out further, such as revising talents’ training scheme, and establishing implementation process of different types projects based on virtual laboratory. After several years practice, the students’ learning initiative and the experimental teaching effect have been improved effectively.

biology experiment; virtual laboratory; experimental teaching reform

2015- 02- 05 修改日期：2015- 03- 23

杜坤(1980—)，男，江蘇南京，碩士，實驗師，揚州大學生物科學與技術實驗國家級實驗教學中心副主任，主要從事虛擬實驗室建設和實驗室管理工作.

E-mail：dukun@yzu.edu.cn

G642.4；G482

A

1002-4956(2015)9- 0132- 05