基于虛擬仿真技術的高校分子生物學實驗教學改革

馮尚國 盧江杰 王慧中

摘要：本文通過探討傳統分子生物學實驗教學存在的問題，提出將虛擬仿真技術引入分子實驗教學改革的必要性。將虛擬仿真實驗與實際實驗操作有機結合，充分發揮各自教學模式的優勢，豐富教學內容和方式，充分調動學生學習的積極性，提高實驗教學質量。

關鍵詞：虛擬仿真；分子生物學；實驗教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）19-0107-02

一、引言

近年來，分子生物學進入發展的快車道，許多先進技術相繼出現，分子生物學的理論知識已滲透到生物學的諸多領域。由于分子生物學具有微觀性和抽象性的特點，在教學過程中須通過實驗操作來形象地展示其理論和技術，所以分子實驗在該課程教學中具有非常重要的地位[1]。隨著計算機、互聯網的發展，虛擬仿真技術開始崛起，它是一種人工模擬三維仿真環境的綜合性集成技術。由于操作簡便、安全性高、成本低及場景逼真生動等優點，虛擬仿真實驗已逐步滲透入高校的實驗教學。至2013年以來，國家教育部便積極開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作[2]。如何將虛擬仿真技術引入分子生物學實驗教學，完善現有實驗教學的不足，提高學生的積極性和創新能力，增強實驗教學效果，已成為高校急需解決的教學課題。

二、傳統分子生物學實驗教學存在的問題

1.教學內容陳舊。目前，許多分子實驗教學內容與前沿分子生物學發展結合性不緊密。陳舊的教學內容讓學生失去了學習的興趣。另外，由于分子生物學實驗會用到一些具有危險性的化學試劑和藥品，為了學生安全考慮，教師往往選擇一些安全性高、容易操作的實驗內容。這樣容易使學生得不到鍛煉，造成教學內容陳舊、資源匱乏。

2.教學方法單一。傳統教學方式比較單一，往往是教師逐一講解實驗目的、實驗原理、實驗方法及實驗步驟等。學生只需在課堂上完成相應實驗操作，上交實驗報告。這種教學方式看似降低了實驗操作錯誤率，提高了教學效率，但是學生主動思考的機會少，容易形成惰性和依賴性，對教學內容只知其然而不知其所以然。

3.成本投入大。隨著分子生物學的發展，實驗教學涉及的儀器也更加先進昂貴。許多高校在這方面的資金投入不足，無法采購先進高端的實驗儀器，相應的分子生物學實驗課無法開展，學生因此無法接觸到最前沿的分子生物學技術，嚴重影響了實驗教學效果。

4.學生動手能力弱。由于時間限制，教師須在上課前完成材料準備、試劑配制及儀器調試等工作。學生只需按實驗步驟將事先準備的試劑按比例添加即可。學生只是在簡單地模仿實驗部分操作，并沒有參與整個實驗的操作過程，這會造成學生動手能力差，當遇到問題時無法找到根源所在。

5.受時空限制大。由于教室資源有限，課堂上無法允許每個學生獨立進行實驗。通常情況下，2—4個學生一組開展實驗，這樣無法保證每個學生都能動手進行操作。另外，由于課時限制，實驗內容只能有選擇地進行授課，這會讓學生有接觸更多分子生物學技術的機會。

三、虛擬仿真實驗的優勢及在分子實驗教學中的應用

1.降低實驗危險性。有些分子生物學實驗會涉及有毒有害的化學試劑，如果操作不當，容易發生實驗安全事故。例如，在DNA提取中會涉及易制毒化學試劑三氯甲烷，這種試劑易燃助燃且易制毒，受公安部門管制，瓊脂糖凝膠電泳中涉及具有致癌性的溴化乙錠，蛋白質提取中涉及易制毒易制爆試劑丙酮等。虛擬仿真實驗授課不但不用接觸危險性化學試劑，還可以通過直觀的虛擬仿真實驗，對危險化學試劑的操作和使用有更為準確的認識。因此，虛擬仿真實驗教學可以降低實驗的危險性，同時提高學生的實驗理解能力。

2.可視微觀性實驗。分子生物學實驗原理比較抽象，內容非常微觀，用到的試劑量非常少。例如，DNA用量以納克計算，PCR反應的試劑以微升計算。另外，一些實驗反應過程是肉眼看不見的。例如，PCR反應中DNA是如何變性、復性和延伸的？DNA重組子的構建實驗中，目的DNA片段是如何連接到載體DNA上的？這些都是肉眼看不到的。只有整個實驗完成后，通過電泳檢測才能判斷實驗成功與否。為了更為直觀地展示實驗反應過程或實驗原理，我們可以采用虛擬仿真實驗進行教學，使之與傳統實驗操作相結合，不僅可以豐富教學手段，激發學生的學習興趣，提高學習主動性，還可以使學生對實驗原理有更深刻的認識，最終熟練掌握和運用所學的分子生物學知識[3]。

3.縮短實驗周期。有些分子實驗周期較長，學生在課堂上很難完成。例如Southern雜交，其實驗包括基因組DNA制備、DNA限制酶切、DNA消化產物的瓊脂糖凝膠電泳、DNA轉移、探針標記、雜交和洗膜檢測等步驟，每一步都需要很長時間，整個實驗過程需要兩天甚至幾天的時間。虛擬仿真實驗則可以避免此類問題的發生。教師可以將這類周期性長的實驗設計成虛擬實驗，不但可以減少實驗等待時間，使實驗過程變得清晰緊湊，還可以讓學生在實際實驗操作過程中有的放矢，進而提高實驗教學效率[3]。

4.降低實驗成本。有些分子生物學實驗會涉及價格昂貴的化學試劑或大型儀器。例如，RT-PCR實驗要用到價格很貴的反轉錄試劑盒，熒光定量PCR實驗要用到價格不菲的熒光定量PCR儀。虛擬仿真實驗則不需要采購這些價格昂貴的化學試劑和大型儀器，在虛擬實驗中，不但可以保證學生接觸更先進的分子生物學技術，增加更為豐富的教學資源，還可以大大降低實驗資金投入。

5.打破空間限制。虛擬仿真實驗不受空間限制，只要有移動終端，學生就可以隨時隨地進入虛擬仿真實驗平臺開始實驗操作，每位學生都有動手進行實驗操作的機會。同時，虛擬仿真實驗允許學生多次進行平臺重復實驗操作，這樣既可以加深學生對分子生物學實驗的理解，也可以提高學生的創新能力。

6.豐富考核方式。傳統分子實驗考核方式是學生提交實驗報告，最終成績由考勤率、實驗操作表現和實驗報告成績構成。這種考核方式過于單一，不利于學生積極性和創造性的提高，且容易造成學生機械性地完成或相互抄襲實驗報告，嚴重影響實驗教學效果。而虛擬仿真實驗中的考核方式更具多樣化和生動化，教師事先設置好相應的“知識障礙”，學生設法解除“知識障礙”，并成功完成實驗項目后才獲得相應的成績[4]。這種考核方式可以激發學生接受考核的積極性，減少抄襲實驗報告的現象，進而提高實驗教學效果。

四、結束語

分子生物學實驗是高校生物專業學生必修重要課程之一。將虛擬仿真技術引入分子生物學實驗教學，不但可以提高學生學習的主動性，加深對分子生物學知識的理解，提高創新能力，而且可以密切聯系實際，豐富教學內容和方式，降低教學成本投入，提高教學質量。當然，實驗教學中不能放松實際動手操作能力的培養，一定要采取虛擬仿真與實際操作相結合的實驗教學模式，只有這樣才能更好地提高教學效果，培養出更多的創新性人才。

參考文獻：

[1]王慧中.分子生物學實驗指南[M].北京：中國農業科學技術出版社，2009.

[2]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，（11）：5-8.

[3]張任平.基于虛擬仿真實驗室的創新性實驗教學改革探索[J].教育教學論壇，2017，（11）：273-274.

[4]魯明芳，陳大偉，何博雅.基于虛擬仿真平臺的電氣工程實驗教學改革研究[J].課程教育研究，2016，（16）：251-252.