医学分子生物学虚拟实验的建立和应用优势

刘向华，德 伟，刘志军，郭 静，张爱萍

（1.南京医科大学 基础医学院生化与分子生物学系，江苏 南京 210029；2.江苏省捷达软件工程有限公司，江苏 南京 210024）

虚拟实验作为一种数字化多媒体辅助教学手段，是以计算机为载体，综合运用多媒体编程技术和计算机网络技术，以大量的实验文字，图片，flash动画以及众多音频视频文件为基本组成单位，构造了一个仿真的人机交互式的实验界面［1］。学生可以在这种高度仿真的环境下进行相关的实验操作，通过模拟现实中的分子生物学实验，以增加对相关实验过程的理解，培养学生的创新能力。为适应现代教育技术发展的需要，南京医科大学生化与分子生物学系构建了医学分子生物学虚拟实验平台，作为传统实验教学的辅助教学内容，建立了“理论学习→虚拟实验→实际操作”三步曲的教学改革模式。现将虚拟实验平台构建的流程、要素、实验内容及应用优势总结如下，以供各高校同行参考和指正。

1 医学分子生物学虚拟实验构建的流程、要素及内容

目前，我国多所高校都开展了虚拟实验软件的前期开发和试运行，包括分子生物学、生理、病理、组织胚胎学等多个学科。但是虚拟实验平台的建立是一项复杂的工作，缺乏统一、规范的虚拟教学产品和评价体系，从而影响虚拟实验教学标准体系的制定和推广应用［2］。虚拟实验教学资源和系统主要面临四大类用户，开发者、教学者、学习者和管理者：开发者承担虚拟实验教学资源开发，教学者承担虚拟实验教学实施过程，学习者作为虚拟实验教学的主体实施对象，管理者则负责虚拟实验教学实施效果评价。在构建该虚拟实验平台时，综合了以上四类用户学科的不同需求，制定了合理体系化的构建流程：编写实用的实验脚本（教学者）→利用计算机语言转换形成软件初稿（开发者）→虚拟实验室中试用（教学者＋学习者）→收集师生教学回馈（教学者＋学习者）→专家、管理者等评议，形成修改意见（管理者）→进一步优化完善虚拟实验软件（教学者＋开发者）。需要说明的是，上述构建流程中的用户角色并不是固定不变而是可以相互转换的，以医学分子生物学专业教师为例，在虚拟软件平台构建过程中同时承担着多个角色：作为教学者要具备专业知识渊博，实验操作基本功扎实，教学实施过程中师生互生沟通互动能力强，并善于发现和解决各类虚拟教学问题等；作为开发者要具备一定的软件编程能力，从而能够与计算机专业的编程人员顺利沟通，完成专业性实验脚本文字向计算机语言的转换；作为管理者，在管理虚拟实验教学的过程中存在流程控制、质量评估和应用服务等工作能力需求，从而保障虚拟实验教学的实施效果。

虚拟实验在基础教育、高等教育、职业教育以及远程教育中已经广泛应用，然而学习者能否在虚拟实验中获得身临其境的感觉，能否从感性认识上升到理性认识显得尤为关键。为体现虚拟现实技术多感知性、真实性、互动性、操作性等特点，在构建分子生物学虚拟实验时，主要注重以下几点基本要素的设计：①虚拟界面设计可操作性；②虚拟实验素材及动画高度写真性；③虚拟实验教学内容实用性；④涵盖丰富的2D动画视频资料，体现实验微观性；⑤虚拟实验的操作结果评价及测试性。本套分子生物学虚拟实验平台操作界面中的所有实验仪器、试剂和耗材的图像均以实体为标准制作，而且随着实验的进行，可观察到实验的动态变化。同时在可视化图形操作界面中，适量地加入实验说明框和提示框，学生在虚拟实验的操作过程中，可按照文字提示自由拖动界面中的组织、试剂、仪器等，真实模拟了实际的实验操作，使学生可以在没有教师指导的情况下独立完成整个实验过程。虚拟实验的高度写真性，不仅是虚拟实验可视化的需要，更重要的是，它高度仿真了实际操作中的器械和过程，从而更好地指导学生完成相关实验的实际操作，提高了学生的实践操作能力。教学过程中，虚拟实验不仅可通过鼠标的点击和拖动模拟实际操作过程，更添加了丰富的2D动画及视频资料，将难以解释的实验原理及操作中无法观察到的微观世界变化，以可视化形式动态地呈现出来，从而使教学更直观，更具有可感知性，也使教学形式更丰富活泼，教学的成效将会更加显著。

分子生物学实验教学内容设置直接影响医学生对分子生物学理论知识的理解，对培养其科学作风和科学思维能力，建立研究问题的科学方法十分重要，进而培养出全面发展的创新型医学人才［3］。在依据我国医学院校分子生物学课程标准的要求进行虚拟实验内容设计时，应注重教学科研一体化，把科研项目与基础实验相结合，使项目的研究步骤与分子生物学实验内容环环相扣，紧密衔接形成合乎逻辑的一套综合性和设计性实验内容。经典的分子生物学虚拟实验内容设计时依据教师的授课思路，强调学生的设计与实践，以教学中的重点及难点作为软件的主要研发点。如以真核基因表达调控内容为例，选用人类肿瘤坏死因子（hTNF－α）为研究主题，实验内容基本涵盖了：①总RNA提取及RT－PCR虚拟实验：小鼠肝脏总RNA提取；对提取的总RNA进行分析；逆转录（RT）；PCR扩增hTNF－α等；②免疫印迹技术虚拟实验：小鼠肝脏组织总蛋白提取；Bradford法测蛋白浓度；SDS－PAGE分离蛋白；电转移（半干式）；免疫印迹hTNF－α；ECL化学发光等；③分离目的基因（hTNF－α）及载体DNA：利用限制性核酸内切酶分别切割目的基因和载体；利用连接酶将目的基因与载体DNA共价连接形成重组DNA分子；重组DNA分子转入宿主细胞；重组子的筛选与鉴定等。在实际教学过程中，作者将该套经典虚拟实验内容与传统实验操作教学方式有机结合起来，优势互补、扬长避短，有效调动医学生自主学习、自主创新的学习态度，提高学生对分子生物学基本技术的掌握和临床基础应用的理解，为培养医学科研型并重的复合型人才奠定了科研思维基础。

2 医学分子生物学虚拟实验平台的应用优势

医学分子生物学虚拟实验已经在作者所在校虚拟实验室、数码仿真实验室及E－learning网络自主学习平台上教学试点近五年。综合师生调查表的反馈信息，作者总结出虚拟实验作为分子生物学实验课程教学的有益补充具有以下优势。

开放性和灵活性：传统的分子生物学实验教学在时间和地点上相对固定，学生无法自由地安排学习操作分子生物学实验的时间。虚拟实验的建立增加了实验学习时间的灵活性，实验操作不再拘泥于传统的分子生物学实验室，学生只要打开电脑中的虚拟软件，便可独立、自主的进行实验操作；不仅如此，学生还可以利用课余时间来学习分子生物学实验，培养学生对实验的兴趣，更好的发挥学生的主观能动性。此外，对分子生物学有兴趣的其他专业的学生也可以通过这一高度仿真的虚拟实验，更好的了解分子生物学，拓宽学生的视野，促进学科间的交流。

自主性和创新性：传统的分子生物学实验教学模式是教师为主导的灌输式教学，注重的是知识的传授及实验仪器的规范化操作，学生在学习中一直处于被动接受状态，不利于对学生实际操作中观察、比较、分析、综合等科学思维能力的培养。而在以学生为主体的虚拟实验中，学生自主模拟操作相应实验项目，教学更有针对性；虚拟实验允许学生犯出错，具有反省和自我分析机会，并通过重复练习虚拟实验深化对理论概念的理解和掌握，同时给予学生更多的创造机会，而不受资源、时间及安全因素的限制；通过虚拟实验，学生能根据自己对实验掌握的情况自主选择学习内容及进度，自主拟定实验方案并在虚拟实验中进行相关的操作，增强了学生实验设计的能力，提高学习效率及效果；此外，学生可通过虚拟实验中预览的实验操作结果获得即时的实验反馈信息，从而不断地改进自己的实验设计，充分发掘学生的创新潜能，培养学生自主学习、自主创新的精神。

高效性和可重复性：分子生物学实验具有周期长的特点，为维持正常的实验进度，保证实验教学时间的完整性和实验过程的连续性，有时教师必须提前做好相应的实验准备，甚至替学生完成一部分的实验操作，导致学生无法全程参与此实验的操作，从而对实验内容缺乏整体性、系统性和连贯性的理解，影响实验教学的效果。此外，由于对实验步骤的不熟悉和实验结果的不可控，常常导致传统的实验教学中学生单次实验操作不能得到预期的结果，甚至损坏仪器，造成安全隐患。限于分子生物学实验教学成本高、教学难度大等特点，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。虚拟现实技术能够使学生在接触实际操作之前提前进入虚拟的实验氛围，掌握必要的基础理论和知识，还可以在虚拟环境中模拟操作，提高安全防护意识，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，从而有利于学生整体科研思维能力的培养。利用虚拟实验技术，学生可在计算机上用很短的时间内完成现实中较长时间才能完成的实验，并可独立、自主、反复地进行关键性实验步骤的操作，更可以在这一不断学习、不断思考的过程中激发科研兴趣，增强对实验本身设计思路和反应规律的分析和思考，提高了学习效率。

虚拟实验技术是信息时代的产物，多门学科实验教学改革的研究都认为它在教育科研领域中具有广阔的应用前景，是实验教学的一个新的发展方向，它必将促进教学观念与教学形式的变革。将虚拟实验仿真软件引入教学中，既扩大了实验的范围，又能将课堂上较难理解的理论知识形象生动化的通过虚拟实验室仿真软件展现出来，增加学生学习的兴趣［4］。当然，虚拟实验教学只是分子生物学实验课程教学的一种形式，不可能完全取代真实的实验操作，在教学过程中应坚持“实际操作为主，虚拟实验为辅”的原则，将传统教学与虚拟实验两者有机的结合起来，优势互补，对分子生物学理论和实验教学的发展起到推动作用，促进分子生物学实验教学模式的改革并加强高校信息化建设的步伐。

［1］韩 莹，高兴亚，戚晓红，等.生理学虚拟实验室的建立与应用［J］.医学教育，2005（4）：63－65.

［2］吴 砥，徐 建，张成伟.多学科通用虚拟实验教学标准体系的研究、设计和实践［J］.华东师范大学学报（自然科学版），2012（2）：106－114.

［3］王松梅，潘銮凤，邵红霞，等.八年制临床医学分子生物学实验教学的思考与建议［J］.基础医学教育，2013，15（11）：1008－1009.

［4］陈晓欢，王颖颖，左云飞.虚拟实验室在分子诊断学中的应用［J］.实验室科学，2011，14（1）：126－128.