基于虛擬仿真平臺(tái)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

曾晶

摘 要 傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有成本高、耗時(shí)長、更新慢等弊端，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芡黄苽鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)場地、時(shí)間及教學(xué)經(jīng)費(fèi)等條件的限制，具有直觀性、開放性、安全性的特點(diǎn)，能有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，加強(qiáng)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，對(duì)高校分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革有巨大推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真 分子生物學(xué) 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.10.068

Abstract Traditional molecular biology experiment teaching mode has many drawbacks including high cost， time-consuming and slowly updating. However， virtual simulation experiment can break restriction of laboratory space， time and teaching funds. It has the characteristic of visualization， open and safety. Therefore， virtual simulation experiment can improve teaching effect and strengthen the cultivation of innovative talents. It will also greatly promote the reform of molecular biology experimental teaching in colleges and universities.

Keywords virtual simulation; molecular biology; teaching reform

分子生物學(xué)（Molecular biology）是從分子水平研究生命本質(zhì)的學(xué)科，研究的內(nèi)容包括DNA、RNA和蛋白質(zhì)生物合成的過程及其調(diào)控機(jī)制等，內(nèi)容抽象難懂。[1]分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)能讓學(xué)生更好地理解課本中的理論知識(shí)，同時(shí)能將理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力，但傳統(tǒng)的教學(xué)方式因具有成本高、耗時(shí)長、更新慢等弊端，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)很難開展以及教學(xué)效果不佳。[2， 3]目前，國內(nèi)外很多高校正積極建設(shè)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（Virtual Simulation Platform），將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)當(dāng)中，以提升教學(xué)效果。[4]虛擬仿真平臺(tái)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建出虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以仿真的表現(xiàn)形式使學(xué)習(xí)者獲得真實(shí)體驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)時(shí)空的限制，且能在各高校之間實(shí)現(xiàn)資源共享，有利于學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、提高專業(yè)技能、培養(yǎng)科研創(chuàng)新精神。[5]

1 分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 教學(xué)內(nèi)容更新慢

近年來，分子生物學(xué)發(fā)展極為迅速，學(xué)科交叉和滲透持續(xù)加強(qiáng)，許多分子生物學(xué)新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。而在實(shí)際教學(xué)中由于受到實(shí)驗(yàn)場地和教學(xué)方式等客觀因素的限制，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容未能得到及時(shí)更新，實(shí)驗(yàn)采用的甚至是已經(jīng)被淘汰多年的陳舊方法，使學(xué)生不能掌握科技前沿信息。

1.2 成本高，耗時(shí)長

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)需要用到精密的儀器，而學(xué)校的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限，無法購買這些高端儀器或儀器數(shù)量不足，導(dǎo)致相應(yīng)的課程無法正常開展。[6]另外，分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)操作過程繁雜、耗時(shí)長，由于受到課時(shí)的限制，學(xué)生只能選取其中一部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，使學(xué)生只能接觸到有限的技術(shù)方法。[7]

1.3 教學(xué)內(nèi)容抽象難懂

分子生物學(xué)是從微觀角度研究生命本質(zhì)的，研究對(duì)象為DNA、RNA和蛋白質(zhì)等肉眼無法直接看到的分子，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易觀察，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以將這些抽象內(nèi)容形象生動(dòng)地展現(xiàn)出來。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生只能按部就班地根據(jù)課本上的實(shí)驗(yàn)流程來完成，至于是否操作正確以及為什么這樣操作，學(xué)生都不易理解。

2 虛擬仿真平臺(tái)的優(yōu)勢

2.1 資源共享，及時(shí)更新

虛擬仿真平臺(tái)的資源可在院校之間共享，能有效打破學(xué)校之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源無空間障礙的線上傳遞，同時(shí)還能促進(jìn)教師之間、學(xué)生之間以及師生之間的交流。另外，虛擬仿真平臺(tái)上的資源都是網(wǎng)絡(luò)版，可隨著學(xué)科的發(fā)展及時(shí)更新完善平臺(tái)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容跟上科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的步伐。

2.2 節(jié)約成本和時(shí)間

某些分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)需要使用昂貴的儀器、試劑和耗材，且對(duì)設(shè)備維護(hù)也需要消耗大量資金，而構(gòu)建虛擬仿真平臺(tái)所需成本較低，能極大降低教學(xué)資金的投入。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中有些步驟需要消耗大量時(shí)間，例如，基因重組實(shí)驗(yàn)至少需要花費(fèi)2天才能做完，若將其變成虛擬實(shí)驗(yàn)，則可在2個(gè)課時(shí)內(nèi)完成，大大節(jié)省了寶貴的教學(xué)時(shí)間，而且學(xué)生等待的時(shí)間縮短，也有助于他們對(duì)整體實(shí)驗(yàn)的理解。

2.3 安全性高

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)常會(huì)涉及到危險(xiǎn)的化學(xué)試劑，如果操作不當(dāng)，有可能會(huì)危害人體健康、污染環(huán)境或造成經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。例如，在瓊脂糖凝膠電泳中用到的溴化乙錠是強(qiáng)誘變劑，具有高致癌性;在凍存細(xì)胞時(shí)使用的二甲基亞砜（DMSO）能導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，具有血管毒性和肝腎毒性。而在虛擬實(shí)驗(yàn)中學(xué)生不會(huì)接觸到這些有毒試劑，也不會(huì)因?yàn)椴僮鞑划?dāng)而引發(fā)事故，安全性極高。

2.4 生動(dòng)形象，便于理解

分子生物學(xué)研究的對(duì)象都是微觀層面的物質(zhì)，涉及的知識(shí)較為抽象，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芤陨鷦?dòng)、立體、直觀的形式將實(shí)驗(yàn)過程展示出來，甚至能將抽象的物質(zhì)具體化。例如，在進(jìn)行基因重組實(shí)驗(yàn)時(shí)，載體質(zhì)粒與目的基因都是無法用肉眼看到的物質(zhì)，若將它們放大并將重組過程以動(dòng)畫形式展現(xiàn)，那學(xué)生就更容易理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法。

2.5 打破時(shí)空限制，學(xué)生參與度高

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是在計(jì)算機(jī)上展現(xiàn)出虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以用鼠標(biāo)和鍵盤對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行控制，因此學(xué)習(xí)的時(shí)間和地點(diǎn)都相對(duì)自由，只要有一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的電腦，輸入賬號(hào)密碼后就能進(jìn)入虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)?，F(xiàn)在高校學(xué)生眾多，而教學(xué)資源相對(duì)較少，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生親自動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)減少。而在虛擬仿真平臺(tái)中，所有學(xué)生都可全程參與實(shí)驗(yàn)，甚至能反復(fù)操作以鞏固知識(shí)。

3 虛擬仿真平臺(tái)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

近年來，教育部在全國開展“國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”建設(shè)工作，教育信息化已經(jīng)被提升到國家戰(zhàn)略層面，我校正在積極建設(shè)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，目前已投入使用，并在不斷完善中。平臺(tái)中的項(xiàng)目來源于復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院、廣州醫(yī)科大學(xué)等多家高校的虛擬實(shí)驗(yàn)中心，涵蓋了從基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)到臨床醫(yī)學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，其中包含16個(gè)分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。教學(xué)中心入口網(wǎng)址為http：//10.19.9.3：5000/virlab/，全校師生可在校園網(wǎng)通過個(gè)人賬號(hào)登錄進(jìn)入系統(tǒng)。

虛擬仿真平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用過程如圖1：學(xué)生在上課之前自主觀看平臺(tái)提供的教學(xué)動(dòng)畫，并通過查閱資料、小組討論等形式自主學(xué)習(xí)，充分了解實(shí)驗(yàn)原理。在實(shí)驗(yàn)課中，根據(jù)界面提示進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)可完成添加樣品、控制儀器等操作。在某些操作過程中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的習(xí)題，答題后才可繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)，這有助于培養(yǎng)學(xué)生積極思考的習(xí)慣。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生答題情況打分，并將成績反饋給教師。課后學(xué)生也可隨時(shí)登錄平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并與教師進(jìn)行交流。教師通過收集整理反饋的信息，對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并反思如何改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，以提升教學(xué)效果。

4 結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是信息化教育發(fā)展的產(chǎn)物，具有高效性、安全性、開放性、不受時(shí)空限制等優(yōu)點(diǎn)，但虛擬實(shí)驗(yàn)終究不能完全取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)的操作都是依靠鼠標(biāo)鍵盤來完成，并不能讓學(xué)生學(xué)會(huì)真實(shí)儀器的操作方法，不能有效培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。而且，在虛擬平臺(tái)中實(shí)驗(yàn)過程都已程序化，不存在實(shí)驗(yàn)失敗的現(xiàn)象，但在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素眾多，若過多依賴虛擬實(shí)驗(yàn)將不利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。因此，在教學(xué)中，應(yīng)采用虛擬和真實(shí)操作相結(jié)合的方式，合理設(shè)置虛擬實(shí)驗(yàn)的比例，只有這樣才能顯著提高教學(xué)效果，培養(yǎng)出適應(yīng)時(shí)代需要的實(shí)踐性、創(chuàng)新型人才。

基金項(xiàng)目：湘南學(xué)院2018年教學(xué)改革項(xiàng)目“慕課與PBL教學(xué)法相融合在生物化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”

參考文獻(xiàn)

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