虚拟仿真实验教学在分子生物学实验教学中的应用思考

姚庆收，秦加阳，张小华，赛思翔

（滨州医学院药学院，山东 烟台 264003）

大众创业，万众创新。国家政策的引领和创新创业教育的大力发展，使得众多地方高校在定位办学目标时以应用型人才培养为主，发展创新创业教育，服务本地经济发展兼顾外延拓展，为当地经济和社会发展输送优秀人才。应用型人才的培养离不开实验教学，有效的实验教学是学生巩固课堂知识、掌握基本实验操作技能，并在实验过程中观察、分析实验现象，得出科学合理结论的过程；更是不断培养分析并解决问题能力、提升创新能力的重要环节。分子生物学课程在生命科学相关专业课程体系中具有重要地位[1]，是近几十年传统生物学在分子水平上的创新和延伸，从分子水平揭示生命活动规律的学科。分子生物学课程不仅从分子水平上阐述了生物信息的传递规律和基因表达调控知识，还囊括了众多实验新技术。如何在教学过程中更好地传授分子生物学实验技术，让学生不仅掌握这些技术的原理和方法，还能在操作和应用过程中提高分析及解决问题能力，最终达到活学活用并探索新的分子生物学实验技术的目的，是很有意义的教学研究。

1 传统分子生物学实验教学

传统分子生物学实验教学在长时间发展过程中积累了丰富的经验，具有很多优点。如教师随堂指导，能够发现并及时解决问题；学生可以动手操作实验仪器，参与实验全过程，锻炼操作技能。但是，传统分子生物学实验教学也有其缺点，具体如下。

1.1 教学内容受限

传统实验教学由于受实验室条件、实验经费、学生人数和学时等因素的影响[2-3]，在教学内容选择上具有较大的局限性。在教学安排时，只能根据现有的实验条件进行教学内容取舍，往往只安排一些相对容易操作、在短时间内能够完成的实验，如动植物细胞DNA或RNA提取、质粒DNA提取、DNA酶切、PCR扩增、琼脂糖凝胶电泳、重组DNA转化、重组子筛选及鉴定和SDS-PAGE等实验。虽然学生有机会进行实验操作，但仅仅锻炼了基本的分子生物学实验操作，与熟练运用分子生物学实验技术的要求还有很大差距。而一些重要的实验技术，如实时定量PCR技术、酵母单杂交技术、酵母双杂交技术、Western-blot技术等相关的实验教学相对较少，而这些技术在学生后续学习或工作中都是常用的实验技术。因此，如何改变这种现状，拓展分子生物学实验教学内容，不再局限于最基本的实验技术，是值得思考的问题。

1.2 教学互动性差，学生参与度低

在实验过程中，受实验室条件限制，学生通常分小组进行实验，参与度不一致。学习积极性高的学生能够主动参与实验，并注意观察实验现象，遇到不懂的问题能及时与授课教师沟通；但也有部分学生参与度不高，在整个实验过程中处于游离状态。限于实验时间，授课教师不仅要负责实验讲解、实验指导，还要关注实验进程，及时解决学生提出的问题，不能全程跟踪每位学生。学生在实验过程中需要完成相关的实验项目，还要对实验进行分析总结，撰写实验报告，这导致学生没有时间认真思考实验，遇到问题也难于追根溯源，甚至有些学生的实验操作是错误的。部分学生为了上课而上课，走马观花，机械完成实验操作，不思考为什么这么操作、为什么这个实验会得到这种结果、这个实验是与哪些分子生物学理论相关联。所以整个实验过程流于形式，难以培养学生分析问题、解决问题能力以及创新思维，自然也不能起到实验课程应有的作用。

1.3 实验过程缺乏安全性

分子生物学实验中会用到较多有毒有害试剂，如二甲基亚砜、β-巯基乙醇、四甲基乙二胺等。由于学生实验操作水平有差异，对实验室安全的认知和防护能力也不同，势必会出现试剂应用不规范、操作不规范问题，进而造成实验室污染，也给使用者和接触者带来人身危害。同时，在实验过程中产生的废液、废弃物需要进行处理，造成实验费用的增加。因此，探究分子生物学实验教学改革，既能让学生真正锻炼实验操作技能，又能避免实验过程中出现的问题，提高实验教学质量至关重要。

2 分子生物学虚拟仿真实验教学的可行性

虚拟仿真实验教学是一种重要的实验辅助手段，借助多媒体和互联网，基于虚拟实验软件，逼真模拟实验过程，通过人机互动达到在虚拟网络平台上进行实验重现和学习的目的[4-5]。虚拟仿真实验教学具有传统分子生物学实验教学无可比拟的优势，在诸多方面弥补了传统实验教学的不足[6]。

2.1 便于师生互动，提高教学质量

虚拟仿真实验教学平台为师生互动提供了条件[7]。在平台上，学生能够按照实验课堂的要求，对所要进行的实验项目进行模拟。在模拟过程中，学生按照实验设计仔细操作每一个步骤，并对实验过程进行反复练习，对于不能掌握的实验步骤可以多次模拟，通过重复练习加深印象。教师可以在实验过程中针对操作步骤或涉及的实验原理设置不同的练习题，让学生进行解答，学生如果没有掌握实验操作技能或实验原理，则不能通过当前测试，无法进行下一阶段的学习。这种模拟教学不但能够加强学生对操作技能的掌握，加深印象，同时也将实验与理论相融合。平台可以记录学生的操作情况并统计分析，教师可以根据统计数据有针对性地对实验过程中出现的问题进行讲解甚至个别辅导，从而有效解决传统实验教学中师生互动较少的问题，加强对学生学习情况的了解，进而提高教学效果。

2.2 节约实验经费，便于实验内容的选择

分子生物学实验教学往往会根据专业人才培养目标和实验条件有针对性地选择实验教学内容，需要购买药品、耗材和实验仪器等，而且药品和耗材不具有可重复使用的特点，因此，每年都需要在实验教学方面投入大量经费。而虚拟仿真实验借助网络资源和编程软件，根据实验内容要求编辑出数量众多的实验项目，方便实验内容的选择，避免了一些实验因需要贵重仪器等原因而无法开展的情况。教学中涉及的实验技术都是成熟的分子生物学实验技术，编辑的实验项目软件可以在较长时间内使用，具有一定的持续性，可以节省大量实验经费。学生通过软件反复练习实验操作直至掌握，弥补了传统实验教学由于练习少导致学生“课上会课下忘”的缺陷。

2.3 提高实验教学的安全性

虚拟仿真实验教学基于网络和数据，逼真地模拟了实验过程。在教学过程中，只要具备实验室、计算机、网络和实验教学模拟软件等条件，就可以完成实验过程，不再需要真实的实验操作，也避免了对实验仪器和实验试剂等的依赖。同时，避免在实验操作过程中，由于操作不当损坏实验仪器、带来人身伤害和耽误实验开展等问题，或者由于试剂溅出、挥发等造成人身伤害或实验室污染，更避免了致病菌等有害生物带来的生物安全风险等，从而有效提高了实验教学的安全性。例如SDS-PAGE实验由于所用部分试剂容易挥发且对人体有害，在实验过程中不可避免地带来实验安全问题，而且该实验又与琼脂糖凝胶电泳实验有许多相似操作。通过虚拟仿真实验教学，不但避免了实验试剂的危害，还能让学生在虚拟仿真SDS-PAGE实验中与琼脂糖凝胶电泳实验进行比较，进一步掌握实验技术，提高教学质量。

3 展望

万事万物各有利弊，虽然传统实验教学受到实验仪器、实验经费、实验场地和实验安全等条件的限制，但传统实验教学也有虚拟仿真实验教学无法比拟的优势。传统实验教学由于直接在实验室操作，学生接触的是真实的实验仪器、实验试剂及耗材，与虚拟仿真的实验场景有着本质区别，仪器的可触摸感和可操作感是虚拟仿真操作无法替代的。有些实验感官刺激非常强烈，如颜色变化、沉淀生成和凝胶中有色条带的移动等，会给学生真切的感受；而虚拟仿真平台虽然也可以设置这些变化，但缺乏传统实验教学的真实感。因此根据实验室条件和教学内容，合理安排传统实验教学和虚拟仿真实验教学，使二者有机结合，相得益彰，从而有效提高分子生物学实验教学质量，是更科学更有效的教学方式。