分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索

李佩珍，應(yīng) 俊，金 晶，何超翔，樓哲豐

分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索

李佩珍，應(yīng) 俊，金 晶，何超翔，樓哲豐

（溫州醫(yī)科大學(xué) 檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 溫州 325035）

為提高分子生物學(xué)課程的教學(xué)效果，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，構(gòu)建了“移液槍的使用”“基于聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)的虛擬綜合實(shí)驗(yàn)”等基礎(chǔ)型、綜合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合，可增強(qiáng)教學(xué)效果，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革發(fā)揮作用。

分子生物學(xué)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

分子生物學(xué)是一門對(duì)生物大分子的微觀結(jié)構(gòu)及其功能進(jìn)行研究并闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的學(xué)科，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[1-2]。分子生物學(xué)課程是生物類及醫(yī)學(xué)各專業(yè)本科生和研究生的必修課程，其中分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課占有重要地位。實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)和綜合科研能力[3]，在很大程度上影響著該門課程的教學(xué)效果。

隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室越來越多地應(yīng)用于高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，已經(jīng)成為信息化教學(xué)中舉足輕重的一部分[4-5]。溫州醫(yī)科大學(xué)建立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在解決傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力方面發(fā)揮了重要作用。

1 分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的意義

分子生物學(xué)是一門微觀領(lǐng)域的學(xué)科，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)都比較困難[6-7]。例如在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，質(zhì)粒DNA提取與鑒定、目的基因克隆表達(dá)等實(shí)驗(yàn)均是微觀實(shí)驗(yàn)，所使用的試劑量以微升計(jì)算；聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)的過程無法觀察，只能等電泳、酶切等實(shí)驗(yàn)完成以后才可以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是否成功。此外，分子生物學(xué)的有些實(shí)驗(yàn)周期比較長，實(shí)驗(yàn)效率低，教學(xué)效果不佳；一些貴重的實(shí)驗(yàn)儀器不能讓學(xué)生親自操作，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維能力。將虛擬仿真技術(shù)引入分子生物學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以生動(dòng)、逼真地模擬實(shí)驗(yàn)操作過程，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性，加深學(xué)生對(duì)分子生物學(xué)知識(shí)的掌握，建立與抽象理論之間的聯(lián)系，補(bǔ)充實(shí)體實(shí)驗(yàn)暫不具備的條件，為后續(xù)的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

目前，我校已初步建成分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，面向全校的研究生以及檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)、海洋科學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)、藥學(xué)等專業(yè)的本科生開放，設(shè)立了基礎(chǔ)型和綜合型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.1 基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)儀器的操作是分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課中，教師會(huì)講解實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的基本操方法和操作要求，而學(xué)生往往難以很快掌握操作儀器的要點(diǎn)。這不但影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程和結(jié)果，而且還可能浪費(fèi)試劑甚至損壞儀器設(shè)備。為此，筆者設(shè)計(jì)了移液槍的使用、高速離心機(jī)使用、PCR儀使用、瓊脂糖凝膠電泳等基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

以移液槍的使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（見圖1）為例，利用3D動(dòng)畫形象地展示移液器的基本構(gòu)造，通過仿真實(shí)驗(yàn)頁面的文字提示，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要選擇移液器的型號(hào)和槍頭，練習(xí)不同溶液體積的吸取，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，掌握正確的操作方法，從而在真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作中做到規(guī)范和準(zhǔn)確[8]。

圖1 移液槍的使用實(shí)驗(yàn)界面

2.2 綜合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

綜合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)旨在提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研能力[9]。以“基于聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)的虛擬綜合實(shí)驗(yàn)”為例，我們將PCR技術(shù)的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

首先，以Flash的形式動(dòng)態(tài)展示PCR的基本原理（見圖2），介紹PCR技術(shù)發(fā)明者M(jìn)ullis先生及其事跡，引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。然后，將PCR體系組成及優(yōu)化、產(chǎn)物的分析方法等基礎(chǔ)知識(shí)集中起來，通過動(dòng)畫形象地為學(xué)生展示其中的因果關(guān)系，便于學(xué)生的理解和融會(huì)貫通。同時(shí)還設(shè)計(jì)了逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）、限制性片段長度多態(tài)性聚合酶鏈反應(yīng)（PCR-RFLP）技術(shù)、PCR-單鏈構(gòu)象多態(tài)性分析（PCR-SSCP）、等位基因特異性PCR技術(shù)、多重PCR技術(shù)（Gap-PCR）、數(shù)字PCR技術(shù)等7個(gè)常見的PCR衍生技術(shù)及新進(jìn)展應(yīng)用，彌補(bǔ)了部分實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長、成本高、難以在教學(xué)中大規(guī)模開設(shè)的不足，滿足學(xué)生不同層次的學(xué)習(xí)需求。

圖2 PCR的基本原理實(shí)驗(yàn)界面

另外，熒光定量PCR儀和數(shù)字PCR儀屬于貴重儀器設(shè)備，均須專業(yè)人員操作，學(xué)生僅限于觀摩。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)試劑配制、實(shí)驗(yàn)流程和參數(shù)設(shè)置等進(jìn)行可視化演示，模擬整個(gè)操作過程，并得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果。每一位學(xué)生都可以獨(dú)立、完整地模擬操作實(shí)驗(yàn)儀器，從而系統(tǒng)地學(xué)習(xí)PCR技術(shù)從相對(duì)定量到絕對(duì)定量的發(fā)展進(jìn)程和應(yīng)用范疇。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的實(shí)踐教學(xué)理念，在線教學(xué)平臺(tái)提供了靈活的實(shí)驗(yàn)方式。課前，學(xué)生可以單獨(dú)完成基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，掌握分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的基本使用方法，也可以通過綜合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)原理，為實(shí)驗(yàn)課打下基礎(chǔ)。課后，學(xué)生還可通過虛擬操作系統(tǒng)復(fù)習(xí)和鞏固理論知識(shí)及實(shí)驗(yàn)技能，有疑問時(shí)可以及時(shí)在平臺(tái)上與教師、同學(xué)進(jìn)行討論和答疑活動(dòng)，有利于自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。可見，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠滿足不同深層次的個(gè)體化學(xué)習(xí)需求，不僅可以改進(jìn)分子生物學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，還可以服務(wù)于研究生科研訓(xùn)練、大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽及大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)各種資源的優(yōu)化整合。

4 結(jié)語

分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間上的全方位開放[10]，對(duì)促進(jìn)醫(yī)學(xué)教育與訓(xùn)練模式的改革、提高訓(xùn)練效率和質(zhì)量有著重要意義。將實(shí)體實(shí)驗(yàn)課程和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各自的優(yōu)勢(shì)，使兩者相互補(bǔ)充，為培養(yǎng)創(chuàng)新性人才發(fā)揮最大作用，有利于推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新。

[1] 劉玉蓮，紀(jì)朋艷，李慶華，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].中國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè)，2015, 12(21): 47–49.

[2] 趙瑩瑩，何劍斌，于業(yè)輝，等.高等農(nóng)業(yè)院校分子生物學(xué)教學(xué)改革實(shí)踐[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2014, 16(6): 713–716.

[3] 王慧中.分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)指南[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

[4] 孫欣，張勇，馬明，等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在食品專業(yè)的作用[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2018(3), 46–47.

[5] 秦麗瑋，胡原，萬建，等.分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018, 35(7): 140–143, 147.

[6] 胡劍.群體性創(chuàng)新人才培養(yǎng)途徑探討：以中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“分子生物學(xué)”教學(xué)改革實(shí)踐為例[J].高等農(nóng)業(yè)教育，2014(1): 50–54.

[7] 李莉，張英，成軍，等.分子生物學(xué)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的初探[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016, 35(10): 225–227.

[8] 張任平.基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].教育教學(xué)論壇，2017(11): 273–274.

[9] 錢猛，楊娜，陳軍，等.農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索[J]. 高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2015(4): 46–48.

[10] 李玲，何清湖，盧芳國，等.分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室在中醫(yī)藥院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2015, 17(11): 992–994.

Exploration of virtual simulation experimental teaching mode of molecular biology

LI Peizhen, YING Jun, JIN Jing, HE Chaoxiang, LOU Zhefeng

(School of Laboratory Medicine and Life Science, Wenzhou Medical University, Wenzhou 325035, China)

In order to improve the teaching effect of the Molecular Biology course, the virtual simulation experiment teaching mode is explored and the basic and comprehensive virtual simulation experiment projects such as the “Use of liquid transfer gun” and “Virtual comprehensive experiment based on polymerase chain reaction technology” are constructed. The organic combination of these experimental projects and classroom teaching can enhance the teaching effect and play a role in training innovative talents and promoting the reform of experimental teaching in colleges and universities.

molecular biology; virtual simulation experiment; experimental teaching

G642.0

A

1002-4956(2019)11-0099-02

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.024

2019-04-16

2019-06-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81501808）；溫州醫(yī)科大學(xué)課堂教學(xué)改革研究項(xiàng)目（YBKG201766，YBKG201767，YBJG201804）；檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院院級(jí)高等教育教學(xué)研究課題（JSJG201805，JSJG201808，JSJG201807）

李佩珍（1979—），女，浙江縉云，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向分子生物學(xué)。

樓哲豐（1979—），男，浙江諸暨，學(xué)士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)樯飳W(xué)。