基于虚拟仿真技术的高校分子生物学实验教学改革

冯尚国 卢江杰 王慧中

摘要：本文通过探讨传统分子生物学实验教学存在的问题，提出将虚拟仿真技术引入分子实验教学改革的必要性。将虚拟仿真实验与实际实验操作有机结合，充分发挥各自教学模式的优势，丰富教学内容和方式，充分调动学生学习的积极性，提高实验教学质量。

关键词：虚拟仿真；分子生物学；实验教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）19-0107-02

一、引言

近年来，分子生物学进入发展的快车道，许多先进技术相继出现，分子生物学的理论知识已渗透到生物学的诸多领域。由于分子生物学具有微观性和抽象性的特点，在教学过程中须通过实验操作来形象地展示其理论和技术，所以分子实验在该课程教学中具有非常重要的地位[1]。随着计算机、互联网的发展，虚拟仿真技术开始崛起，它是一种人工模拟三维仿真环境的综合性集成技术。由于操作简便、安全性高、成本低及场景逼真生动等优点，虚拟仿真实验已逐步渗透入高校的实验教学。至2013年以来，国家教育部便积极开展了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作[2]。如何将虚拟仿真技术引入分子生物学实验教学，完善现有实验教学的不足，提高学生的积极性和创新能力，增强实验教学效果，已成为高校急需解决的教学课题。

二、传统分子生物学实验教学存在的问题

1.教学内容陈旧。目前，许多分子实验教学内容与前沿分子生物学发展结合性不紧密。陈旧的教学内容让学生失去了学习的兴趣。另外，由于分子生物学实验会用到一些具有危险性的化学试剂和药品，为了学生安全考虑，教师往往选择一些安全性高、容易操作的实验内容。这样容易使学生得不到锻炼，造成教学内容陈旧、资源匮乏。

2.教学方法单一。传统教学方式比较单一，往往是教师逐一讲解实验目的、实验原理、实验方法及实验步骤等。学生只需在课堂上完成相应实验操作，上交实验报告。这种教学方式看似降低了实验操作错误率，提高了教学效率，但是学生主动思考的机会少，容易形成惰性和依赖性，对教学内容只知其然而不知其所以然。

3.成本投入大。随着分子生物学的发展，实验教学涉及的仪器也更加先进昂贵。许多高校在这方面的资金投入不足，无法采购先进高端的实验仪器，相应的分子生物学实验课无法开展，学生因此无法接触到最前沿的分子生物学技术，严重影响了实验教学效果。

4.学生动手能力弱。由于时间限制，教师须在上课前完成材料准备、试剂配制及仪器调试等工作。学生只需按实验步骤将事先准备的试剂按比例添加即可。学生只是在简单地模仿实验部分操作，并没有参与整个实验的操作过程，这会造成学生动手能力差，当遇到问题时无法找到根源所在。

5.受时空限制大。由于教室资源有限，课堂上无法允许每个学生独立进行实验。通常情况下，2—4个学生一组开展实验，这样无法保证每个学生都能动手进行操作。另外，由于课时限制，实验内容只能有选择地进行授课，这会让学生有接触更多分子生物学技术的机会。

三、虚拟仿真实验的优势及在分子实验教学中的应用

1.降低实验危险性。有些分子生物学实验会涉及有毒有害的化学试剂，如果操作不当，容易发生实验安全事故。例如，在DNA提取中会涉及易制毒化学试剂三氯甲烷，这种试剂易燃助燃且易制毒，受公安部门管制，琼脂糖凝胶电泳中涉及具有致癌性的溴化乙锭，蛋白质提取中涉及易制毒易制爆试剂丙酮等。虚拟仿真实验授课不但不用接触危险性化学试剂，还可以通过直观的虚拟仿真实验，对危险化学试剂的操作和使用有更为准确的认识。因此，虚拟仿真实验教学可以降低实验的危险性，同时提高学生的实验理解能力。

2.可视微观性实验。分子生物学实验原理比较抽象，内容非常微观，用到的试剂量非常少。例如，DNA用量以纳克计算，PCR反应的试剂以微升计算。另外，一些实验反应过程是肉眼看不见的。例如，PCR反应中DNA是如何变性、复性和延伸的？DNA重组子的构建实验中，目的DNA片段是如何连接到载体DNA上的？这些都是肉眼看不到的。只有整个实验完成后，通过电泳检测才能判断实验成功与否。为了更为直观地展示实验反应过程或实验原理，我们可以采用虚拟仿真实验进行教学，使之与传统实验操作相结合，不仅可以丰富教学手段，激发学生的学习兴趣，提高学习主动性，还可以使学生对实验原理有更深刻的认识，最终熟练掌握和运用所学的分子生物学知识[3]。

3.缩短实验周期。有些分子实验周期较长，学生在课堂上很难完成。例如Southern杂交，其实验包括基因组DNA制备、DNA限制酶切、DNA消化产物的琼脂糖凝胶电泳、DNA转移、探针标记、杂交和洗膜检测等步骤，每一步都需要很长时间，整个实验过程需要两天甚至几天的时间。虚拟仿真实验则可以避免此类问题的发生。教师可以将这类周期性长的实验设计成虚拟实验，不但可以减少实验等待时间，使实验过程变得清晰紧凑，还可以让学生在实际实验操作过程中有的放矢，进而提高实验教学效率[3]。

4.降低实验成本。有些分子生物学实验会涉及价格昂贵的化学试剂或大型仪器。例如，RT-PCR实验要用到价格很贵的反转录试剂盒，荧光定量PCR实验要用到价格不菲的荧光定量PCR仪。虚拟仿真实验则不需要采购这些价格昂贵的化学试剂和大型仪器，在虚拟实验中，不但可以保证学生接触更先进的分子生物学技术，增加更为丰富的教学资源，还可以大大降低实验资金投入。

5.打破空间限制。虚拟仿真实验不受空间限制，只要有移动终端，学生就可以随时随地进入虚拟仿真实验平台开始实验操作，每位学生都有动手进行实验操作的机会。同时，虚拟仿真实验允许学生多次进行平台重复实验操作，这样既可以加深学生对分子生物学实验的理解，也可以提高学生的创新能力。

6.丰富考核方式。传统分子实验考核方式是学生提交实验报告，最终成绩由考勤率、实验操作表现和实验报告成绩构成。这种考核方式过于单一，不利于学生积极性和创造性的提高，且容易造成学生机械性地完成或相互抄袭实验报告，严重影响实验教学效果。而虚拟仿真实验中的考核方式更具多样化和生动化，教师事先设置好相应的“知识障碍”，学生设法解除“知识障碍”，并成功完成实验项目后才获得相应的成绩[4]。这种考核方式可以激发学生接受考核的积极性，减少抄袭实验报告的现象，进而提高实验教学效果。

四、结束语

分子生物学实验是高校生物专业学生必修重要课程之一。将虚拟仿真技术引入分子生物学实验教学，不但可以提高学生学习的主动性，加深对分子生物学知识的理解，提高创新能力，而且可以密切联系实际，丰富教学内容和方式，降低教学成本投入，提高教学质量。当然，实验教学中不能放松实际动手操作能力的培养，一定要采取虚拟仿真与实际操作相结合的实验教学模式，只有这样才能更好地提高教学效果，培养出更多的创新性人才。

参考文献：

[1]王慧中.分子生物學实验指南[M].北京：中国农业科学技术出版社，2009.

[2]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，（11）：5-8.

[3]张任平.基于虚拟仿真实验室的创新性实验教学改革探索[J].教育教学论坛，2017，（11）：273-274.

[4]鲁明芳，陈大伟，何博雅.基于虚拟仿真平台的电气工程实验教学改革研究[J].课程教育研究，2016，（16）：251-252.