虚实结合开展基因工程实验教学的探索与实践

张亚楠， 王 春， 朱秀云， 张兴旺， 吴晓敏

(淮北师范大学 生命科学学院， 淮北235000)

虚拟现实(virtual reality，VR)是多学科交叉融合形成的新兴技术领域，它以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实或者构想环境在视、听、触觉等方面高度近似的数字化环境，借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用，使用户产生亲临其境的感受和体验[1]。虚拟仿真实验教学利用虚拟仿真技术，将信息技术与实验教学深度融合，在高等教育实验教学中得到广泛应用，推进了实验教学信息化水平和教育教学质量的提升[2-3]。基于真实实验中内容抽象不利于学生理解、理论与实践不能良好互补、实验操作不具备系统性、教学管理与评价不具灵活性等的现实困难和问题，同时部分已有相关研究表明，虚拟仿真实验教学在高校实验教学中效果良好[4-5]，本教学团队在“功能基因的分子克隆与体外表达实验”开展中，利用学校省级生物工程虚拟仿真实验室开展虚拟仿真实验，结合现场实验教学，对虚实结合的基因工程实验教学模式进行探索和实践。

1 实验内容

1.1 昆虫触角组织总RNA提取及cDNA制备

提取昆虫触角总RNA，借助超微量分光光度计读取OD260和OD280的比值以判断是否合格，通过琼脂糖凝胶电泳判断总RNA是否完整。再利用反转录酶和12～18核苷酸长的oligo(dT)将RNA反转录为单链的cDNA。具体内容：(1)昆虫触角组织收取及处理；(2)触角总RNA的提取及检测；(3)单链cDNA模板的制备。

1.2 目的基因克隆与mRNA表达水平分析

设计PCR扩增的引物，对PCR反应体系进行配比操作，完成目的基因的PCR扩增，再利用琼脂糖凝胶电泳检测PCR扩增产物。实时荧光定量PCR技术分析目的基因mRNA的表达水平，具体内容：(1)设计定量PCR专用的特异性引物；(2)实时荧光定量PCR操作(以ABI7500为例)；(3)数据处理与分析。

1.3 重组蛋白表达载体的构建

使用内切酶BamH I对表达载体pET30a(+)进行单酶切，反应体系在37 ℃下金属浴10 min，80 ℃下10 min灭活，使用Wizard SV Gel and PCR Clean-up System PCR胶回收试剂盒对酶切产物和目的基因的PCR产物切胶回收。使用In-Fusion®HD Cloning Kit将目的基因与表达载体pET30a(+)进行连接，于微量离心管中制备连接反应体系，50 ℃反应15 min后立即置于冰上备用，将重组后的表达载体转入感受态菌株DH5α中，过夜培养；挑选单克隆菌落进行PCR验证。

1.4 重组蛋白的诱导表达与检测

将pET30a(+)-OBP表达质粒转入感受态菌株BL21(DE3)中。涂平板过夜培养后挑取单菌落进行PCR验证，验证成功的单菌落放于10 mL LB液体培养基(含Amp 50 μg/mL)中过夜培养，次日将上述培养后的菌液按照1%的体积比例接种于新鲜的LB液体培养基(含Amp 50 μg/mL)中，37 ℃下220 r/min振荡培养至细胞OD600=0.6时，加入异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG，终浓度为1 mmol/L)，28 ℃下200 r/min继续诱导培养并分别于1、3、5、6、7、9和11 h取样，采用 SDS-PAGE法筛选蛋白最佳诱导表达的时间。

通过电泳将相对分子质量不同的蛋白质分离，比对实验组和对照组中蛋白条带的差异，初步判断蛋白质是否表达及表达量。取诱导表达的菌液1 mL，8 000 r/min离心10 min，去除上清液。用80 μL 1×PBS缓冲液将沉淀悬浮(或80 μL破碎上清液或者纯化后蛋白液)，加入20 μL 5×SDS-PAGE上样缓冲液，混匀后于100 ℃处理10 min，取5 μL待测样本及蛋白质分子质量标准同时点样电泳。配制浓缩胶浓度为5%，分离胶浓度为15%。使用120 V恒压进行电泳，当溴酚蓝指示剂到达凝胶底部时停止电泳。电泳后凝胶于固定液中固定30～60 min，后用考马斯亮蓝R-250染色液进行染色40～60 min，然后用纯水加热脱色数次，至条带清晰无背景色。

本实验教学中学生首先进入虚仿实验室的“演示模式”观看所有实验内容的系统性操作，再借助真实实验室分阶段、分课时、分小组完成真实实验教学，最后进入虚仿实验室的“操作模式”进行系统性模拟操作。为了弥补真实实验不连续、不系统的缺陷，虚仿实验的演示观看和模拟操作环节都需完成实验所有操作内容。

2 虚实结合的实验流程

鉴于学校虚拟仿真实验平台暂未实现移动端网络访问功能，本研究借助“学习通”APP开展线上辅助教学，线下教学采取虚实结合的方式进行，整个实验过程及课后学生均可在线上进行自主学习和讨论交流，线下实验预习阶段主要学习使用虚拟仿真实验软件，观看虚拟仿真演示实验熟悉实验操作流程；实验进行阶段教师现场指导学生以2～3人为小组进行真实实验操作，以及独自进行虚拟仿真实验的系统化操作；实验总结阶段学生完成实验报告，并完成线上答题。

2.1 实验预习阶段

学生线上通过“学习通”APP进行自主预习，教师在平台上向学生推送学习资源，包括实验教材内容、课件、教师演示视频、试题等。并引导学生在规定时间内完成学习任务；教师通过查阅学生签到率、材料阅读反刍比、答题分数等获取学生预习效果的反馈，以充分掌握学情(图1)。线下预习在虚拟仿真实验室进行，教师借助教师端引导学生学习使用软件，观看操作演示、自主选择实验原理、实验目的、实验注意事项等内容的深度学习，并提交预习报告(图2)。教师可针对学情加强对学生的监督与引导。同时鼓励学生线上发送疑难问题，与同学、老师进行互动解决[6]。

(a)线上教学平台; (b)线上作业评价。图1 线上辅助教学情况Figure 1 Online assisted teaching platform

(a)虚拟仿真实验系统; (b)实时荧光定量PCR操作演示; (c)软件操作方法。图2 虚拟仿真实验系统线下辅助预习平台Figure 2 Virtual simulation experimental system offline assisted preview platform

2.2 实验进行阶段

现场实验操作过程中，由于受到学时限制，小组间几乎无互动交流，实验成功率低。实验失败后大多数学生难以及时找到失败的原因，实验过程借助“学习通”APP辅助教学，学生可在移动端无限制登录系统，对实验相关内容进行反复学习。如在操作中遗忘了相关操作技巧，可及时在移动端观看视频；在实验出现异常时可及时学习教师推送的异常分析，从而提高解决问题的效率。同时通过学生的线上提问与讨论，教师可帮助学生统一解决共性问题，实现信息多向交流，也有助于提高教学的针对性，能够激发学生自主学习和思考，实现学生的主体性，体现出教师对学生学习及时有效引导[7]。

2.2.1 现场实验

现场实验操作包括：(1)昆虫触角组织总RNA提取及cDNA制备，包括超微量分光光度计的使用、琼脂糖凝胶电泳和反转录操作；(2)目的基因PCR扩增、实时荧光定量PCR操作；(3)质粒提取与酶切；(4)构建蛋白表达载体；(5)重组蛋白诱导表达及SDS-PAGE操作。在现场实验操作中，教师结合学生的实验态度、实验操作准确性、实验结果、实验环境整洁度等对实验小组进行过程考核。

2.2.2 虚拟仿真实验

学生通过学生端进入虚仿实验系统进行实验流程的系统化操作(图3)。整个过程学生可及时了解操作的正误，并根据系统提示改正错误，教师随时监控学生操作的过程与成绩，由于虚仿实验操作时间短、效率高，教师可结合实际情况要求错误率高的学生进行重复性操作，实现全体学生共同完成的目标。现有虚仿实验平台可实现学生操作的及时评价，但还未实现实时推送思考题和测试等评价辅助功能，今后将通过校企合作开发完善。

(a)构建重组表达载体pET30a(+)-OBP; (b)电泳操作过程。图3 虚拟仿真实验操作界面Figure 3 Operation interface of virtual simulation experiment

2.3 实验总结阶段

学生在规定时间内线下完成实验报告，包括实验目的、原理、方法与步骤、现象与结果、误差分析、思考题。教师收集实验报告，重点考查学生分析问题、解决问题的能力，对较好体现综合应用能力和具有个人创新性观点的实验报告进行线上共享示范，向学生反馈学习效果评价。结合线上答题检测学生学习结果，并按照考核评价标准对学生成绩进行综合评定。

3 虚实结合的实验评价与效果

开展过程性教学评价是高校致力实践的重点任务之一[8]，实验教学的考核更要重视考核在教学全过程的指引作用[9]。结合虚拟实验与真实实验，借助“学习通”线上辅助教学评价，形成性评价与总结性评价相配合，从知识、能力、态度等多维度对学生进行综合评价，一定程度上可发挥学生的主观能动性，增强评价的指引作用，从而改变传统实验教学中评价方式单一、学生重结果而轻过程的状况。

3.1 虚实结合的实验评价方式

本实验的评价设计提高了过程性考核的分数权重，力求做到网络评价的高效性与教师评价动态性的互补，对学生的学习过程与结果进行综合评定，旨在落实以评促学的考核目标。具体评价方式见表1。

表1 功能基因的分子克隆与体外表达实验评价方式

3.2 虚实结合的实验教学效果

为了检验虚实结合开展基因工程实验教学的效果，在2017级生物工程专业的两个平行班分别实施两种不同的教学模式，即1班采用小组合作开展真实实验关键操作的传统教学模式，2班采用本文所设计的虚实结合的教学模式。由于两种教学模式的考核评价方式不统一，现只针对完全相同的实验报告和试题库答题进行成绩比较。实验结束后两个班学生同时撰写实验报告，密封个人信息后进行评阅，成绩按照相同标准进行评定，分值为100分；试题库答题由系统自动生成，满分100分。最后按照1∶1计算每名学生的实验报告和试题库答题平均分，并对两个班学生的成绩进行班级平均分和分数段分布进行统计(表2)。

表2 功能基因的分子克隆与体外表达实验学生成绩比较

从实验总结阶段评价学生的学习效果发现虚实结合的实验教学明显提高了班级平均分。数据分析发现实验班学生成绩在81～100分数段为57人，人数占比76%，对照班学生成绩在61～80分数段为55人，人数占比72.4%。即实验班大部分学生成绩在81分及以上，对照班则主要集中在61～80分数段，表明该教学模式能够有效提高班级学生的优良分数比率。结合实验班和对照班各自教学过程的差异，进一步分析实验班学生学习成绩提高的主要因素有：(1)在实验预习阶段，虚实结合的教学模式借助视频演示观看整个实验操作过程，与传统的利用实验教材预习相比，形式上具有直观性，更利于学生对内容的识记；日常教学中，发现考核分数段在61～70的学生学习态度上普遍积极性不高。本文采取的教学模式教师通过预习效果监控筛选出这部分学生进行跟踪指导，加强学习监督。从而在预习阶段做好充分准备。(2)虚拟仿真实验的多感官刺激更能引起学生的无意注意，也有助于有意注意的维持；各操作环节中反应进程的直观展示，增强了对知识的储存；由于时间利用的高效性，学生可自主进行重复操作与训练；虚仿实验操作中的成绩与线上的答题情况借助软件及时向学生反馈学习效果，有助于增强学生自主学习的能动性，线下虚仿实验与线上资源利用的可重复性为学生课后深度学习提供了便利，拓展了学习时空，从而增强学习成效。(3)虚实结合的教学模式在真实实验的操作中，学生可通过回忆虚仿实验操作过程，结合线上真实实验演示，进一步复习巩固了实验内容，通过学习实验常见错误，提高操作正确率，从而提高实验成功率。

学生是教学活动的主体，他们对教学的满意程度直接影响着教学效果，因此，在教学中应关注作为学习主体的学生对教学的评价[10-11]。实验结束后，通过问卷调查的方式(问卷调查链接：https://www.wjx.cn/vm/eVxL2Ol.aspx)了解授课对象对虚实结合的实验教学效果的满意度，即利用问卷星向2017级生物工程2班发送问卷75份，收回有效问卷75份，从A拓展学习时空、B实现资源共享、C提高学习兴趣、D增强信息交流、E及时反馈效果、F学习环境舒适、G锻炼学习能力、H体现学生主体和I评价方式多元这9个维度收集学生的反馈(表3)。结果表明，学生对本实验的教学模式探索的多个维度评价都有很高的满意度。

表3 虚实结合的实验教学学生满意度调查

4 虚实结合实验教学的优势

4.1 拓展时空，提高学生学习成效

虚仿实验不存在药品和试剂的毒性问题，环境比较安全，干净整洁的操作界面可获得良好的视觉美感体验。这些优势提高了学生的参与度。单纯的真实实验教学由于受到学时与实验条件的限制，学生的操作训练达不到实验要求。受限于现有实验室仪器设备数量和经费投入，实验难以实现系统性和重复性，小组合作与一次性实验导致部分学生没有操作机会，实验成功率低。虚实结合的教学模式实现了理论与实践的有效关联，虚仿实验及线上辅助教学将课堂内容延伸到课外；虚仿实验中省略了非关键操作的细节，没有了实验准备和等待的过程，提高学习效率；与教师的单向讲授相比，虚仿实验对教学内容的立体化呈现更易于学生接受和理解；因此虚实结合的教学模式有助于学生对知识的记忆，有助于激发和维持学生的注意、兴趣和动机，实验班大部分学生认为虚拟实验“拓展学习时空” “学习环境舒适”，通过学习成绩的比较在一定程度上也体现出该模式能提高学生学习成效。

4.2 整合资源，培养学生信息素养

实验班学生对教学模式的“实现资源共享”和“增强信息交流”维度具有较高的满意度。在虚仿实验中，学生可通过平台进行理论的系统学习，预习阶段线上学习实验演示视频，视频示范方式与老师在课堂进行示范相比，消除了由于空间限制或学生人数多而导致部分学生不能清晰观看整个过程的弊端。结合学校实验室条件，学生小组合作完成真实实验操作，充分利用虚实资源。通过线上学生与学生之间、以及学生与老师之间的互动交流，有助于学生获取必要信息，解决疑难问题，及时评价学生学习效果，基于虚仿实验实现多感官协同活动，增强学生信息获取能力[12]。在真实实验操作中进一步锻炼学生实践能力。因此，虚实结合的实验教学实现了虚实资源的共享，增强了信息交流。有助于培养学生获取信息、处理信息的能力。

4.3 以生为本，锻炼自主学习能力

实验班学生在“提高学习兴趣” “锻炼学习能力”和“体现学生主体”这3个维度具有较高的满意度，分析实验过程发现，虚仿实验能直观化展示微观变化的动态过程，实现了实验原理的具体化，实验过程的系统化和可视化，有效帮助学生理解抽象、微观的内容，线上辅助教学平台的信息呈现方式与学生获取资源方式的偏好相契合，能提高学生的学习兴趣。该教学模式在预习阶段，充分利用网络资源，鼓励学生自主学习；虚拟仿真实验操作不受课时限制，实现了学生的独立操作，弥补了真实实验中部分学生处于观摩状态的不足，在整个教学中学生可结合自己实际选择性地进行重复训练，体现了学生的主体性，增强了主体意识。有助于锻炼学生学习能力。

4.4 多元评价，实现以评促学目的

实验班绝大部分学生认为虚实结合的教学模式能够及时反馈学习效果，评价方式多元化。虚仿实验可随时向学生展示操作提醒，实时提示操作正误，实现动态的形成性评价，在操作后可生成操作成绩，线上答题能及时获得分数，学习效果反馈及时；该教学模式也有助于教师实时关注学生的学习进程、行为、能力和态度，过程性评价与终结性评价相结合，软件评价与教师评价相补充，有助于学生及时了解自己的学习效果，促进教学评的一体化，最终落实以评促学的评价目的。

5 虚拟仿真实验存在兼容性和开放性不足的问题

本文探索的虚实结合实验教学模式是基于我校基因工程实验室条件和虚拟仿真实验中心开展的，当前学校的虚拟仿真实验的共享范围仅限于校内，还未面向社会提供外网访问服务，暂不支持移动端，因此虚拟仿真实验教学的时空拓展受到一定限制。为适应不同使用场景和使用终端，更好地服务于学生，下一步将开发管理平台的兼容性，以实现在移动互联网环境下，能在多种操作系统的PC端和移动端运行，不受时间、地点、运行平台的限制，能兼容多种主流浏览器。并不断丰富课程资源以提供外网访问服务能力。实现资源开放共享。此外，在虚拟仿真实验中增加结合实验内容实时推送试题和抢答等的辅助评价的功能，将会进一步提高虚拟仿真实验中心对教学的服务能力。

6 结语

综上所述，基因工程虚拟仿真实验教学作为当前一种重要的实验辅助手段，可弥补传统实验教学中存在的不足。虚实结合的实验教学模式，可充分发挥虚仿实验的优势，实现实验理论的具体化、实验过程的直观化、实验流程的系统化、实验投入的经济化、评价方式的多元化，与真实实验结合增强理论与实践的关联，进而提高学生学习成效，培养学生的综合素养。限于学校当前的实验教学条件和教学内容长期以验证实验为主的现状，本文开展的实验为验证实验。为了实现基础知识学习与创新思维培养并重的人才培养目标，今后将基于虚仿实验的开放共享，逐渐开展创新实验。在引导学生进行创新实验过程中，为避免开展困难，教师可通过线上评价提前充分了解学情，并在教学设计中从学习方式和思维方式上提供逐渐过渡的机会。在新的教学模式下，教师作为学生学习的引导者，可从教学内容与学习目标制订、学习进展推进、学习过程监督与管理、试题设计与学习效果评价、技术支持等方面发挥教学的主导作用，服务于学生的学习；作为学生学习的帮助者，运用移动互联网的便捷性和高效性，遵循学生已知的不教、学生能自主学会的不教的原则，可增强教学的针对性和目的性。