虛實結合的混合式生物化學實驗教學模式改革與探索

何謀海，陳 哲，廖小立

(湖南交通工程學院 護理學院，湖南 衡陽 421009)

1 引言

“新時代高教40條”中提出推進現代信息技術與教育教學深度融合，大力建設虛擬仿真實驗，《教育信息化2.0行動計劃》中提出加強高等學校虛擬仿真實訓教學環境建設，5G網絡技術的快速發展加快了教育教學的創新和變革，在此背景下虛擬仿真教學實驗成為實驗教學改革的發展方向。生物化學是從分子的水平研究生命現象本質規律的課程，是醫學知識的基礎。開展實驗是培養學生更好地理解和應用理論知識的重要途徑，是應用型人才培養的要求。虛擬仿真實驗具有開放、直觀、安全等特點，是對傳統實驗教學模式的創新，在生物化學實驗教學中引入虛擬仿真實驗，將課程教育與現代信息技術有機結合，輔助傳統實驗教學，構建虛實結合的混合式生物化學實驗教學模式，全面提高學生的專業技能和創新精神，開闊學生視野，提高學生自主學習和創新能力。

2 傳統實驗教學的現狀

生物化學傳統實驗教學存在諸多問題：一是實驗室資源的短缺制約了相關實驗的開展。許多大型儀器價格昂貴，而且購買之后又沒有經常使用導致資源閑置，購買少量設備也不能滿足眾多學生的需求，導致有些實驗開支較為困難；二是有關藥品和設備的安全隱患成為傳統實驗的開展的瓶頸，生化實驗中經常使用一些有毒的或有腐蝕性的試劑，如核酸染料溴化乙錠，長期接觸對人體具有致癌作用，對學生的安全和健康構成威脅，實驗產生的廢棄物對環境造成污染；三是實體實驗很多操作需要占用較長的時間，如在水浴鍋中水解多糖過程等待的耗時較長，而且實驗步驟環環相扣，其中一個步驟出錯就導致后續試驗中斷，學生沒有時間重新再做，實驗課的效果不佳；四是實體實驗通常采用分小組進行實驗，學生分工合作只承擔其中的部分實驗，或者由組長負責其他成員協助，學生不能做到全程操作整個實驗，不能保證每個學生得到鍛煉；五是生物化學實驗技術更新迅速，傳統生化實驗教學的更新跟不上了當代生物技術爆發的節奏。

3 虛擬仿真實驗教學模式的特點

生物化學實驗教學目的在于深化學生對知識的理解，培養學生實驗技能、創新能力和科研意識。實體實驗操作過程確實培養了學生的實操能力，但受到實驗設備條件的限制等諸多因素的影響，實驗效果不夠理想。虛擬仿真實驗把教學內容、虛擬設備和實驗對象有機融合，創造一個仿真環境，以計算機和網絡為載體輔助傳統實體實驗操作各環節，擺脫場地、課時、實驗條件的限制，具有自身的特點和優勢。

3.1 虛實結合，優勢互補

虛擬仿真實驗模仿真實實驗室環境，學生登錄后可以體驗到實驗室場景，主界面的右上方設有藥品試劑、實驗儀器和實驗步驟的工具欄，學生可以按照實驗的步驟并從中選擇本實驗項目所需的試劑和儀器。為了讓學生了解本實驗的原理、目的及容易出現的常見問題，在界面左上方設有幫助欄，如果忘記該怎樣操作，則點擊幫助按鈕，平臺會顯示下一步操作的內容。界面的下方設有提示對話框，系統還可根據學生所選取實驗中的虛擬儀器、試劑等操作作出提示，如果操作不正確則不能完成相應操作。應用虛擬仿真實驗平臺開展虛擬實驗，結合實體實驗操作，可以使學生深刻地掌握和鞏固課程內容，達到融會貫通。一些在實驗室較難開展的大型綜合性實驗，也可通過虛擬實驗完成，以虛補實、虛實結合，促進生物化學實驗教學質量的提高。另外，還可以在虛擬仿真實驗平臺上向學生演示SDS-PAGE電泳、Southern雜交等前沿實驗內容，增強學生對科技前沿的興趣[1]。

3.2 學習自主，積極靈活

在開展線下實體實驗之前，學生在線上自主學習，熟練實驗操作的原理、方法和步驟，為完成實體實驗奠定基礎。尤其在社會突發危機事件的影響下，線上虛擬仿真可實現遠程實驗教學，做到停學不停課。傳統生化實驗教學主要是以教師為主導的教學，學生在規定的時間內要完成既定的實驗步驟操作，不利于主觀能動性與創造性的培養。由于教師少、學生多，實驗儀器的操作細節又非常多，學生使用這些儀器時容易操作不標準，影響實驗的結果。如對于使用微量加樣槍，使用后要將其調回最大量程，對使用移液管前要觀察移液管標記、刻度標線位置、準確度等級等，吸液時手持移液管的姿勢、放液前要正確調節液面等細節，會造成較大的誤差甚至關系到實驗的成敗[2]。學生通過在虛擬仿真實驗教學平臺的開放式學習和反復實踐，基本實驗技能可以更好地強化，為實體實驗奠定扎實基礎。仿真實驗教學平臺營造了一個過程可視的全新虛擬實驗教學環境，平臺支持在各種操作系統下的平板電腦、PC機上運行，可以全天候開放，學生課后隨時隨地進行虛擬實驗操作，打破傳統實驗時間空間的限制，實現全方位全過程育人，充分體現“實驗室無處不在”的理念。

3.3 操作安全，節約成本

線下實體生化實驗存在以下問題：①實驗試劑消耗量大，重復利用率低；②開展生物化學實驗難免會使用到劇毒性的化學試劑，如果接觸或者泄露，將會對人體健康和生態環境構成威脅，如在凍存細胞時使用的二甲基亞砜能導致蛋白質變性，具有血管毒性和肝腎毒性；③生物安全問題和昂貴的實驗教學成本，制約著一些高校生物化學實驗教學的開出。大型儀器設備購置、運行、維護費用開銷大而實驗教學經費不足，采用虛擬仿真技術可以避開這些問題，為學生搭建起一個無風險、低成本、可調控的實驗技能訓練平臺，創新生物化學實驗教學的模式。

4 虛擬仿真實驗的設計舉例

4.1 貴重精密儀器的虛擬仿真實驗

虛擬仿真貴重精密儀器的實驗教學，確保每位學生的實驗機會，保障實驗參與度。生物化學實驗中使用的儀器較多，其中有些高端精密儀器設備價格昂貴，數量較少，不能滿足每個學生親自操作，為保障實驗教學的質量，讓每個學生實驗技能都能得到提升，利用虛擬仿真技術對貴重真實儀器進行全方位立體模擬，學生可以全方位觀察并能自由操控。以PCR儀的虛擬仿真為例，基因測序、克隆、基因分型、基因表達分析等分子生物學研究的都需使用PCR儀。為了提升學生熟練掌握PCR儀器的操作能力，齊魯工業大學生物工程學院對PCR儀器進行了虛擬仿真模擬[3]，在學校數字網頁為平臺上，通過全方位模擬真實操作過程，學生隨時隨地對儀器實施模擬操作，包括儀器的開關、樣品的放入、PCR參數的設置、PCR儀的運行及反應結束后樣品的取出等，實現了學生與儀器使用之間的交互，進一步提高對PCR技術的認知。

4.2 復雜生化實驗的虛擬實驗的設計

虛擬仿真開展操作復雜的生化實驗，解決一些實驗開出難的問題，確保實驗開出率。酶聯免疫吸附法是在免疫酶技術的基礎上發展起來的一種新型的免疫測定技術，已成為必須掌握的生物實驗技術。本科教學中該實驗項目課時要求8學時，耗時長、步驟多、過程不可逆，從實驗試劑和儀器設備的準備到實驗過程中酶標板的包被、洗板、封閉都需要由實驗教師完成，學生主要完成后續的操作。完整地完成整個實驗過程需要2 d以上，期間還不能出任何差錯。針對酶聯免疫吸附法實驗的實驗技術無法反復操練、實驗樣本獲取困難、成本較高、教學效率低等問題，北京理工大學生命學院自主研發了腫瘤壞死因子的酶聯免疫吸附法定量檢測綜合實驗項目的虛擬仿真實驗教學軟件并應用于實驗教學[4]，滿足了學生素質培養的要求。采用虛擬仿真實驗教學軟件，學生可以完成全部實驗步驟，解決學生在傳統實驗室規定課時內難以完成的問題，并可反復學習，直到完整掌握全套實驗技術與技能。

5 虛擬仿真實驗的短板

虛擬仿真實驗教學彌補了傳統實驗的的不足，但同時要認識到虛擬仿真實驗教學的短板，必須把握好虛實結合的度。在開展虛擬仿真實驗中，學生僅僅在電腦進行模擬實驗，沒有真正操作儀器設備，實際動手能力沒有得到鍛煉，同時虛擬仿真實驗的操作步驟已經程序化，其實驗結果也是理想的結果，虛擬仿真實驗沒有產生真實的實驗數據，然而實際實驗中會遇到各種影響因素，產生不同的實驗現象，甚至可能會失敗，不利于學生對實際問題分析，學生對實驗有創新的設計也不能實現。故虛擬仿真實驗教學要堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，實體實驗室里能開出的實驗項目優先采用實體實驗教學，切實鍛煉學生的實操能力。故必須要在堅持“能實不虛”的基礎上構建和推行虛擬仿真實驗教學項目，不能片面追求實驗教學的信息化、虛擬化。要充分利用兩者之間的優勢，揚長避短，構建虛擬仿真與實體實驗相結合的實驗教學模式，才能更好地共同促進實驗教學質量的提高。

6 結語

虛擬仿真實驗教學成為信息時代學生獲取知識的重要方式，線上虛擬實驗與線下實體實驗相結合也是當前高等教育改革的一個趨勢，促進教育教學模式的多元化發展。如何高效地利用虛擬仿真實驗的優勢提高實驗教學效果，要從教材選取、教學模塊設計、虛擬實驗平臺模塊設計、教學反饋設計等多方面進行分析，不斷整合優化課程資源，這還需要不斷的探索和積累教學經驗。總之，線上虛擬仿真平臺與線下實體實驗的結合，提高了學生實驗的參與度，深化了對知識的掌握，而且通過虛擬仿真實驗，把最新的前沿知識傳遞給學生，提高了實驗教學質量，學生的自主學習和創新能力得到了提升。