医学研究生分子生物学虚实结合实验教学初探

周先果，罗 育

(1广西医科大学附属肿瘤医院实验研究部， 南宁 530021； 2广西医科大学基础医学院生物化学与分子生物学教研室； △通讯作者)

分子生物学实验技术是推动生命科学发展的关键技术[1]。因此，分子生物学实验教学对于医学研究生科研能力培养至关重要。然而，目前我国研究生实验教学普遍存在以下问题：①研究生持续扩招。据国家统计局2022年2月发布的《中华人民共和国2021年国民经济和社会发展统计公报》显示，我国2021年研究生招生人数为117.7万，较2020年的110.6万人增长了7.1万，增幅为6.42%。据统计，我国近十年研究生平均扩招增幅在7%左右[2]。②实验平台和师资等资源相对不足。实验平台建设难以跟上研究生人数的扩张速度，实验教学师资与研究生比例失调。③传统实验教学存在诸多弊端，例如，教学模式固化，实验项目单调，实验内容过于陈旧等[3]。以上因素在一定程度上制约了研究生科研素质的培养。因此，我国的研究生实验教学条件有待改善，教学模式亟须深度变革。

随着人工智能、虚拟现实和多媒体等技术的发展，产生了大量以电子学习为目的的数字交互学习资源，其中虚拟仿真实验被广泛地运用在实践教学中。虚拟仿真实验为学习者提供了一个具有高质量学习资源的开放平台，以进行研究型学习、自主实验和创新实践。它提高了人才培养质量，为实践教学和实验室建设的改革注入新活力。目前，虚拟仿真实验也开始被我国教育中心重视起来，而且它在普通高等学校本科生实验教学中占比也越来越高。然而，研究生与本科生的实验教学目标并不完全一样，不能简单地套用。因此，合理运用虚拟仿真实验，对研究生科研素质培养具有非常重要的意义。本文以医学研究生分子生物学实验教学课程为例，对虚实结合实验教学模式进行探讨，提出切实可行的实验教学方案，为提升医学研究生分子生物学实验教学质量提供参考。

1 我国虚拟仿真实验项目的建设情况

虚拟仿真实验是借助于网络技术、计算机技术、虚拟仿真技术和人工智能技术等，构建虚拟实验场景、实验内容和操作对象的实验平台，使学生通过人机交互的方式，可以像在真实环境中一样完成各种实验项目。它是现代信息技术与教育的深度融合，是教育信息化的产物。它极大地促进教学模式的改革，丰富教学手段，提升教学质量。2017年，我国教育部下发的《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》明确提出在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作。2018年，教育部在发布的《教育部关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》中首次提出金课概念，同时也将虚拟仿真实验项目列为五大金课之一。自此，国内各大高校掀起了虚拟仿真实验教学课程建设的热潮。

我们从国家虚拟仿真实验教学课程共享平台网站(http://www.ilab-x.com/)查阅到的最新信息显示，自2017年以来，我国的虚拟仿真实验项目建设已经覆盖经济学、法学、教育学、文学、历史学、理学、工学、农学、医学、管理学和艺术学等12个学科大类，61个学科类别。截至2021年底，在iLAB平台上申报的虚拟仿真教学实验项目共3 250项，其中728项已通过国家认定。在所有学科类别虚拟仿真实验项目数量排名中，基础医学类以124项位列第四(前三名依次为：管理类221项，机械类175项，艺术学类169项)。这说明虚拟仿真实验在基础医学教学领域也得到广泛应用。

2 虚拟仿真实验与传统实验的特征

传统实验的特征：①实验室需要有足够大面积的场地和耐腐蚀的实验桌以及生物安全措施，配置实验所需的各种仪器，会用到各种危险性化学试剂。②实验项目少。由于仪器和试剂成本限制，导致很多实验项目无法开展。③实验时长较长，而且在实验过程可能出现各种差错等。④实验项目更新慢。因为传统实验的开展需要综合考虑各方面的因素(如场地、仪器和成本等)，所以导致实验项目的更新速度较慢。

虚拟仿真实验的特征：①虚拟仿真实验不需要“物理的”实验室和昂贵的仪器，也没有用到危险化学品。②虚拟仿真实验对实验成本没有限制。③实验人员不需要为使用临床标本或者传染性病原微生物，而担心伦理及生物危害等问题。虚拟仿真实验室非常“宽容”。④虚拟反应是即时的，学生不必排队等待使用仪器，例如PCR仪等。⑤实验项目更新快。⑥虚拟仿真实验可以打破时间和空间的限制，使学生随时随地进行学习[4]。

3 虚实结合实验教学模式的优势

尽管虚拟仿真实验在实验教学中占比逐渐增多，然而大多数教育者依然认为“学生在虚拟仿真实验操作中没有体验到实际操作感受，它是不可能完全代替传统实验室实验的”。因此，根据当前我国研究生实验教学条件和虚拟仿真实验建设情况，在研究生实验教学中采用虚实结合实验教学模式受到一致认可。它具有如下优势。

虚实结合的实验教学模式既能规范学生的基本实验操作，又能提供更多实验操作机会，有利于研究生实验操作技能的提升。传统实验教学往往因为实验时长和实验条件限制，一门实验课最多只能开展4-5个实验。而且由于学生多，还要以小组为单位进行，致使实验操作机会少，难以满足研究生实验技能的培养要求。虚实结合教学模式借助虚拟仿真实验强大容量的优势弥补了传统实验教学学生容量不足的缺陷。学生可以在虚拟仿真实验平台中进行反复练习，从而加强对技能操作的肌肉记忆，有利于提高研究生的操作技能。

虚实结合实验教学模式既能保证经典实验得以传授，又能与时俱进，及时更新实验项目，有利于研究生科研创新思维的培养。传统实验教学课程设置比较单一，实验项目更新慢，远远跟不上当前科技更新迭代的速度，难以培养出具有创新能力的研究生。虚实结合实验教学模式借助虚拟仿真实验巨大灵活性优势，可以随时添加各种前沿技术。学生通过学习当前最热门实验技术，可以开阔视野、拓宽知识面，有利于促进研究生科研创新思维的培养。

虚实结合实验教学模式既能丰富实验教学手段，又能增加学生的求知欲和参与欲，有利于研究生自主学习能力的养成。虚实结合教学模式在很大程度上丰富了教师的实验教学手段。同时，虚拟仿真实验教学通过视觉、声音等构建的虚拟环境给学生身临其境的真实感。在逼真的虚拟环境中进行沉浸式、交互式学习，有利于学生更专注地学习实验技能。学生将虚拟仿真实验描述为“奇妙的实验室之旅”。

4 虚实结合分子生物学实验教学设计

根据新医科背景下培养高科研素质医学研究生的目标，在研究生分子生物学实验教学中我们采用实验室实验教学与虚拟仿真实验教学相结合的教学模式，即虚实结合分子生物学实验教学模式，并且始终秉持“实验室实验教学主要侧重于规范研究生的基本实验操作，虚拟仿真实验教学主要侧重于研究生的创新思维培养”的理念对该模式下实验课程进行合理设置。我们以吴耀生编著的《医学生物化学与分子生物学实验指南》(人民卫生出版社,2007年)为参考，结合医学研究生科研素质培养的要求，浅谈虚实结合教学模式在医学研究生分子生物学实验课中的教学设计。

4.1 实验室实验教学设计

由于在虚实结合教学模式中我们将实验室实验教学定位为起到规范研究生基本实验操作的作用，所以这部分课程主要包含基本实验技术和经典小实验等，例如，全血DNA的提取与鉴定、质粒DNA的提取、转化及筛选、RNA电泳及Northern Blot、逆转录PCR(RT-PCR)、表达载体的构建及转化和PCR-限制性片段长度多态性分析(PCR-RFLP)等实验。

实验室实验教学具体实施设计：①实验预习检查：教师提前布置实验项目内容，课前抽查学生预习情况。②多媒体讲授实验原理：教师针对实验原理和实验步骤进行多媒体讲解。③视频演示和教师亲自示范：教师针对实验的关键步骤进行视频演示，或真人示范。④学生操作和实验报告：学生根据实验流程进行实验操作，在此过程中教师进行指导。学生完成实验操作之后，需要书写实验报告。⑤实验报告批改和答疑：教师对学生的实验报告进行批改，并进行答疑。

4.2 虚拟仿真实验教学设计

研究生在掌握基本实验技术后，需要强化科研创新思维能力。而虚拟仿真实验平台因其独特的优势，势必在研究生科研创新思维培养方面起到重要作用。因此，我们将虚拟仿真实验教学定位为研究生的科研创新思维培养教学。该部分课程主要包含分子生物学前沿技术、复杂性疾病的分子诊断技术和综合型实验等，例如，双荧光素酶报告基因实验、CRISPR/Cas9技术的原理及应用、RNA结合蛋白免疫沉淀(RIP)、染色质免疫沉淀(ChIP)、染色体构想捕获(3C)、p53突变热点检测、α地中海贫血点突变的检测和血清γ-球蛋白的提取及鉴定等实验。

虚拟仿真实验教学具体实施设计：①实验预习模块：课前学生通过虚拟仿真系统进行预习。预习的内容包括实验原理、仪器介绍、实验内容和演示视频等。教师可以在线掌握学生的实验预习情况。②虚拟仿真实验：学生在“实验模式”下按照实验流程进行实验仿真操作。③完成练习题及测试题：学生完成虚拟仿真实验操作后，需要完成系统提供的练习题及测试题。④系统评分：学生在虚拟仿真实验中的操作由系统自动对整个过程进行评分。

5 虚实结合实验教学模式的注意点

5.1 虚实实验项目设置要科学合理

研究生的分子生物学实验教学与本科生略有不同，本科生着重于促进学生对书本理论知识的理解，而研究生着重于提升实验操作能力和科研创新思维的培养。很显然，研究生的实验教学要求更高。因此，实施虚实结合实验教学模式时，实验室实验与虚拟仿真实验项目设置必须科学合理。实验室实验项目应当设置一些基础性的实验，而虚拟仿真实验可以设置一些高阶的实验。两者比例需要根据实际教学学时进行合理搭配，从而实现优势互补，作用最大化。

5.2 教学效果评价和意见反馈

对于学生在虚拟仿真实验中操作过于“随意”(如随意点击虚拟仿真场景中各种元素，随意调节各种实验参数等)，部分教师认为虚拟仿真实验教学过于儿戏。由此说明在虚拟仿真实验教学中也离不开教师的正确引导。对于虚实结合实验教学的效果评价，教师可以根据调查问卷、实验报告、测试题完成情况以及学生反馈意见等对其进行综合评价，从而更有针对性地改进教学。

虚实结合实验教学模式充分整合实验室实验和虚拟仿真实验的优势，实现两者的优势互补，有助于规避两者的缺陷。同时，虚拟仿真技术的快速发展以及虚拟仿真实验的大量应用无疑巨大地推动了研究生实验教学的改革。虚实结合的分子生物学实验教学模式让实验教学形式更具有吸引力，实验教学内容更加丰富多彩，为研究生提供更多实验操作机会，从而提高了研究生的实验技能和培养了研究生的科研创新思维。这种实验教学模式能更好地培养研究生的科研兴趣，促进学生自主学习，也提高了医学研究生分子生物学实验教学质量。因此，虚实结合的分子生物学实验教学模式是新医科背景下理想的医学研究生实验教学模式。