生物技術(shù)綜合實驗虛擬仿真項目的建設(shè)與應(yīng)用

黃 晶，黃 江，潘光鈺，王 凜

（桂林醫(yī)學(xué)院生物技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541199）

引言

信息技術(shù)已深深植根于高校教學(xué)改革之中，線上教學(xué)資源日漸豐富，線上線下混合式教學(xué)模式受到了廣大師生的擁護。特別是在新冠疫情持續(xù)的特殊階段，線上教育資源的建設(shè)和利用越來越受到學(xué)校和師生的重視[1]。傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，教師是實驗技能傳授的主體，是中心，學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)主要依賴于實體實驗室環(huán)境。學(xué)生是實驗技能的被動接受者，缺少主動鍛煉的必備條件，如：固定的學(xué)時數(shù)、耗材的限制、儀器設(shè)備的不足等等。隨著高校招生人數(shù)的不斷增加，實驗教學(xué)資源面臨巨大壓力。由于傳統(tǒng)課堂實驗教學(xué)條件和教學(xué)方式的限制，同時由于學(xué)生在專業(yè)知識掌握、學(xué)習(xí)興趣和動手操作能力方面的差異，都會影響學(xué)生實驗技能的掌握和創(chuàng)新思維的鍛煉。虛擬仿真實驗教學(xué)利用先進的信息技術(shù)，虛擬實驗場景，借助網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備（計算機/智能手機），通過交互式操作進行線上實驗教學(xué)。虛擬仿真實驗教學(xué)實現(xiàn)了實驗課程從教師主導(dǎo)過渡為學(xué)生自主，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的個性化學(xué)習(xí)模式，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，促進了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]。虛擬仿真實驗豐富了實驗教學(xué)的形式，突破了實驗教學(xué)對客觀條件的依賴，將逐步成為不可替代的實驗教學(xué)平臺。

生物技術(shù)是理論學(xué)習(xí)與實驗操作并重的專業(yè)，其實驗教學(xué)的開展長期以來存在著一些制約因素，例如高成本實驗無法在教學(xué)中普及、珍稀實驗材料難以獲得、周期較長的實驗無法在有限的實驗學(xué)時內(nèi)開展等，這些問題都影響了本科生對生物技術(shù)專業(yè)相關(guān)實驗原理與操作方法的掌握[3-4]。生物技術(shù)虛擬仿真實驗可以解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)面臨的成本不斷增加、教學(xué)空間、時間受限、實驗室安全等級不足等多方面限制。各高校可依據(jù)學(xué)校特點與專業(yè)特色構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺，設(shè)計多種模擬實驗操作的場景和流程[5-6]，拓展課堂實驗教學(xué)內(nèi)容，作為線下實驗教學(xué)的補充，提高學(xué)生專業(yè)技能，為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型生物技術(shù)人才提供支持[7]。

本文以桂林醫(yī)學(xué)院生物技術(shù)學(xué)院虛擬仿真實驗中心的分子生物學(xué)綜合實驗為例，介紹虛擬實驗在生物技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)中的探索和應(yīng)用。

1 實驗項目建設(shè)內(nèi)容

在生物技術(shù)綜合實驗虛擬仿真項目建設(shè)中遵循“科學(xué)規(guī)劃、資源共享、突出重點、注重創(chuàng)新”的指導(dǎo)思想，堅持“學(xué)生為本，服務(wù)教學(xué)”的基本原則，將生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、實驗動物學(xué)、生物工程、生物醫(yī)學(xué)工程等生物學(xué)學(xué)科的教學(xué)資源進行有機整合，以案例式教學(xué)模式，將已有的教學(xué)資源進行集成并數(shù)字化，把生物技術(shù)的相關(guān)課程聯(lián)系起來，建立虛擬仿真實驗項目。

生物技術(shù)綜合實驗由移液槍基本操作、重組質(zhì)粒提取、DNA瓊脂糖凝膠電泳、醫(yī)學(xué)細(xì)胞培養(yǎng)綜合實驗、普通PCR、紫外分光光度計檢測RNA 濃度及純度、RNA 逆轉(zhuǎn)錄、熒光定量PCR、蛋白質(zhì)變性與SDS-PAGE 電泳、Western Blot 檢測蛋白表達(dá)等多個虛擬仿真實驗組成。本實驗的目的是使學(xué)生熟悉分子細(xì)胞生物學(xué)實驗常規(guī)儀器設(shè)備的使用，包括移液槍、搖床、離心機、電泳儀、細(xì)胞培養(yǎng)箱、超凈工作臺、紫外分光光度計以及PCR 儀等；掌握質(zhì)粒提取、DNA 電泳、細(xì)胞培養(yǎng)、逆轉(zhuǎn)錄、熒光定量PCR、蛋白質(zhì)電泳及Western Blot 等原理、相關(guān)知識點和具體實驗操作；串聯(lián)分子克隆、細(xì)胞培養(yǎng)、基因相對定量檢測以及蛋白分析等知識，使學(xué)生所學(xué)分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)以及基因工程等知識融會貫通，系統(tǒng)地掌握生物技術(shù)核心知識（見圖1）。

圖1

2 軟硬件環(huán)境

本虛擬仿真實驗系統(tǒng)通過Web 環(huán)境運行，利用手機或電腦可隨時訪問桂林醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)生物技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心平臺，進行相關(guān)虛擬仿真實驗操作。

2.1 客戶端到服務(wù)器的帶寬要求

本平臺所含實驗項目，大小約為65 M，在2M帶寬下，客戶端在30 秒內(nèi)可完成下載。相關(guān)數(shù)據(jù)采用使用與下載協(xié)同模式，校園網(wǎng)和普通寬帶用戶均可正常訪問。平臺利用桂林醫(yī)學(xué)院信息中心服務(wù)器，設(shè)置并發(fā)響應(yīng)數(shù)量為50，能夠完全滿足教學(xué)使用。

2.2 用戶操作系統(tǒng)要求

本虛擬仿真實驗平臺可在Windows xp 及以上版本運行，在IOS 或Android 系統(tǒng)可通過輸出htmal5 版本運行。瀏覽器需要安裝flash 插件，其他無特殊要求。計算機硬件配置要求：推薦使用Intel 雙核及以上級別CPU；系統(tǒng)內(nèi)存4G以上；顯示器分辨率不低于1280Χ720；系統(tǒng)硬盤剩余空間不小于4G。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)的實施

本項目各實驗包含實驗?zāi)康模瑢嶒炘恚虒W(xué)視頻，虛擬操作，結(jié)果展示，思考題等模塊。虛擬實驗操作分為：預(yù)習(xí)實驗，配制試劑、儀器使用，實驗操作，結(jié)果分析等。學(xué)生首先通過視頻示教的方法學(xué)習(xí)實驗原理及相關(guān)知識，掌握實驗所需試劑、耗材和儀器，然后通過模擬實驗操作全過程，牢記實驗程序及實驗操作的要點。

3.1 以瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA 純度為例

通過在虛擬實驗平臺模擬該實驗（圖2），可使學(xué)生掌握瓊脂糖凝膠的配置方法，電泳技術(shù)等。具體操作過程：將凝膠板放置在模具中→插入梳子→選擇正確的凝膠濃度→正確操作電子天平稱取瓊脂糖→加入適量的緩沖液→選擇正確的時間進行加熱→冷卻凝膠至60℃→加入適量核酸染料→倒入凝膠板中等待凝膠完全凝固→拔去梳子將凝膠放入電泳槽中→向電泳槽中加入適量的緩沖液→正確配置12 ul樣品→加樣→輸入適當(dāng)電壓電泳30 min正確連接電泳儀→正確連接電泳儀→電泳結(jié)束后在凝膠成像系統(tǒng)里觀察條帶并判斷正確的條帶。

圖2

3.2 以堿裂解法提取質(zhì)粒DNA 為例

通過虛擬實驗操作（圖3），熟悉掌握質(zhì)粒DNA減法提取的原理、操作注意事項和試驗方法。具體操作過程：實驗前準(zhǔn)備（滅菌）→收集細(xì)菌（離心）→重懸菌液（P1）→裂解菌液（P2）→酸堿條件下質(zhì)粒DNA復(fù)性→柱平衡→收集上清液→清洗質(zhì)粒DNA→曬干殘余漂洗液→洗脫質(zhì)粒→測濃度→質(zhì)粒保存。

圖3

傳統(tǒng)教學(xué)相關(guān)實驗課程需要教師提前做大量準(zhǔn)備工作，實驗只能進行一次。如果學(xué)生實驗失敗，通常因?qū)W時數(shù)、實驗場地等原因失去重新操作的機會。利用虛擬仿真實驗，學(xué)生可以更好地預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，掌握實驗中的關(guān)鍵節(jié)點，更好地完成課堂實驗。在生物技術(shù)綜合實驗虛擬仿真平臺上，學(xué)生們可隨時通過特定賬號在校內(nèi)外登錄網(wǎng)絡(luò)終端，聯(lián)網(wǎng)自學(xué)并進行模擬實驗，根據(jù)專業(yè)和興趣自主安排學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)時間和進度，實現(xiàn)線上自主學(xué)習(xí)并獲得學(xué)習(xí)反饋評價，還可與教師進行討論、答疑及互動。

4 結(jié)語

教育部2015 年公布100 所國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心名單后，國內(nèi)虛擬仿真實驗建設(shè)加快了步伐。2018 年《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》要求進一步深化和拓展虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作，助推信息技術(shù)與實驗教育教學(xué)深度融合，助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車。[8]

生物技術(shù)虛擬仿真綜合實驗極大地減少了相關(guān)實驗教學(xué)設(shè)施的購置、節(jié)約了實驗成本，減少了實驗場地的使用，降低了教師資源的浪費，避免了有毒有害試劑對人體的傷害風(fēng)險，從而保障經(jīng)濟、安全可靠的實驗教學(xué)，同時推動了教學(xué)信息化建設(shè)[9]。綜合實驗虛擬仿真項目建成后，同學(xué)們通過教學(xué)平臺虛擬完成實驗操作流程，得到實驗結(jié)果，系統(tǒng)還會對錯誤操作步驟進行糾正，指導(dǎo)學(xué)生正確地開展實驗。學(xué)生通過綜合虛擬仿真實驗的訓(xùn)練，對相關(guān)知識進行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，或開展課外實驗，拓寬視野，提高獨立思考和創(chuàng)新實踐能力[10]。總之，生物技術(shù)綜合實驗虛擬仿真實驗項目能夠和真實實驗課堂相互補充，實現(xiàn)線上教育與線下教育的完美融合。