生物技術綜合大實驗虛擬仿真平臺的建設

王艷 胡一鴻 金晨鐘

摘? ?要：從生物技術綜合大實驗教學的實際應用出發，建立了生物技術綜合大實驗虛擬仿真實驗平臺，以qRT-PCR技術分析玉竹多糖對高脂膳食小鼠脂代謝影響的仿真實驗為例，通過該實驗，學生可以有序地完成qRT-PCR整過實驗操作，循序漸進地掌握實驗的全過程，借助于虛擬仿真實驗教學平臺，可解決生物技術綜合大實驗面臨的實驗周期長、生物安全、成本高等問題，同時能有效激發學生的學習興趣，提高學生實際操作能力。

關鍵詞：生物技術綜合大實驗? 虛擬仿真實驗? 實驗教學

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（c）-0195-02

生物技術綜合大實驗在生物技術專業課程體系內占據十分關鍵的影響地位，屬于主干課程管理范疇，重在培養學生的綜合創新能力和解決問題的實際操作能力，這與當代社會教育所提出的“零接軌”教育理念基本保持一致。前段時間我們已對生物技術綜合大實驗課程體系進行了一次改革初探，已把教師的科研成果融入到綜合大實驗中，經過不斷的實踐和探索，我校農生院在綜合性設計性實踐教學上取得了良好的教學效果[1]，但仍存在一些問題，如大多數學生反映生物技術綜合大實驗實驗周期長，真正開始做實驗時只能分段開展，因而使其實驗失去了連續性，重現性差，同時因教學實驗成本和技術水平偏低等，使學生無法充分開展實驗訓練活動。此外，生物技術綜合大實驗中融入了部分教師的科研成果，起點相對較高，接近于實際的科研工作，時間相對較長。因此，現有的生物技術綜合大實驗課程教學體系仍需進一步優化。

近年來，全國高校都在積極開展虛擬仿真實驗教學工作的建設，大力推進實驗教學改革，各高校結合自身學校特色和教學目的，將無法或難以開展的創新性實驗內容，通過利用虛擬仿真平臺學習，幫助學生在虛擬環境中開展實驗，讓學生能夠了解所有的實驗儀器以及實驗操作要領，最終使專業技術水平得到全面提升[2]。因此，生物技術綜合大實驗虛擬仿真實驗項目應運而生。

1? 虛擬仿真實驗的設計

虛擬仿真實驗是以多媒體技術為核心，運用3D動畫，模擬真實的實驗情境，讓學生利用系統模型完成各種實驗項目，是實體實驗教學的擴展和補充，也是現代生命科學高速發展的需要。

1.1 實驗教學背景

根據生物技術綜合大實驗的教學大綱要求，以玉竹多糖對高脂膳食小鼠脂代謝影響（熒光定量PCR）實驗作為虛擬仿真實驗設計對象，利用各種設備，如仿真、多媒體等設備，將實際操作與實驗中的內容、步驟等有機結合起來，設計了玉竹多糖對高脂膳食小鼠脂代謝影響的虛擬仿真實驗，從而達到最佳的實驗模擬仿真效果。這不僅能夠使學生觀看qRT-PCR實驗技術整個流程，而且可以對整個實驗過程進行虛擬操作，詳細情況見圖1所示。在整個實驗過程中，學生能夠享受身臨其境的感受。

1.2 實驗內容

為了拓展學生的科研思路，激發學生的學習積極性，我們設計了利用qRT-PCR技術分析玉竹多糖改善高脂膳食小鼠脂代謝影響的虛擬仿真實驗并制成了一個完善的功能模塊，主要包括qRT-PCR的原理、實驗目的和結果及討論、實驗視頻、虛擬操作以及數據分析等六個重要組成部分。該實驗來源于教師的科研項目，因此該實驗的部分實驗結果和實驗數據真實可靠，這樣更具有真實性和科學性。

學生可以自由的開展自主學習活動，通過觀看實驗視頻，理解和掌握qRT-PCR的整個實驗操作過程，在此基礎上再進行虛擬實驗操作，而實驗視頻包括實驗條件、實驗材料的準備、SYBR? Premix EX Taq試劑盒、實驗操作具體步驟、實驗數據分析、實驗結束的清場等整個實驗過程且設置非常詳細。實驗視頻直觀、真實地展示qRT-PCR的整個實驗操作流程，使學生通過對此項目的反復訓練，提高真實實驗操作中的規范和準確性，為實際實驗規范地使用qRT-PCR以及為之后進入科研實驗實驗室完成新課題打下良好的基礎。

2? 虛擬仿真實驗室在生物技術綜合大實驗中的應用優勢

2.1 不受實驗室儀器及場地的限制，提高學生學習的積極性

生物技術綜合大實驗包含的實驗內容較多，大部分是綜合型大實驗，因此操作起來存在一定的安全風險，且很多項目操作流程十分復雜，專業技術要求較高，學生如果想要熟練掌握，并在真實驗室驗當中能獨立完成，則必須反復去練習。可客觀環境導致學生能夠擁有的實驗室練習時間、儀器以及實驗耗材等是有限的，但虛擬仿真實驗則可解決以上這些問題，學生可以隨時隨地進行多次實驗操作。此外，虛擬仿真實驗給學生創造了逼真的虛擬實驗環境，真實感極強，激發了學生的學習興趣和主動性。從而提高了實驗課的教學質量。

2.2 使長期實驗短期化，提高實驗效果

生物技術綜合大實驗實驗周期一般較長，真實的實驗過程往往是片斷、不連續。如以教師的科研實驗項目：玉竹多糖對高脂膳食小鼠脂代謝的作用為例，該實驗項目包含玉竹多糖的提取分離純化以及純化的多糖對肥胖小鼠脂代謝作用（涉及動物飼養、小鼠肝臟RNA提取、反轉成cDNA、熒光定量PCR）等環節，一般情況下，一個實驗周期需要30～60d左右，有的甚至更長。但受課時影響，很難完成實驗。所以，通過虛擬仿真實驗室項目的建設，可以有效解決該問題。且在保證實驗教學的連貫性及知識點的全覆蓋下，還可以不受時間和空間的限制，隨時進行實驗，進而熟悉整個實驗過程、操作要點，為更好地進行真實實驗做準備。

2.3 降低實驗成本和資源，提升實驗教學效率

生物技術綜合大實驗在實驗教學過程中還存實驗成本高、消耗過大等問題，如做qRT-PCR時，Trizol試劑、SYBR? Premix EX Taq試劑盒等成本過高，無法保證每個學生動手做大量實驗，而虛擬仿真實驗教學資源，可讓學生在未使用實驗耗材就可以逼真地為學生展示qRT-PCR的實驗方法和實驗操作，使學生在未進行實際操作就能達到一定的學習效果，降低實驗成本。

3? 結語

實驗教學以理論教學為前提，以課程實驗為中心，將虛擬仿真實驗引入到生物技術綜合大實驗教學中，虛擬仿真實驗具有內容豐富、仿真強度高、安全無污染、高效開放以及與教材聯系緊密等特點，更易激發學生的學習興趣和積極性，因而所取得的學習效果甚至優于真實實驗所取得的效果。基于生物技術綜合大實驗存在實驗周期、成本、安全等問題，急需對傳統教育理念進行全面更新，豐富教學內容與教學形式，這樣才能夠盡快滿足實驗教學改革發展的需求。培養更多具有分析問題、解決問題、創新和動手能力的學生，為提高學生綜合素質發揮應有的作用，應用虛擬仿真實驗教學是實驗室建設的發展趨勢，在實踐教學中勢必會發揮出越來越大的作用。

參考文獻

[1] 王艷，胡一鴻，金晨鐘.農林院校生物技術綜合大實驗課程體系改革的初探[J].科技創新導報，2017（30）：249-251.

[2] 王甜，王茂林，林宏輝.生物類虛擬仿真實驗教學中心建設中的問題與對策[J].實驗室研究與探索，2017，36（3）： 153-163.