虚实结合的混合式生物化学实验教学模式改革与探索

何谋海，陈 哲，廖小立

(湖南交通工程学院 护理学院，湖南 衡阳 421009)

1 引言

“新时代高教40条”中提出推进现代信息技术与教育教学深度融合，大力建设虚拟仿真实验，《教育信息化2.0行动计划》中提出加强高等学校虚拟仿真实训教学环境建设，5G网络技术的快速发展加快了教育教学的创新和变革，在此背景下虚拟仿真教学实验成为实验教学改革的发展方向。生物化学是从分子的水平研究生命现象本质规律的课程，是医学知识的基础。开展实验是培养学生更好地理解和应用理论知识的重要途径，是应用型人才培养的要求。虚拟仿真实验具有开放、直观、安全等特点，是对传统实验教学模式的创新，在生物化学实验教学中引入虚拟仿真实验，将课程教育与现代信息技术有机结合，辅助传统实验教学，构建虚实结合的混合式生物化学实验教学模式，全面提高学生的专业技能和创新精神，开阔学生视野，提高学生自主学习和创新能力。

2 传统实验教学的现状

生物化学传统实验教学存在诸多问题：一是实验室资源的短缺制约了相关实验的开展。许多大型仪器价格昂贵，而且购买之后又没有经常使用导致资源闲置，购买少量设备也不能满足众多学生的需求，导致有些实验开支较为困难；二是有关药品和设备的安全隐患成为传统实验的开展的瓶颈，生化实验中经常使用一些有毒的或有腐蚀性的试剂，如核酸染料溴化乙锭，长期接触对人体具有致癌作用，对学生的安全和健康构成威胁，实验产生的废弃物对环境造成污染；三是实体实验很多操作需要占用较长的时间，如在水浴锅中水解多糖过程等待的耗时较长，而且实验步骤环环相扣，其中一个步骤出错就导致后续试验中断，学生没有时间重新再做，实验课的效果不佳；四是实体实验通常采用分小组进行实验，学生分工合作只承担其中的部分实验，或者由组长负责其他成员协助，学生不能做到全程操作整个实验，不能保证每个学生得到锻炼；五是生物化学实验技术更新迅速，传统生化实验教学的更新跟不上了当代生物技术爆发的节奏。

3 虚拟仿真实验教学模式的特点

生物化学实验教学目的在于深化学生对知识的理解，培养学生实验技能、创新能力和科研意识。实体实验操作过程确实培养了学生的实操能力，但受到实验设备条件的限制等诸多因素的影响，实验效果不够理想。虚拟仿真实验把教学内容、虚拟设备和实验对象有机融合，创造一个仿真环境，以计算机和网络为载体辅助传统实体实验操作各环节，摆脱场地、课时、实验条件的限制，具有自身的特点和优势。

3.1 虚实结合，优势互补

虚拟仿真实验模仿真实实验室环境，学生登录后可以体验到实验室场景，主界面的右上方设有药品试剂、实验仪器和实验步骤的工具栏，学生可以按照实验的步骤并从中选择本实验项目所需的试剂和仪器。为了让学生了解本实验的原理、目的及容易出现的常见问题，在界面左上方设有帮助栏，如果忘记该怎样操作，则点击帮助按钮，平台会显示下一步操作的内容。界面的下方设有提示对话框，系统还可根据学生所选取实验中的虚拟仪器、试剂等操作作出提示，如果操作不正确则不能完成相应操作。应用虚拟仿真实验平台开展虚拟实验，结合实体实验操作，可以使学生深刻地掌握和巩固课程内容，达到融会贯通。一些在实验室较难开展的大型综合性实验，也可通过虚拟实验完成，以虚补实、虚实结合，促进生物化学实验教学质量的提高。另外，还可以在虚拟仿真实验平台上向学生演示SDS-PAGE电泳、Southern杂交等前沿实验内容，增强学生对科技前沿的兴趣[1]。

3.2 学习自主，积极灵活

在开展线下实体实验之前，学生在线上自主学习，熟练实验操作的原理、方法和步骤，为完成实体实验奠定基础。尤其在社会突发危机事件的影响下，线上虚拟仿真可实现远程实验教学，做到停学不停课。传统生化实验教学主要是以教师为主导的教学，学生在规定的时间内要完成既定的实验步骤操作，不利于主观能动性与创造性的培养。由于教师少、学生多，实验仪器的操作细节又非常多，学生使用这些仪器时容易操作不标准，影响实验的结果。如对于使用微量加样枪，使用后要将其调回最大量程，对使用移液管前要观察移液管标记、刻度标线位置、准确度等级等，吸液时手持移液管的姿势、放液前要正确调节液面等细节，会造成较大的误差甚至关系到实验的成败[2]。学生通过在虚拟仿真实验教学平台的开放式学习和反复实践，基本实验技能可以更好地强化，为实体实验奠定扎实基础。仿真实验教学平台营造了一个过程可视的全新虚拟实验教学环境，平台支持在各种操作系统下的平板电脑、PC机上运行，可以全天候开放，学生课后随时随地进行虚拟实验操作，打破传统实验时间空间的限制，实现全方位全过程育人，充分体现“实验室无处不在”的理念。

3.3 操作安全，节约成本

线下实体生化实验存在以下问题：①实验试剂消耗量大，重复利用率低；②开展生物化学实验难免会使用到剧毒性的化学试剂，如果接触或者泄露，将会对人体健康和生态环境构成威胁，如在冻存细胞时使用的二甲基亚砜能导致蛋白质变性，具有血管毒性和肝肾毒性；③生物安全问题和昂贵的实验教学成本，制约着一些高校生物化学实验教学的开出。大型仪器设备购置、运行、维护费用开销大而实验教学经费不足，采用虚拟仿真技术可以避开这些问题，为学生搭建起一个无风险、低成本、可调控的实验技能训练平台，创新生物化学实验教学的模式。

4 虚拟仿真实验的设计举例

4.1 贵重精密仪器的虚拟仿真实验

虚拟仿真贵重精密仪器的实验教学，确保每位学生的实验机会，保障实验参与度。生物化学实验中使用的仪器较多，其中有些高端精密仪器设备价格昂贵，数量较少，不能满足每个学生亲自操作，为保障实验教学的质量，让每个学生实验技能都能得到提升，利用虚拟仿真技术对贵重真实仪器进行全方位立体模拟，学生可以全方位观察并能自由操控。以PCR仪的虚拟仿真为例，基因测序、克隆、基因分型、基因表达分析等分子生物学研究的都需使用PCR仪。为了提升学生熟练掌握PCR仪器的操作能力，齐鲁工业大学生物工程学院对PCR仪器进行了虚拟仿真模拟[3]，在学校数字网页为平台上，通过全方位模拟真实操作过程，学生随时随地对仪器实施模拟操作，包括仪器的开关、样品的放入、PCR参数的设置、PCR仪的运行及反应结束后样品的取出等，实现了学生与仪器使用之间的交互，进一步提高对PCR技术的认知。

4.2 复杂生化实验的虚拟实验的设计

虚拟仿真开展操作复杂的生化实验，解决一些实验开出难的问题，确保实验开出率。酶联免疫吸附法是在免疫酶技术的基础上发展起来的一种新型的免疫测定技术，已成为必须掌握的生物实验技术。本科教学中该实验项目课时要求8学时，耗时长、步骤多、过程不可逆，从实验试剂和仪器设备的准备到实验过程中酶标板的包被、洗板、封闭都需要由实验教师完成，学生主要完成后续的操作。完整地完成整个实验过程需要2 d以上，期间还不能出任何差错。针对酶联免疫吸附法实验的实验技术无法反复操练、实验样本获取困难、成本较高、教学效率低等问题，北京理工大学生命学院自主研发了肿瘤坏死因子的酶联免疫吸附法定量检测综合实验项目的虚拟仿真实验教学软件并应用于实验教学[4]，满足了学生素质培养的要求。采用虚拟仿真实验教学软件，学生可以完成全部实验步骤，解决学生在传统实验室规定课时内难以完成的问题，并可反复学习，直到完整掌握全套实验技术与技能。

5 虚拟仿真实验的短板

虚拟仿真实验教学弥补了传统实验的的不足，但同时要认识到虚拟仿真实验教学的短板，必须把握好虚实结合的度。在开展虚拟仿真实验中，学生仅仅在电脑进行模拟实验，没有真正操作仪器设备，实际动手能力没有得到锻炼，同时虚拟仿真实验的操作步骤已经程序化，其实验结果也是理想的结果，虚拟仿真实验没有产生真实的实验数据，然而实际实验中会遇到各种影响因素，产生不同的实验现象，甚至可能会失败，不利于学生对实际问题分析，学生对实验有创新的设计也不能实现。故虚拟仿真实验教学要坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，实体实验室里能开出的实验项目优先采用实体实验教学，切实锻炼学生的实操能力。故必须要在坚持“能实不虚”的基础上构建和推行虚拟仿真实验教学项目，不能片面追求实验教学的信息化、虚拟化。要充分利用两者之间的优势，扬长避短，构建虚拟仿真与实体实验相结合的实验教学模式，才能更好地共同促进实验教学质量的提高。

6 结语

虚拟仿真实验教学成为信息时代学生获取知识的重要方式，线上虚拟实验与线下实体实验相结合也是当前高等教育改革的一个趋势，促进教育教学模式的多元化发展。如何高效地利用虚拟仿真实验的优势提高实验教学效果，要从教材选取、教学模块设计、虚拟实验平台模块设计、教学反馈设计等多方面进行分析，不断整合优化课程资源，这还需要不断的探索和积累教学经验。总之，线上虚拟仿真平台与线下实体实验的结合，提高了学生实验的参与度，深化了对知识的掌握，而且通过虚拟仿真实验，把最新的前沿知识传递给学生，提高了实验教学质量，学生的自主学习和创新能力得到了提升。