虚拟实验在分子生物学实验教学中的作用

刘向华，德 伟，刘志军，郭 静，张爱萍 (南京医科大学基础医学院生化与分子生物学系， 南京 009;江苏省捷达软件工程有限公司)

信息技术的高速发展已经对我国教育观念和教学改革产生了深刻的影响。因此积极推进现代教育技术的应用，推动数字化多媒体辅助教学，改进教学方法、提高教学质量，促进高校教育教学改革，已成为现代教育技术发展的必然趋势。为了适应医学高等教育现代化的趋势，我校“十二五”发展规划“五大教学工程”之一“培养模式创新工程”提出:以学生为中心、以研究为基础、以素质为导向的教学理念，以课程体系和教学方式改革为核心，强化实践教学环节，优化人才培养方案和培养模式。据此，我校生物化学和分子生物学系在优化课程内容、尝试理论教学新模式的同时，也注重创新实践教学，开设综合性实验课程教学，其中分子生物学虚拟实验课程体系的建立取得了有益的经验并获得高校同行的好评。

1 分子生物学虚拟实验的作用

分子生物学是一门实践性和应用性很强的学科，是从分子水平探究核酸、蛋白质等生物大分子结构、功能的基础学科。在医学领域，分子生物学实验技术已广泛应用到各类医学专业学科，成为培养医学研究人员良好的综合素质、创新思维和实际科学研究能力的重点内容。我校针对研究生及高年制学生开设了分子生物学实验课程，主要侧重于分子生物学技术及其在医学研究和临床上的应用。多年的教学摸索表明，分子生物学实验作为一门自然学科，微观领域的深入研究不断揭示各种生命奥秘，因此学生想了解生命本质必须能够进入微观世界。传统的实验教学手段对微观世界动态变化的展示显得无能为力，现代信息技术却提供了这种可能性。随着虚拟实验教育的发展及各院校教育环境的改善，通过电脑创建虚拟学习环境，辅助分子生物学实验教学已成为教学改革的方向之一［1］。

分子生物学是生命科学的前沿学科，所运用的分子生物学实验技术也是日新月异，我们也与时俱进地对实验教学内容和形式进行多次改革和探索，致力于提高学生学习的积极性和创新性。但在实践教学中，分子生物学实验的教学内容难度大、周期长、成本高，同时对实验时间、场所、实验操作及实验室的管理等方面都有较高的要求。受上述所限，传统的分子生物学实验教学往往不能实现预期的目标和结果，学生在复杂的实验步骤操作中，缺少对知识连贯性的理解，导致实验观察能力薄弱，不利于独立操作能力及科研思维能力的培养，在今后遇到科研课题时也不能熟练地运用这些技术解决问题。随着学校数字化校园、多媒体教室等信息化教学条件的优化和完善，我系自2006年开始研制分子生物学虚拟实验软件，以计算机为载体，综合运用多媒体编程技术和计算机网络技术，以大量实验文字说明框、高度写真性素材图片、微观性Flash动画为基本组成单位，构造了一个仿真的人机交互式的实验界面。学生可以在这种高度仿真的环境下运用鼠标点击和拖动进行相关的实验操作，通过模拟现实中的分子生物学实验，加深对相关实验过程的理解，培养科研能力。教学实践表明，分子生物学虚拟实验不仅可以提高分子生物学理论教学的教学效果，还可与传统的实验教学实现良好的互补，有利于学生分析问题、解决问题的能力，以及科研思维能力的培养。

2 分子生物学虚拟实验的优势

2．1 加强创新性教师队伍的建设 传统的教学往往以板书和多媒体PPT课件教学为主，本校教学改革中除了保留部分传统的教学方法外，凸显现代教育新技术的应用。如理论教学上使用网络系统、远程教学等，而在实验教学方面，如数码互动教学、虚拟实验、数码仿真教学等均属于现代教学手段［2］。因此，作为高校教师理应跟上时代的步伐，掌握现代教学手段，熟知其操作方法，使现代教学手段与传统教学方法互相渗透，交互使用。分子生物学虚拟实验软件的研制和试点教学对于生物化学与分子生物学专业教师不仅是一个挑战，更是一次机遇。虚拟实验软件的研发工作十分复杂，包括实验软件的方案设计，医学相关素材整理，软件脚本修改与审核，拍摄实验仪器、试剂和耗材，制作虚拟实验素材，设计虚拟界面、搭建框架，制作软件、组合各种多媒体等。这就要求研发虚拟实验的教师除了理论知识渊博、分析实验结果准确、仪器操作与使用熟练之外，还要具备一定的软件编程能力，从而能够与计算机专业编程人员顺利沟通，完成专业性实验脚本文字向计算机语言的转换。随着分子生物学技术的更新，我们不断调整分子生物学的教学内容和方式，优化和升级相应分子生物学虚拟软件，实现传统理论教学、实验教学和虚拟实验三者的有机结合。在实践过程中逐渐培养出一支优秀的创新性教师队伍，发表5篇相关教学论文，获得1项江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题、1项江苏省教育厅多媒体课件比赛三等奖，并完成1项江苏省高等学校大学生实践创新训练计划。

2．2 激发学生兴趣，培养创新能力 传统的分子生物学实验教学模式是灌输式教学，学生被动接受，注重知识的传授，却忽视了实际操作中观察、比较、分析、综合等科学思维能力的培养。由于实验原理的抽象性、实验步骤的不熟悉和实验结果的不可控，学生容易在操作实验中频繁出错。限于分子生物学实验教学周期长、成本高，往往没有条件再次重复实验，不仅打击了学生的学习主动性，更限制了其求知欲望，不利于严谨科学作风和创新思维能力的培养。通过分子生物学虚拟实验的开展，增加了实验学习时间的灵活性，在课前可以发挥预实验的作用，学生通过模拟性实验练习，变被动学习为主动学习，有效提高了后期实际操作的成功率。此外，虚拟实验作为传统实验教学手段有益补充，提高学生对实验原理、步骤、实验细节的掌握和理解，培养学生对实验的兴趣，充分发挥学生的主观能动性。实验课后，学生还可以利用虚拟实验独立、自主、反复地进行相关的实验操作，增强对所学分子生物学知识的理解，更可以在不断学习、思考的过程中激发科研兴趣，培养学生自主创新的能力。在我们的试点教学中，研究生根据所学内容自主设计分子生物学实验，并在导师的指导下付诸科研实践;也激励了大批学生利用寒暑假及课余时间积极参与感兴趣的课题研究工作，完成基础阶段的科研训练。

2．3 改革实验室管理模式，开展创新性实验教学分子生物学实验教学是培养学生实际操作能力和分析问题、解决问题能力的重要手段，是一门实践性很强的学科。因此，加大实验教学设备的投入，加强实验室管理，对实验课的顺利开展和教学质量的保证都是十分必要和重要的。但现实中，由于人力资源的相对不足，在实验运转过程中，任课教师和实验技术人员常常分身乏术:首先，生物学实验室所需仪器和试剂种类繁多，价格昂贵，易损耗，需要人员对研究平台进行建立、维护和更新。其次，为保证教学效果，教师要进行预实验，发现问题及时解决，并做好实验记录，为学生的正式实验提供可靠依据。再者，由于分子生物学实验操作步骤比较复杂，周期长，为保证时间的完整性和实验的连续性，维持正常的实验进度，有时教师必须提前做好相应的实验准备，甚至提前完成一部分的实验操作。最终，在有限的课堂实验时间中，教师要讲授实验原理、示范操作方法、配置临时试剂、指导仪器使用及解决分析实验过程中出现的种种问题等。而对于实验真正的操作者的学生而言，在短时间内常常无法消化复杂的实验内容及准确掌握精密仪器的使用，大部分时间只是机械性操作，没有自己独立思考、判断和创新意识，造成学生对实验内容缺乏整体性、系统性和连贯性的理解，实验教学效果较差。分子生物学虚拟实验平台的建立有效缓解了以上问题，实验的原理学习和操作不再拘泥于传统的分子生物学实验室，师生只要打开电脑中的软件，便可在短时间内直接开展分子生物学虚拟实验，促进了教师高效率地组织教学，并培养学生对实验的兴趣，从而进行自主、探究式地学习。高度仿真的分子生物学虚拟实验的建立有效优化了教学模式，促进实验室管理制度向灵活多变的方向转变。教师可以灵活地安排虚拟实验教学的场所和时间，在传统操作实验课中便可将更多的精力用来引导学生对实验本身设计思路和反应规律的理解上;学生也可以利用课余时间，通过趣味性的虚拟实验先预览环环相扣的实验操作，对实验的设计有系统性的理解，从而在真正动手实践操作中，顺利完成实验教学进程的同时，更能集中精力观察实验现象、分析思考实验结果，有利于科研思维能力的培养。

3 分子生物学虚拟实验的应用前景

分子生物学虚拟实验不仅可作为传统分子生物学实验课堂教学的一部分，结合实验原理、操作步骤、注意事项等内容的讲解，预先演示实验的详细流程，增加课堂效果，还可供学生在实验之余自学，随时复习或预习所学内容，培养学生对分子生物学实验的兴趣及科研创新能力。我们将该套虚拟软件经典实验部分上传到学校E-learning网络自主学习平台，全面开展网络辅助教学，使微观的医学教育更直观，也使教学形式更加机动灵活。同时，增加网上留言互动等功能，加深学生与教师之间的沟通和交流，激发学生的学习热情，不断促进分子生物学虚拟实验的完善，为目前分子生物学实验教学改革提供了新的思路与范本，也使广大临床医学院校本科学生及部分特色专业，如生物技术、药学本科等专业学生也可由此获得学习分子生物学实验的机会。分子生物学虚拟实验与传统分子生物学实验教学方式的结合，系统性、自主性、设计性地开展分子生物学实验，可充分锻炼学生分析问题、解决问题的能力，将为今后学生科研选题或从事科研工作，包括疾病的诊断和治疗打下良好基础。

［1］ 德伟，王子杰，陈雅，等．探讨分子生物学虚拟实验的构建要素［J］．南京医科大学学报:社会科学版，2013，13(2):73 －75．

［2］ 王迎伟，韩群颖，朱学江，等．基础医学理论和实验教学的规范要求与改革趋势［J］．山西医科大学学报:基础医学教育版，2009，11(4):457 －460．