摘要：从分子生物学实验教学的实际应用出发, 建立了分子生物学虚拟仿真实验平台。探讨了虚拟仿真实验平台的“基础型—综合型—创新型”三层次的建设思路和“虚实结合, 以虚促实”的实现方法, 并提出了平台的改进方向。该平台充分发挥了信息技术的作用, 将虚拟仿真实验同实体实验有机结合, 大大提升了实验教学效率, 强化了实验教学效果, 加强了多层次人才的培养, 推动了分子生物学实验教学的改革和创新。
关键词：分子生物学; 实验教学; 虚拟仿真;
1 建设背景
分子生物学是通过研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构和功能, 从分子水平揭示生命活动规律的一门基础学科[1]。在传统的分子生物学实验教学中, 因设备昂贵、教学经费不足、技术难度高等因素的制约, 导致学生实验操作训练不充分, 大大影响了实验教学质量[2-4]。随着信息技术的发展, 虚拟仿真实验被引入高校实验教学当中[5-6]。以虚拟仿真实验教学辅助常规实验教学, 已成为当前实验教学改革的新方向, 对于丰富实验教学资源、提升教学效果、培养学生的实验技能起到重要的作用[7-10]。
目前, 国外有代表性的虚拟仿真实验室包括1998年投入使用的麻省理工学院的Web Lab、科罗拉多大学的PhET交互式虚拟仿真实验室、西班牙大学电子仪器虚拟工作平台、加拿大维多利亚大学的3D实验室等[11-12]。2013年, 我国开始启动国家级虚拟仿真实验教学中心的建设。到2018年1月, 全国高校已获批的国家级虚拟仿真实验教学中心达到300个, 其中生物类虚拟仿真实验教学中心有11个。华中师范大学生命科学学院自2015年获批生物学国家级虚拟仿真实验教学中心以来, 积极开展生物学虚拟仿真实验室的建设, 其中分子生物学虚拟仿真实验平台作为重点建设对象, 在虚拟仿真实验资源建设和实验教学改革方面取得了显著成效。
2 分子生物学虚拟仿真实验教学平台的建设
分子生物学虚拟仿真实验教学平台采用“终端/服务器 (B/S) ”的架构, 其优点在于开发和维护成本低、适用性强, 可利用网络将不同实验用户与虚拟仿真实验室连接起来, 共享一个虚拟仿真实验空间。用户只需借助计算机或手机等终端设备, 即可通过浏览器访问服务器。在客户端与服务器建立连接后, 用户可选做虚拟仿真实验教学平台上的所有虚拟仿真实验项目, 进行电子教材模块、实验展示视频模块、教学模块、练习模块、考核模块、实验报告模块和答疑模块等7个模块的在线学习。
2.1 虚拟仿真实验资源建设
分子生物学虚拟仿真实验平台面向生命科学学院研究生以及生物科学、生物技术、化学生物学 (交叉班) 等专业本科生, 开设基础型、综合型和创新型3个层次的虚拟仿真实验项目。目前, 平台已建设完成并开放共享15个实验项目, 覆盖教学大纲80%的实验内容。
2.1.1 基础型虚拟仿真实验
分子生物学实验以仪器操作为基础, 针对基本的实验操作技术, 采用自主开发和合作开发方式, 增加了4个基础型虚拟仿真实验项目:
(1) 核酸片段回收仪使用培训, 实验目的是掌握仪器的使用方法;
(2) 高压蒸汽灭菌器使用培训, 实验目的是掌握仪器的使用方法, 学会仪器保养和应对应急事件;
(3) 高速离心机的使用培训, 实验目的是学习超速离心机的使用方法和安全操作规程;
(4) 荧光定量PCR, 实验目的是掌握荧光定量PCR的基本原理和方法。
学生通过对基础型虚拟仿真实验项目的反复训练, 提高真实实验操作中的规范性和准确性。以“高速离心机的使用”实验项目为例, 由于仪器设备数目有限, 不能保证每位学生都能动手操作离心机;并且由于实验课内容安排, 仅有部分功能会在实验课上有所呈现。
为此, 虚拟仿真实验教学中心利用3D动画, 形象地为学生展示离心机的构造, 帮助学生认识固定角转子、水平角转子和大容量角转子这3种附件 (见图1) , 要求学生掌握组装和使用方法。通过实验页面的文字提示, 引导学生进行虚拟仿真实验操作, 包括动手操作和设置仪器参数。对于关键性步骤, 例如离心前的离心管配平, 界面会给出提示。实验结束后, 实验页面总结出超高速离心机操作的注意事项。
通过虚拟仿真实验操作, 学生能够熟练掌握超速离心机的结构和操作步骤, 为在实际实验环境中安全、规范地使用超速离心机打下基础。
图1 高速离心机配件模型
2.1.2 综合型虚拟仿真实验
综合型分子生物学虚拟仿真实验旨在提高学生综合应用理论知识来解决问题的能力。目前, 综合型分子生物学虚拟仿真实验包括:
(1) 重组质粒和转化大肠杆菌, 实验目的是掌握重组质粒和转化大肠杆菌方法;
(2) 重组质粒提取, 实验目的是掌握组织中质粒的碱法提取方法;
(3) 大鼠肝脏总RNA的提取, 实验目的是掌握Trizol法提取组织总DNA的原理和方法;
(4) 考马斯亮蓝法测定蛋白质浓度, 实验目的是掌握考马斯亮蓝测定法的原理和方法;
(5) 大鼠肾脏皮质总蛋白质提取, 实验目的是掌握提取动物组织总蛋白质的实验方法, 学习蛋白质裂解液的选取;
(6) 真核细胞高效表达系统的构建与应用, 实验目的是了解外源基因在动物细胞中表达的技术方法, 掌握基因克隆、细胞转染、重组杆状病毒构建、病毒感染等技术。
学生通过完成系统性的实验训练, 解决实际分子生物学研究中的科学问题。以“真核细胞高效表达系统的构建与应用”实验为例, 整个实验过程都在虚拟现实的实验环境中进行, 实验仪器的操作和实验条件的设置非常详尽 (见图2) 。该虚拟仿真实验包含“真核细胞表达质粒的构建与应用”和“BacMam系统的构建与应用”两方面内容, 每个内容又分为10多个小实验。这些小实验环环相扣、互相关联。学生可以从任意一个虚拟小实验开始, 进行单项实验技能训练。实验结束后, 实验平台会给出操作评分, 并分析扣分的原因。
实验还设置有课后习题, 可提交电子版实验报告, 经教师在线评阅后给出实验成绩。
通过完整的实验操作, 学生不仅可以了解外源基因在动物细胞中表达的技术方法, 还可以掌握基因亚克隆、细胞转染、重组杆状病毒构建、病毒感染等多种实验技术。
图2 真核细胞高效表达系统构建三维实验场景
2.1.3 创新型虚拟仿真实验
出于课时安排、成本控制以及安全条件等因素的考虑, 部分科研平台的创新型实验项目很难在本科实验课中开设;而通过引入虚拟仿真技术, 可以突破条件限制, 填补实验项目上的空缺, 培养学生的创新能力。目前, 分子生物学虚拟仿真实验教学平台已经开放共享了一批由科研成果转化而来的创新型的虚拟仿真实验项目:
(1) 棉花的遗传转化, 实验目的是了解转基因作物培养的原理, 掌握转基因棉花的操作过程;
(2) TaqMan探针法基因分型, 实验目的是掌握TaqMan基因分型方法的原理和操作过程;
(3) 抗血清制备及效价测定, 实验目的是掌握ELISA的原理和操作过程;
(4) 细胞凋亡的诱导与检测, 实验目的是学习昆虫细胞的传代培养技术, 掌握细胞凋亡的形态和生化特征的鉴定方法;
(5) 放射性同位素标记核酸分子杂交, 实验目的是了解放射性同位素的特性, 掌握核酸杂交的原理和基本过程, 了解核酸杂交在科学研究中的用途。
以“棉花的遗传转化”实验为例, 该实验来源于分子生物学科研实验室的科研项目, 部分实验素材和结果图片选自真实实验 (图3) , 具有真实性和科学性。整个实验内容是通过农杆菌将目的基因转入植物基因组内, 然后通过细胞和组织培养技术, 再生出转基因植株。通过虚拟仿真实验的学习, 学生不仅了解了转基因作物培养的原理, 同时掌握了转基因棉花的操作过程, 为之后进入科研实验室完成创新性课题打下了良好的基础。
图3 转基因棉花生根诱导
2.2 平台共享
华中师范大学分子生物学虚拟仿真实验平台面向全校8个专业开放, 包括生物科学、生物技术、化学生物学 (交叉班) 、化学、应用化学、心理学、体育教育等。截至2017年11月, 分子生物学虚拟仿真实验平台的使用达到4 913人次。此外, 学校生物学国家级虚拟仿真实验教学中心还与武汉大学、华中农业大学、新疆师范大学等多所高校签订了虚拟仿真资源共享协议书, 深化合作办学, 实现兄弟院校的资源共享、共同发展。
3 虚拟仿真平台的应用
3.1“虚实结合”教学体系的建立
分子生物学虚拟仿真实验平台具有内容丰富、沉浸感和交互性强的特点。结合这些特点和学院教学大纲要求, 建立了虚实结合的教学体系。整个实验教学体系包含基因克隆及鉴定、载体构建、基因转化等11个必选实验项目和若干自选实验项目。必选实验内容为实体实验项目及部分相关的分子生物学虚拟仿真实验项目, 自选实验项目为其他虚拟仿真实验项目。
必选实验内容包括: (1) 植物基因组DNA的分离纯化; (2) PCR克隆目的基因; (3) PCR产物的琼脂糖凝胶电泳分析; (4) 目的基因与载体的连接; (5) DH5α感受态细胞的制备; (6) 连接产物转化大肠杆菌; (7) 阳性克隆的鉴定和筛选; (8) 重组质粒的提取; (9) 质粒酶切; (10) 电泳分析; (11) DNA凝胶回收。其中除 (1) 和 (5) 外, 均有对应的虚拟仿真实验项目。
学习前期, 每一位学生需单独完成所有基础型分子生物学虚拟仿真实验, 掌握分子生物学仪器的原理和基本使用方法, 为实体实验课程打下基础。学习中期, 在实体实验项目开始前, 学生进行实验课预习, 在教师的指导下完成相关虚拟仿真实验, 熟悉实验过程和实验原理;在实体实验课上, 采用小班实验教学方式, 每位学生独立进行实验操作, 提高实际的动手能力和科学研究能力。学习后期, 学生可以通过反复的虚拟操作训练, 巩固理论知识及实验技能;在平台上进行讨论和答疑活动。学有余力的学生, 可在课后完成其他自选虚拟仿真实验项目。
3.2 分子生物学虚拟仿真实验平台的应用调查
为了了解学生对虚拟仿真实验教学的接受度和对虚拟仿真实验教学软件的评价, 笔者进行了问卷调查。调查的对象为参加分子生物学实验课的8个实验班共有248名学生。问卷调查内容包括:
(1) 对虚拟仿真实验平台的满意度;
(2) 虚拟仿真实验是否对教学有帮助;
(3) 通过虚拟仿真实验平台可以学到什么;
(4) 通过虚拟仿真实验能否掌握实验原理;
(5) 能否根据虚拟仿真实验解决实际实验操作中的问题;
(6) 通过虚拟仿真实验能否独立完成实体实验;
(7) 能否快速熟悉实验器材和实验操作;
(8) 能否在实体实验中解决虚拟仿真实验问题;
(9) 通过虚拟仿真实验是否对实验课更有兴趣;
(10) 虚拟仿真实验推广到其他实验教学中的必要性;
(11) 今后使用虚拟仿真实验平台的意愿。
超过85%的学生认为通过虚拟仿真实验平台可以巩固学科知识、掌握实验内容、提高对课程学习的兴趣;超过94%的学生愿意在今后的学习工作中使用虚拟仿真实验平台, 并赞成将虚拟仿真实验应用到其他实验课;超过57%的学生在使用虚拟仿真实验后大大提升了实验效率。学生对该虚拟仿真实验平台提出的主要意见是:系统对计算机硬件要求太高, 运行不流畅;虚拟仿真实验项目偏少, 内容不够丰富;软件制作不够精细, 视频清晰度有待加强。总体而言, 学生对虚拟仿真实验的接受度和满意度还是很高的。
4 分子生物学虚拟仿真实验建设与应用思考
虚拟仿真实验是一种新型的教学手段, 是实体实验的补充[13]。分子生物学虚拟仿真实验充分利用了网络平台和信息化资源, 具有易开发、易共享、突破时空限制、内容丰富、效率高、3D效果好的特点。它既可以用于分子生物学实验课程的辅助教学, 也可以服务于本科生的探索性实验、大学生创新项目以及研究生科研训练当中;既能促进学生自主学习, 帮助学生学习实验原理和专业技能, 也有利于学生开展自主研究性学习, 培养科研创新精神。根据分子生物学虚拟仿真实验的建设和应用情况, 需要对该虚拟仿真实验平台做进一步改进和完善。
4.1 虚拟仿真实验应发挥学生的主观能动性
虚拟仿真实验充分利用了信息化技术, 给学生创造了逼真的虚拟实验环境。目前应用的虚拟仿真实验项目虽然体验性好、真实感强, 但是存在学生缺乏独自思考的情况, 使实验教学效果不尽如人意。因此, 在设计虚拟仿真实验时, 应引导学生认识问题、思考问题、分析问题和解决问题, 发挥学生的主观能动性。例如在每一个关键实验操作前设置问题, 让学生进行思考、回答并得到问题回答情况的反馈;或者让学生根据科研问题自行设计或选择实验仪器和实验步骤, 完成虚拟仿真实验。只有这样, 学生才能真正地从虚拟仿真实验中学到知识、提升能力。
4.2 虚拟仿真实验建设应增加先进技术性实验项目
分子生物学是新兴学科, 且与多个学科有交叉, 是众多学科研究的基础。目前建设的虚拟仿真实验项目多为基础型和综合型实验项目, 主要面向本科生和研究生的技能培训和基本科研训练。分子生物学的技术和研究方法更新快, 应当充分利用虚拟仿真实验“易开发、场地需求低”的优势, 将分子生物学的前沿技术引入创新性的虚拟项目, 从而满足多层次人才培养的需求。
4.3 虚拟仿真实验为辅, 实体实验为主
虽然虚拟仿真实验能够逼真地模拟真实实验场景, 但不能完全代替实体实验。首先, 在虚拟仿真实验操作中, 仅仅使用鼠标和键盘操控虚拟仪器, 体会不到真实的触感;其次, 虚拟仿真实验环节均由程序控制, 几乎没有不可控因素, 而在现实实验和科学研究中, 则可能出现各种突发状况, 因而虚拟仿真实验很难培养学生对突发情况的判断能力和应对能力;第三, 大多数虚拟仿真实验只有一个操作者在体验, 缺少了实体实验中团队合作的机会。因此, 我们应当以实体实验教学为主导, 而将虚拟仿真实验作为实体实验的辅助、补充和拓展。
5 结语
虚拟仿真实验的建设和应用, 是信息化时代实验教学的一个新的发展方向, 它必将引领实验教学形式和教学理念的变革。虚拟仿真实验的建设不能完全取代实体实验, 应当以学生的需求为前提、以教学目标为导向, 虚实结合地开展分子生物学实验教学。
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