生物技術虛擬實驗室的建設

王 甜, 林宏輝

(四川大學 生命科學學院 生物科學實驗教學中心, 四川 成都 610065)

生物技術虛擬實驗室的建設

王 甜, 林宏輝

(四川大學 生命科學學院 生物科學實驗教學中心, 四川 成都 610065)

為增強畢業生的職場競爭力和適應性,通過與生物技術專業實習基地的相關企業合作,由企業提供生產技術信息,利用虛擬現實技術模擬真實工業化生產過程,四川大學生物科學實驗教學中心建成集教學、科研、工廠實訓為一體的生物技術虛擬實驗室,其實驗教學分為基礎性、綜合性和創新性3個層次,讓生物技術專業學生的實踐訓練有了全新的學習方式。

虛擬實驗室； 實踐訓練； 職場競爭力

隨著多媒體技術、網絡教學、遠程教育的興起,高校的教學模式發生了巨大改變,日臻成熟的虛擬現實技術將以往不能開設的高消耗的、不可逆的、劇毒的、大型綜合的常規實驗教學內容,以虛擬數字化形式引入實驗室,讓學生接觸、模擬并體驗到這類實驗成為可能。虛擬實驗室展現出形象的、逼真的場景和互動教學模式,不僅能激發學生的學習興趣,防止有毒害試劑的侵害,還能夠大大降低實驗成本[1-2]。開放式的虛擬仿真實驗室也為培養學生的自主學習能力和創新實踐能力提供了有利環境。

1 建設生物技術虛擬實驗室的必要性

生物技術專業教育與生物技術產業的發展密不可分,并且具有突出的實踐性特點。四川大學生命學院要求生物技術專業的學生不僅要掌握扎實的生物學基礎理論,而且要接受嚴格的生物技術基本技能與研發能力的訓練[3]。實踐訓練是該專業學生的必修課程,是實驗教學的重要組成部分。為此,生命學院選擇了發酵制品企業、生物制品研究所和真菌栽培公司等多家生物技術企事業單位作為學生的生產實踐實習基地,為學生的實踐訓練提供了多樣化的學習內容,取得了一定的教學成效。但由于一些生物制品(如疫苗、血液制品)的生產條件必須符合GMP(產品生產質量管理規范)認證,而學生無法進入生物制品生產車間參觀學習,不能親身感受生物制品的復雜生產環節,無法達到實踐訓練的教學目的,對于學生來說是一種遺憾。

虛擬現實技術可以彌補這一教學環節的缺失,即由企業提供生產車間的具體技術信息和場景,采用計算機虛擬仿真技術和網絡技術,在沒有實驗硬件的條件下,利用計算機模擬生物制品的生產流程,為學生提供生動、逼真的學習環境。學生是虛擬實驗的參與者,可以在虛擬環境中扮演不同的角色,此種方式對于調動學生學習的積極性、突出教學的重點、掌握知識難點、培養學生的技能都將起到積極的促進作用[4-5]。在虛擬實驗的過程中,學生置身于較逼真的虛擬實驗場景,了解生產的基本操作過程、熟悉實驗步驟、理清實驗思路,對一些注意事項也更加印象深刻,了解這些生產流程細節也成為可能，為今后進入同類生產企業從事生產和研發工作提供實踐的舞臺。

2 生物技術虛擬實驗室3個平臺的建設

按照教育部對于實驗中心實驗教學信息化的要求,以及國家級虛擬仿真實驗教學示范中心“科學規劃,共享資源,突出重點,提高效益,持續發展”的指導思想[6],四川大學生物科學實驗教學中心(以下簡稱“實驗中心”)結合自身教學特色和生物技術專業實踐訓練的教學目的、要求,在充分調研的基礎上,與成都市生物制品研究所共同開發了疫苗工業化生產的虛擬實驗室。該實驗室作為生物技術虛擬實訓平臺,為培養學生的綜合素質、創新精神和實踐能力提供有利條件。

實驗中心按照以學生綜合素質和能力培養為核心的多層次化、多元模塊化創新實驗教學體系,建成生物技術虛擬實驗室。該實驗室包括3個平臺:

(1) 生物技術虛擬儀器設備操作訓練平臺。教學內容和形式包括:①常規生物技術實驗儀器設備的操作視頻；②流式細胞儀、自動快速微生物鑒定儀、熒光定量PCR儀、氣質聯用儀、體視熒光顯微鏡、層析系統、超速離心機等貴重儀器的功能介紹和操作視頻,學生可自主使用設備完成虛擬實驗。

(2) 生物技術虛擬實驗技能學習平臺。教學內容和形式包括:①普通生物學實驗、分子生物學實驗、細胞遺傳實驗、生物化學實驗、微生物學實驗等基本技能操作視頻；②學生感興趣,但因為課時原因無法常規開設的綜合性實驗,如轉基因動植物實驗、干細胞實驗和克隆生物實驗等。

(3) 生物技術虛擬實訓平臺。教學內容和形式包括:分類介紹各類疫苗(細菌性疫苗、病毒性疫苗等)的研發、準備和生產流程。

生物技術虛擬實驗室的教學資源可劃分為基礎性、綜合性和創新性3個層次[7]。

第一和第二層次內容即生物技術虛擬儀器設備操作訓練平臺和生物技術虛擬實驗技能學習平臺,這一內容適用于大學一、二、三年級的學生。虛擬教學平臺的作用主要是輔助理論知識學習和常規實驗教學,詳細、生動地展示實驗儀器操作方法和培養學生的實驗技能。學生通過自學后自測,教師利用終端查看學生完成情況并進行考核,最終與傳統實驗結合,讓學生具有基本的動手能力和實驗操作技能,為中心實驗室的全面開放做好準備。同時,綜合性虛擬實驗提供了學生感興趣的實驗內容,讓學生在真正將理論知識與應用技術、社會需求聯系起來,增強學生對生物這一學科的學習積極性以及解決實際問題的能力。

第三層次(創新性教學資源)即生物技術虛擬實踐訓練平臺,它更適用于具備了系統的理論知識和實驗技能的大四學生。在該實訓平臺,學生以角色漫游的形式進入工廠場景,在各流程設置有針對性問題(實驗原理、技術等)，引發學生思考和回答問題。當一個環節完成后再進入下一環節(如無法完成,有一定提示),問與答的環節形成與學生的互動,使學生在輕松、有序的環境中學習和了解實踐訓練中無法接觸到的疫苗生產研發環節。實驗結束后,要求學生撰寫實驗報告，要仿照真實生產的書寫方式,內容包括遇到的問題、解決方法、改進生產工藝和可行性措施等[2]。

這種高級虛擬實驗課程是培養學生綜合素質、增強學生的職場競爭力和適應性的一種有效方法,對于已完成大部分生物技術基礎理論課程學習的四年級學生開設此類實驗課程,不僅為學生的就業提供便利條件,也符合大學為企業輸送高級應用型人才的要求[2]。

3 生物技術虛擬實驗室的優點

(1) 交互性。虛擬現實技術實現的生物技術虛擬實驗室,可以讓學生感性地理解生物技術課程中涉及的理論研究對象、內容以及生產實踐場所,通過學生的互動式參與,激發學生主動學習和探索的熱情,培養實踐能力和創新能力,提高實驗教學效率。

(2) 系統性。虛擬實驗室解決了因為實驗周期長、成本高、危險性大而在實踐訓練環節無法接觸到的實驗,彌補了常規實物實驗的不足,形成系統的虛擬實驗教學課程體系。虛擬實驗室不僅為培養生物技術專業學生的創新實踐能力提供了有利環境,也能讓非生物技術專業的學生了解生物技術產業,使不同學科的知識能夠相互通融,遇到問題能夠從比較開闊的、跨學科的視角進行思考,達到不同學科文化、不同專業之間的交融[8],達到通識教育的目的。

(3) 實踐性。在生物技術虛擬實驗室平臺上,學生以企業工作人員的角色進入虛擬實驗環境,完成生物相關產品的研發和生產等虛擬實驗。該實訓平臺彌補了長期以來生產實習中學生無法上生產線、無法現場動手操作,以及學生只能在某一生產工藝環節實習而不能對整個生物制品生產流程了解的缺陷。利用數字仿真實驗平臺和沉浸式場景,進行全面、系統的實踐技能訓練,學生在畢業后能很快適應從學生向職場角色的轉變。

(4) 安全經濟性。由于生物學科的儀器設備造價昂貴,如大型實驗儀器設備發酵罐、高速離心機、熒光定量PCR儀、質譜儀、蛋白層析系統等造價昂貴,實驗還涉及到較多有毒有害的藥物和原料,如秋水仙堿、各種工具酶、蛋白毒素以及乙醚、二甲苯、硝酸銨等易燃易爆試劑。在虛擬實驗室進行實驗教學,可實現儀器設備和藥品的零損耗、低成本,避免了學生接觸有害試劑,減少環境污染物的排放,防止由于缺乏基本操作經驗以及疏忽導致安全事故發生[9]。

(5) 靈活開放性。由于虛擬教學資源和教學平臺的支持,與傳統實驗教學相結合,學生可以自擬、自選實驗題目,不受時間和空間限制地通過虛擬實驗室模塊自行組織進行生產實訓。平臺可以實現實驗學習、互動交流、教師監督、電子實驗報告、成績評定,以及虛擬創新實驗完成后再進行實物實驗的成果轉化等功能,最大限度地發揮學生的主動性和創造性。這種學生自主探索的學習活動,可使他們的個性得到發展,創造能力得到提高,最大限度地鍛煉和開發學生的創新能力,激發學生的學習興趣,實現教學模式的多元化發展。

4 生物技術虛擬實驗室的可持續發展

虛擬仿真實驗教學中心實行實驗中心主任負責制,中心實驗教師參與管理。中心制定了系統的教學管理制度,保障學生能在網絡化虛擬實驗室進行虛擬儀器的操作訓練、專業課前預習、理論與實踐結合的訓練和畢業前的工廠實訓。中心通過強大的服務器支持本校生物專業學生、本校其他專業的學生以及其他高校用戶共享虛擬教學資源。

虛擬實驗室根據學校辦學特色和學科專業特點,進一步整合實驗教學資源,促進教學科研互動,實現科研成果向實驗教學內容的有效轉化,探索建立與生物技術相關企業協同培養人才的新機制,創建貼近生產實際的虛擬仿真實驗教學環境,為應用型、復合型、創新型人才培養創造有利條件。

為保證可持續發展,生物科學實驗教學中心在與生物制品研究所的合作并建立多樣化的實習實訓基地的基礎上,還將與四川華神集團股份有限公司、四川三葉草生物制藥有限公司、蓉生藥業等企業展開合作,這些企業都具有開發虛擬實驗室教學資源的技術潛力。與企業和虛擬數字化公司的深層次合作,建成具備教學功能的企業虛擬實驗室,將最終形成覆蓋面更加廣泛的四川大學生物科學與技術虛擬仿真實驗教學中心,為行業提供開放性、遠距離的繼續教育[10],立足形成服務于本院、本校和相關高等職業培訓機構的高等教育資源。

5 結束語

生物技術虛擬實驗室具有交互性、安全性、經濟性、靈活開放性等諸多優點,實驗中心開發的虛擬教學資源,不僅有生物學科的內容,還有交叉學科的實驗資源,它的建設對于生物技術專業學生的實踐訓練有著重要的作用。

但是,虛擬生物實驗室只是提供了一種獲得“人工經驗”或“虛擬經驗”的手段,它并不能完全取代真實的實踐教學。在教育部《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》文件中也指出:“虛擬仿真實驗教學中心的建設應充分體現虛實結合,相互補充、能實不虛的原則。”明確了不能用虛擬實驗教學代替所有的實驗項目,而是形成虛實結合的實驗教學體系,在虛擬實驗的基礎上,盡可能地讓學生接觸到實際,做到“能實不虛”[9,11]。

因此,在開發虛擬仿真實驗教學資源時,要充分權衡虛擬實驗與實做實驗的比例。實驗中心在生物技術虛擬實驗室平臺上的教學,遵循虛擬設備操作指導實際操作、常規實驗與虛擬實驗相補充、進廠實習與虛擬實訓相結合的原則[11-12],縮小完全虛擬化的實驗室與真實實驗室之間的差距,既充分利用虛擬實驗室在實驗教學中的優勢,又盡量彌補其存在的欠缺。

References)

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[5] 牛龍平.虛擬教學、虛擬實驗系統的研究與應用[J].高等理科教育,2005(2):82-84.

[6] 教育部高等教育司.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].(2013-08-13)[2015-02-10].http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

[7] 翟永杰,紀蓬勃,王秀梅,等.電力工程全過程虛擬仿真實驗教學中心建設[J].實驗技術與管理,2014,31(8):5-8.

[8] 王宏斌,王金發.創造優質通識課程 培養學生科學文化素質[J].中國大學教學,2013(3):37-39.

[9] 江海平,馮鴻.虛擬現實技術的發展對生物實驗和教學的重大影響[J].遺傳,2007,29(12):1529-1532.

[10] 李慶煜.論虛擬現實技術在提高高校教學質量中的作用[J].宜春學院學報:自然科學,2003,25(6):56-58.

[11] 王曉迪.虛擬仿真實驗教學中心建設中八項關系的理解與探討[J].實驗技術與管理,2014,31(8):9-11.

[12] 馮峰,孫聰,曲先強.船海虛擬仿真實驗教學中心的建設與發展[J].實驗技術與管理,2014,31(2):11-14.

Constructionofvirtuallaboratoryofbiologicaltechnology

Wang Tian, Lin Honghui

(Experimental Teaching Center of Biological Sciences, School of Life Science, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Through the cooperation with the practice base of enterprises related to biotechnology, information of production technology provided by these enterprises, using virtual reality technology to simulate the actual industrial production process, the virtual laboratory of biotechnology is constructed by integration of teaching, scientific research and factory training as a whole. Its experimental teaching includes the basic, comprehensive, and innovative three levels and it is an effective way to enhance the career competitiveness and adaptability of graduates.

virtual laboratory; practical training; career competitiveness

2015- 02- 27

國家自然基金委條件建設項目(J1210013)；國家自然基金委能力提高項目(J1103518)；高等學校本科教學質量與教學改革工程“專業綜合改革”項目; 2015年四川大學實驗技術立項(2015-47)

王甜(1981—),女(布依族),貴州興義,碩士,實驗師,研究方向為生物學實驗教學

E-mail：wangtian0311@scu.edu.cn

林宏輝(1968—),男,四川仁壽,博士,教授,博士生導師,主要研究方向為植物代謝工程及逆境分子生理.

E-mail：hhlin@scu.edu.cn

G642.4；TP

A

1002-4956(2015)8- 0118- 03