虛擬實驗在分子生物學實驗教學中的應用研究

丁小麗

摘 要： 分子生物學是生命科學一門重要的基礎課程，實驗教學是分子生物學的關鍵環節。開展虛擬實驗，運用新興虛擬網絡技術，解決傳統分子生物學實驗教學中的種種矛盾和難題，提高和完善分子生物學實驗。

關鍵詞： 虛擬實驗 分子生物學 應用研究

分子生物學是人類從分子水平上真正揭開生物世界奧秘的基礎學科，是生命科學的前沿科學，對于大學生而言是一門非常重要的基礎學科[1]。同時，分子生物學又是一門實驗性非常強的學科，實驗教學是分子生物學教學的重點。但傳統分子生物學實驗教學由于實驗周期長、成本高、教學難度大等因素，限制其在高校的普遍開展。虛擬實驗技術依托“虛擬現實”[2]技術產生和發展起來的一種實驗模式，起源于20世紀末。現在高校基本普及了校園網，基于校園網構建虛擬實驗系統，師生可以共享一個虛擬空間。在增強實驗教學效果、增強學生學習興趣、培養學生創造力和想象力等方面有顯著效果。

1.分子生物學實驗教學現狀

（1）成本高，實驗版本低：分子生物學發展迅速，新方法、新技術不斷涌現，但是新技術需要的設備、試劑耗材等非常昂貴，動輒幾十萬，普通高校無法開展相關實驗，只能多年如一日，開展老式分子生物學實驗，學生無法學到新方法，了解不了生物學前沿知識和技術。

（2）效率低，耗時長：分子生物學實驗的特點是耗時長，步驟間隔時間長。以PCR實驗為例，前期學生將引物、酶、dNTP、DNA、水等加上后，PCR儀器設定好，接下來就是幾個小時的等待時間。等PCR結果出來才能進一步電泳檢測，而電泳也是費時不少。所以，幾乎每一個分子實驗都是操作等待再操作的過程，效率很是低下。

（3）直觀感受太少，學生興趣不足。分子生物學實驗的另一大特點就是微觀操作比較多，例如，PCR反應、酶切酶連、瓊脂糖電泳等實驗，都是微觀世界的改變，對學生而言完全沒有直觀觀察效果，學生根本無法親眼見到整個實驗的反應過程，提不起學習興趣。

（4）實驗安全性欠缺：分子生物學涉及很多有毒有害甚至致癌的藥物試劑，學生進行實驗操作時稍不注意就會傷害自身安全，而且每個實驗均涉及有毒有害物質的排放，將對環境產生不小的污染。

2.虛擬實驗可以彌補分子生物學實驗的種種不足

（1）成本低，易開展：與分子生物學實驗所需的動輒幾十萬的儀器相比，虛擬實驗室的構建成本相當低，而且后期維護成本小，沒有器材、耗材試劑材料等的消耗。

（2）效率高：傳統實驗室由于種種原因，會造成儀器臺件數不足，一個班同學分成幾組操作實驗，而且學生只能在實驗室操作學習，難以反復訓練。分子生物學實驗的特點是等待時間過長，整個過程冗長費時。虛擬實驗室解決了這些問題，即可以通過網絡實現多人同時進入，而且在電子產品日益普及的今日，大學生大部分都擁有自己的電腦，讓學生根據自己的學習程度，任何時間都可以練習操作，熟練掌握實驗操作要點和內容。

（3）趣味性強：虛擬實驗將實驗中肉眼無法見到的微觀世界的種種變化轉化成生動有趣的動畫模式，讓學生非常直觀地了解實驗過程到底發生了什么，調動學生的學習熱情。再加上現在學生對電子、網絡等非常有興趣，虛擬實驗室的建立正迎合了學生的趣味。

（4）安全性高，對師生無傷害，對環境零污染：虛擬實驗室完全避免了化學試劑對學生身體的傷害和對環境的污染，符合中國現階段的發展需要。

3.分子生物學虛擬實驗室成立

根據目前普通高校的狀況，一般學校都能滿足要求，只要在實驗室原有基礎上購進最基本的儀器（電腦、數據采集卡等）與配套軟件，甚至可以多學科聯合，開發相應的虛擬儀器，建立分子生物學虛擬實驗室。

4.分子生物學虛擬實驗室的應用

（1）首先，培訓教師熟練掌握軟硬件的操作，從而把分子生物學知識形象、生動地展現給學生，幫助學生理解理論知識，掌握實驗操作要領。

（2）其次，學生可以隨時運行虛擬實驗室軟件，對整個分子生物學實驗課程進行多次復習，這樣學生對相關儀器的操作、實驗關鍵步驟的操作都能得到反復練習，從而熟練掌握整個實驗技能。并且整個虛擬實驗室氛圍安全無毒，提高安全防護意識，避免學生實際操作時手忙腳亂，造成安全隱患。并且，現在大學生對電子信息、網絡等非常熱衷，如果我們的實驗室界面設計得非常人性化和友好，那虛擬實驗肯定會最大限度地調動學生的學習積極性，充分發揮學生的主觀能動性，培養學生積極主動學習的能力。

5.存在的問題及展望

（1）專業合作及技術上的問題：分子生物學和虛擬技術是兩個完全不同的研究方向，必須加強兩個不同學科研究及教學人員之間的合作和交流，才能更好地服務于虛擬實驗室。并且虛擬技術尚處于發展階段，從軟件的復雜度到運行計算機的性能要求高等都是亟待解決的問題。

（2）學生和教師必須改變學習、教學方式，改變思考問題的方式，才能適應虛擬實驗環境。必須加強對使用者的能力培訓，使師生都能更好更正確地操作軟件。

（3）虛擬實驗不能完全取代現實實驗。虛擬實驗雖然有趣、安全性高，但畢竟跟現實操作不一樣。兩者各有利弊，實際教學過程中應該堅持“實際操作為主，虛擬實驗為輔”的原則。

參考文獻：

[1]朱玉賢，李毅.現代分子生物學[M].2版.北京：高等教育出版社，2002：1-3.

[2]李科峰.虛擬現實技術及其在教學中的應用[J].網絡安全技術與用，2007（2）：73-74.