虛實(shí)結(jié)合的轉(zhuǎn)基因小鼠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)探索

蘆曉晶　羅軍　張紅

[摘? ? ? ? ? ?要]? 通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)互動(dòng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)基因小鼠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)流程從注射用DNA片段的制備;受精卵顯微注射;胚胎移植、懷孕產(chǎn)仔;轉(zhuǎn)基因檢測(cè)這四方面開(kāi)展。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K中包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理、虛擬實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)視頻/動(dòng)畫三大組分。學(xué)生在進(jìn)行理論課程學(xué)習(xí)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作的同時(shí)，輔以虛擬實(shí)驗(yàn)的操作，個(gè)別不適合操作的實(shí)驗(yàn)過(guò)程用視頻和動(dòng)畫代替，最終讓學(xué)生掌握整個(gè)繁雜的轉(zhuǎn)基因小鼠的制備過(guò)程。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 虛擬仿真;轉(zhuǎn)基因小鼠;實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2018）35-0239-01

分子生物學(xué)是一門重要的醫(yī)學(xué)/生物學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課，在闡明生物大分子結(jié)構(gòu)、功能、調(diào)控機(jī)制的同時(shí)，還從分子水平上揭示了生命的奧秘。分子生物學(xué)又是一門實(shí)驗(yàn)性極強(qiáng)的學(xué)科，熟悉、掌握分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能不但能夠驗(yàn)證理論知識(shí)，還能夠鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生觀察問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[1]。基因重組與基因工程是此門課程的重點(diǎn)章節(jié)，長(zhǎng)期以來(lái)，本科生主要通過(guò)教師的講解、相關(guān)的視頻完成對(duì)此章節(jié)的學(xué)習(xí)，許多學(xué)校因場(chǎng)地、設(shè)備、學(xué)時(shí)等因素，無(wú)法對(duì)本科生開(kāi)展相關(guān)的基因工程實(shí)驗(yàn)。這就使本科生在基因工程應(yīng)用方面很難得到完整的訓(xùn)練和操作機(jī)會(huì)，只依靠記憶概念，無(wú)法形成連貫的知識(shí)體系。而許多學(xué)生到了研究生階段則會(huì)在毫無(wú)準(zhǔn)備的情況下直接開(kāi)始進(jìn)行基因工程方面的實(shí)驗(yàn)，這中間的知識(shí)斷檔是教育中的失誤，但通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，這樣的失誤是可以避免的。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用多學(xué)科的綜合性技術(shù)，以計(jì)算機(jī)和專用設(shè)備為工具，提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，同時(shí)在虛擬實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)人機(jī)交互，讓使用者如同身臨其境一般，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)[2]。建設(shè)分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，已成為現(xiàn)階段許多高校的研究熱點(diǎn)，許多研究理念認(rèn)為應(yīng)該建設(shè)一套包羅萬(wàn)象的實(shí)驗(yàn)體系，這對(duì)那些進(jìn)行遠(yuǎn)程教育、無(wú)法在學(xué)校完成課堂學(xué)習(xí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)是有很大幫助的，但對(duì)在校學(xué)生而言，虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則更加合理。接下來(lái)，筆者以轉(zhuǎn)基因小鼠的制備為例，對(duì)虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)背景與設(shè)計(jì)流程

以《生物化學(xué)與分子生物學(xué)》（主編查錫良）為教材，根據(jù)分子生物學(xué)教學(xué)大綱的要求，理論課程中講授的“顯微注射法制備轉(zhuǎn)基因小鼠技術(shù)路線”完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)程十分復(fù)雜，包括小鼠的培養(yǎng)、受精卵的采集、假孕母鼠誘導(dǎo)等動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這是一項(xiàng)龐大的工程，不利于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的轉(zhuǎn)化推廣。因此本實(shí)驗(yàn)集中從基因工程操作方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)流程從以下四方面開(kāi)展：（1）注射用DNA片段的制備;（2）受精卵顯微注射;（3）胚胎移植、懷孕產(chǎn)仔;（4）轉(zhuǎn)基因檢測(cè)。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)《虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在分子生物學(xué)教學(xué)中應(yīng)用模式的探索》（蘆曉晶）構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)互動(dòng)平臺(tái)，將轉(zhuǎn)基因小鼠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)做成一個(gè)模塊化系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K中包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理、虛擬實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)視頻/動(dòng)畫三大組分。學(xué)生在進(jìn)行理論課程學(xué)習(xí)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作的同時(shí)，輔以虛擬實(shí)驗(yàn)操作，個(gè)別不適合操作的實(shí)驗(yàn)過(guò)程用視頻和動(dòng)畫代替，最終讓學(xué)生掌握整個(gè)繁雜的轉(zhuǎn)基因小鼠的制備過(guò)程。

（一）注射用DNA片段的制備

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模孩偈煜んw外重組DNA分子的構(gòu)建方法，掌握對(duì)載體和目的DNA酶切的操作流程;②熟悉利用連接酶把載體和外源目的DNA片段連接起來(lái)的方法，掌握制作感受態(tài)細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)流程;③掌握熱擊法轉(zhuǎn)化大腸桿菌的原理和實(shí)驗(yàn)流程;④掌握PCR檢測(cè)法篩選重組子的實(shí)驗(yàn)流程;⑤掌握DNA酶切片段回收的實(shí)驗(yàn)流程。

備注說(shuō)明：此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的中心環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的每一步均需要學(xué)生操作完成。

（二）受精卵顯微注射

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模孩賹W(xué)習(xí)細(xì)胞顯微注射的基本原理;②掌握細(xì)胞顯微注射基本技術(shù)。

備注說(shuō)明：①注射針和持卵針的拉制過(guò)程、注射針安裝和定位，可通過(guò)視頻、圖像資料來(lái)展示;②注射針內(nèi)裝入基因液和顯微注射，這兩項(xiàng)需要學(xué)生操作完成。

（三）胚胎移植、懷孕產(chǎn)仔

此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)屬于轉(zhuǎn)基因小鼠制備過(guò)程的重要一步，但鑒于它并不屬于生物化學(xué)與分子生物學(xué)課程大綱要求的內(nèi)容，因此該環(huán)節(jié)可通過(guò)視頻、動(dòng)畫資料來(lái)展示。

（四）轉(zhuǎn)基因檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模孩僬莆招∈笫笪睤NA提取的基本技術(shù);②學(xué)習(xí)Southern印記雜交檢測(cè)技術(shù)的基本原理，掌握Southern印記雜交檢測(cè)技術(shù)的基本技術(shù)。

備注說(shuō)明：此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的每一步均需要學(xué)生操作完成。

三、“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

所謂“虛實(shí)結(jié)合”，即實(shí)驗(yàn)流程由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完成，節(jié)點(diǎn)性實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)際操作驗(yàn)證。以筆者所在學(xué)校為例，生物化學(xué)與分子生物學(xué)開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)課程包括的“小鼠DNA、RNA的分離、提純與定量”“PCR檢測(cè)鼠肝肌動(dòng)蛋白（β-actin）基因”“質(zhì)粒提取、酶切及電泳鑒定”“蛋白質(zhì)分離、提純與聚丙烯酰胺電泳”“蛋白質(zhì)印記分析”等綜合性實(shí)驗(yàn)課程，可以讓學(xué)生將通過(guò)虛擬操作獲得的知識(shí)和技能在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)課程中實(shí)現(xiàn)操作和驗(yàn)證。這種通過(guò)虛擬仿真與真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合的教學(xué)模式將為學(xué)生提供一種全方位、多樣化、個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘆曉晶，羅軍，張紅.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在分子生物學(xué)教學(xué)中應(yīng)用模式的探索[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2017（29）：187.

[2]原蕓姿，沈丹，姜秀文.虛擬仿真技術(shù)在《護(hù)理學(xué)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索應(yīng)用[J].中國(guó)校外教育（下旬刊），2014（11）：95.