分子生物学虚拟实验室的构建

王 甜, 王茂林，林宏辉

(四川大学 生命科学学院；生物科学基础实验教学中心，成都 610065)

·计算机及网络技术应用·

分子生物学虚拟实验室的构建

王 甜, 王茂林，林宏辉

(四川大学 生命科学学院；生物科学基础实验教学中心，成都 610065)

分子生物学虚拟实验室教学资源的建设与实物教学实验室的有机结合，可以让学生打破时间和地域的限制完成相关实验，促进实验教学的个性化，锻炼和开发学生的创新能力，激发学生的学习兴趣，实现教学模式的多元化发展，对生命科学创新人才培养起到重要的辅助作用。

实验教学; 虚拟实验室; 分子生物学; 创新能力

虚拟实验室(Virtual Laboratory)是一种基于Web 技术、虚拟仿真技术构建的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的虚拟化。虚拟实验室概念，是由美国的威廉·沃尔夫(William Wolf) 教授于1989 年首次提出的。虚拟实验室提出仅几十年的时间，在发达国家已十分普及，美国十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究已处于领先地位[1]。

虚拟实验室易于构建、易于实现，便于异地在线检测和远程测控，可以运用网络技术及现有设备搭建功能强大的实验系统，从而节省大量的购置设备费用，显著降低实验室建设和管理成本。在国内，也有部分高校开始建立虚拟实验室。在2013年，教育部高等教育司已遴选出100所高校建设的具有示范、引领作用的虚拟仿真实验教学中心，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新。建设虚拟仿真实验室，既能使实验教学上一个新的台阶，又能跟上国际先进水平，争创本学科实验教学的优势。

目前，分子生物学实验作为大学本科教学大纲的必修实验，注重学生对分子生物学理论知识的理解和基本实验技术的掌握。在实验教学过程中，针对生物科学专业、生物技术专业和拔尖人才的不同培养目标设立了不同的分子生物学实验课程，通过开设一定数量和比例的基础性实验、综合性实验、设计性或研究性实验来培养学生的科研能力[2]。

受限于学时、空间、安全性以及中心实验室的仪器设备种类和台套数，有些实验无法开展，满足不了开放式创新实验教学的需要，制约学生的创新思维发展。例如，一些贵重的实验仪器，如荧光显微镜、PCR仪、凝胶成像系统等仪器数量少，在课时内不能让每名学生都亲自操作实验仪器，熟悉实验仪器的使用，制约了学生的动手能力和创新思维能力的培养[3]。

构建网络化虚拟实验室可以改变传统的实验教学模式，从教学应用的角度出发，将一些受限于时间、空间、仪器台套数，高消耗、危险性的实验转化为虚拟实验，与传统实验教学相互补充，打破时间和地域的限制完成相关实验，拓展学生的视野。由于虚拟仪器系统的支持，学生可以自拟、自选实验题目，自行组织实验，最大限度地发挥学生的主动性和创造性。学生自主探索的学习活动，可使他们的个性得到发展，创造能力得到提高，最大限度地锻炼和开发学生的创新能力，极大地激发学生的学习兴趣，实现教学模式的多元化发展。

虚拟实验可以提供开放式实验环境，可灵活地增加各种探索性实验内容，使学生根据实验要求，自行设计实验方案，以各种形式参与实验。引入虚拟实验，不仅能锻炼学生的独立构思和设计能力，而且能激发学习的兴趣，这样更有利于培养具有创新精神和实践能力的人才。

1 建设虚拟实验室的优势

1.1 开放性

中心实验室因为承担本科生基础实验教学需要，无法对学生实现实验室完全的时间和空间开放，供学生完成实验。而虚拟仿真实验室可支持网络共享，实现远程访问虚拟实验室系统，为远程用户提供一个便利的网络实验教学[4]。在不同地点、不同时间，通过网络互联，进行虚拟实验，没有时间和空间的限制。

1.2 共享性

可实现不同专业的学生注册账户，登录系统，进入虚拟仿真实验室。让虚拟仿真实验室的教学资源可以为更多用户使用，提高利用率[5]。

1.3 经济性

管理者可以根据用户的需要，对虚拟实验室的环境进行改进与扩展，相对减少购买实验设备的经费投入。不用担心实验仪器设备台套数的限制，学生可随时调用虚拟仿真实验室的设备进行自主设计的实验。

1.4 安全性

在虚拟仿真实验室系统中，即使学生使用了放射性、挥发性、有毒性的化学物品或仪器设备操作有误等，也不会发生危险，提高了实验的安全性。

2 虚拟仿真实验教学资源的建设

2.1 分子生物学虚拟实验仪器设备的操作训练平台

建设集认识、学习、练习与操作为一体的分子生物学虚拟实验仪器设备的操作训练平台，如表1所示。

表1 分子生物学虚拟实验仪器设备的操作训练平台资源

在实物实验开课前，学生可实名登录虚拟仿真实验系统，点击选择各种仪器设备，认识其基本的构造功能。根据系统引导学习仪器设备操作过程，登录用户可反复练习操作过程，系统自动记录学生的操作训练过程。对于需要进入中心实物实验室学习的学生，最终有一个考核，考核合格的学生才能进入中心实物实验室进行实验，考核名单会反馈给实验教学教师。经过这样操作训练的学生，进入实物实验室学习实验，就不需要教师手把手地教学生操作仪器。特别是一些贵重、台套数少的仪器，在有限的课时内不可能每个学生都去操作一遍。但通过在虚拟实验仪器设备的操作训练平台的训练，再经过教师的实物操作讲解，学生已经有了深刻的体会。实物实验课结束后，学生对分子生物学实验仪器设备使用已经熟练，为今后实验室课时外实验室对学生的开放提供了安全保障。通过仪器设备的操作训练平台的建设和应用，学生对每个实验操作步骤不仅做到了标准化、规范化，还了解每个实验的基本原理，知其然并知其所以然[6]。

对于外专业的学生，在一些选修课中也会选择生物专业的公选课，公选课时不多，教师在课时内不可能让学生先学习基本实验仪器设备的操作。以往每次选修课结束后，因为学生错误操作导致的实验仪器设备的损坏数量不少，造成了一定的经济损失。而进入分子生物学虚拟实验仪器设备的操作训练平台训练后的学生，在完成实验过程中，出现错误操作的情况少了许多，减少了仪器设备的损坏，节约了实验室维护经费的投入。

2.2 虚拟分子生物学实验技能学习平台

本着虚拟仿真实验“虚实结合，相互补充”的指导思想原则，虚拟分子生物学实验技能学习平台上的资源，我们以文字、视频、FLASH和虚拟实验操作相结合的方式(见表2)，为学生呈现一个既可以了解分子生物学基本实验技术的理论知识，又能学习和练习基本实验技能的训练平台，并设有考核。考核不仅是本专业的学生，校内外其他专业的学生同样可以有权限进入虚拟仿真实验室了解分子生物学基本实验技术，拓展专业外的知识。通过实际实验室操作视频, 演示具体规范的实验操作方法, 同时配有操作细节的解说。使学生在实验前获得感官上的认识, 并且在观摩仪器设备操作的每个步骤与细节的同时, 达到身临其境的效果[7]。

表2 分子生物学虚拟实验技能操作训练平台资源

2.3 虚拟分子生物学实验室特色教学资源

虚拟和真实结合的实验教学模式提高了实验教学效果。通过虚拟与真实结合的生理学实验教学，学生经过至少一次与真实实验相关的虚拟实验操作。有了一定的感性认识后，在真实实验中再给学生讲解，学生就容易理解了，而且教师可以把讲解重点放在实验成功的关键步骤和容易出错的环节上，学生避免了实验的盲目性，极大地提高了实验成功率[7]。

虚拟实验室除了虚拟分子生物学实验仪器设备的操作训练平台和虚拟分子生物学实验技能学习平台的建设外，还增设与分子生物学相关的，分子生物学应用技术方面的前沿研究内容，但要开设常规实验比较困难。例如，亲子鉴定、转基因动植物、克隆技术以及酶工程等相关实验，不仅耗时，而且成本高，但学生却比较感兴趣，这类实验可采用虚拟仿真实验室建设的教学资源。

在虚拟分子生物学实验室特色教学资源里，学生可以了解分子生物学应用方面的前沿技术原理，利用前面学习的实验技能操作完成这些虚拟实验。在实验过程中，设置问题、选择题等，由学生自由选择。只有在选择正确的仪器设备和实验技术的条件下，才能得到正确的实验结果，促进学生科研能力的提高。学生可以反复操作这些实验过程，加强他们的实验技术能力，体会到分子生物学技术在科学研究领域发挥的巨大作用，从而激发他们学习和探索的兴趣。

3 分子生物学虚拟实验的教学平台建设

3.1 使用虚拟实验教学资源进行创新实验

学生通过基本的分子生物学虚拟实验仪器设备的操作训练、虚拟实验技能操作训练结合实物实验课的常规训练后，已达到本科教学大纲要求，掌握了基本分子生物学的理论知识，实验技术能力也有了一定的提高。于是，教师可在虚拟仿真实验的教学平台发布一些典型的综合性实验，如荧光蛋白基因的克隆与表达、Pfu酶的的提取与初步纯化[8]等实验，以及科研项目中的一些子课题，供学有余力的学生选择自己感兴趣的实验项目，或是自己提交一些具有挑战性的问题，由老师给予适当指导，形成创新项目。

在虚拟实验室里，利用虚拟实验仪器设备和虚拟分子生物学实验技能学习平台的实验技术搭建实验内容。在虚拟实验室里先构建科研项目实验，教师作为指导者给予一定引导，帮助其提高创新能力的进一步的训练, 鼓励他们自主创新, 自由发挥进行创新实验。

构建虚实结合的虚拟实验系统，整个实验体系贯穿基础虚拟实验教学、综合专业技术虚拟实验教学以及创新实验项目虚拟仿真实验，采取基础、综合、创新结合的三位一体教学模式，可满足对学生基础理论的认知、专业技术的掌握和实际设计与综合应用能力的培养要求[9]。为学生提供理论认知与动手实践的实验环境，全面提高实验效果，开阔学生的思维视野，培养创新能力。

3.2 互动交流

在分子生物学虚拟仿真实验的教学平台论坛上，学生可以发布自己的实验进度以及遇到的问题，寻求帮助。教师和其他学生可以一起讨论，帮助其解决问题。

3.3 成绩评定

对于本专业的学生，在分子生物学虚拟实验仪器设备的操作训练平台和分子生物学虚拟实验技能学习平台上的考核外，学生使用分子生物学虚拟仿真实验教学资源进行的创新实验项目，可以形成实验报告。实验报告的内容包括选择的仪器设备和实验技术的准确性，实验设计方案的可行性，实验结果达到的预期效果等。实验指导教师在成绩评定的任务栏中可以查阅每个学生的实验报告的具体内容，从而给予相应的指导和修改，使学生构建的创新项目实验更加完善。

3.4成果转化

对于学生提交的实验报告，实验指导教师通过查阅资料，如果发现学生在虚拟实验室完成的实验项目立意新颖，前人很少涉猎，即可鼓励学生联系学院的科研教师，进入科研实验室。在教师的引导下进行实物实验，让学生能够将虚拟实验室设计的创新实验，转化为实验技术成果，参与大学生创新竞赛。教学与科研的有机结合，为拔尖人才的培养提供了重要支撑，让虚拟实验室成为培养学生研究能力和创新能力的良好平台。

4 结束语

分子生物学虚拟实验室的建设是分子生物学实验教学重要的组成部分，分子生物学虚拟实验教学资源使分子生物学的实验内容设置更加全面，实现了学生实验在时间和空间上的开放，为分子生物学实验室的开放共享提供了一种安全有效的形式。在培养学生的实践能力和创新精神，推动高校实验教学改革与创新的同时，也为实验中心建设国家级虚拟仿真实验教学中心奠定了实践基础。

[1]陈小红.虚拟实验室的研究现状及其发展趋势[J].中国现代教育装备，2010(17)：107-109．

[2]陈模舜，吕贤祎，毛晓翠，等. 虚拟植物生物学实验室教学实践研究[J].实验室科学， 2012，15(3)：43-45.

[3]沈洁，关国元，许云华. 植物组织培养虚拟实验室的构建[J].连云港师范高等专科学校学报，2011(3)：96-97.

[4]许卫明，吴军强，汪承焱.虚拟实验教学管理平台的研究与实现[J].福建电脑，2013(6)：69-70，130.

[5]陈晶，芮勇宇，王前，等.《临床微生物学检验》虚拟实验室的建设及应用[J].中国实验诊断学,2013, 17(3):601-603.

[6]孙铭娟, 王梁华, 黄才国, 等. 分子生物学虚拟实验教学软件的设计与应用探索[J].中国医学教育技术，2011，25(6)：283-285.

[7]汪晓筠，王毓洁，王建新，等. 生理学虚拟和真实实验有效结合的教学实践和体会[J].青海大学学报：自然科学版，2013, 31(1)：95-97.

[8]李兵,谷成,赵进东.Pfu酶基因的克隆、表达、纯化及长距离PCR 的研究[J].科学通报,1998,43(5)：527-532.

[9]陈萍，周会超，周虚. 构建虚拟仿真实验平台，探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2011，28(3)：277-280.

Establishment of Virtual Laboratory of Molecular Biology

WANG Tian，WANG Maolin，LIN Honghui

(Bioscience Experiment Teaching Center, School of Life Science, Sichuan University, Chengdu 610065,China)

The effective combination of virtual experiment teaching resources in molecular biology and laboratory teaching can break the limit of time and space to complete related experiment, promote teaching individuation, develop the innovation ability of students,stimulate interest in learning, realize the diversified development of teaching mode, play an important supporting role training innovative talents for the life science.

experiment teaching; virtual laboratory; molecular biology; innovation ability

2014-03-11；修改日期: 2014-12-23

国家自然基金委条件建设项目(J1210013)；国家自然基金委能力提高项目(J1103518)；高等学校本科教学质量与教学改革工程“专业综合改革”项目；四川大学2013年实验技术立项(2013-115)资助。

王 甜(1981-)，女，硕士，实验师，主要从事分子生物学实验教学工作。

C931.3；G482; G642.42

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.014

通信简介：林宏辉(1968 -)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事植物代谢工程及逆境分子生理领域研究工作。