生物化学综合性虚拟仿真实验建设与教学探索

史 影， 王伟伟， 周耐明， 霍颖异， 应颖慧， 吴 敏

（浙江大学a.生命科学学院；b.生物学国家级实验教学示范中心，杭州 310058）

0 引 言

虚拟仿真实验具有不受时间、空间及实验条件制约，能多次重复实验并便于共享推广的优点，作为线上实验教学项目，成为目前实验教学一个新的发展方向［1-4］。目前所建设的虚拟仿真实验项目往往是一个教学实验项目，时长2 ～4 学时，一般独立开展实验教学，有的也融入某门课程中，成为课程体系中的一环。作为优质稀有线上实验教学资源，探索虚拟仿真实验与线上线下课程的融合机制，有助于促进线上线下“金课”建设，提升教学效果。同时多途径探索虚拟仿真项目与多门课程的有效融合等问题有助于虚拟仿真实验项目的拓展应用和最大程度地发挥育人成效。

我校建设的“G蛋白偶联受体FPR1（甲酰肽受体1）全基因克隆、真核表达和功能测定虚拟仿真实验”以虚拟仿真的方式，按研究型思路，全线模拟了G 蛋白偶联受体FPR1 从头克隆、真核表达及功能研究的整个过程，涉及生物信息学、分子生物学、细胞生物学和生物化学多个领域的研究方法和技术。该综合性虚拟仿真实验与高级生物化学实体实验课程进行了虚实结合教学，同时辅助生物化学、遗传学、基因工程和细胞生物学等实验课程，促进学生综合性实验技能的掌握和研究型思路的培养。

1 综合性虚拟仿真实验建设

1.1 实验设计与框架

G 蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors，GPCR）是最大最多样化的细胞膜蛋白家族之一，广泛存在于从真菌到哺乳动物的生命体中。GPCR 通过接收胞外信号发挥作用，包括光、气味、离子、激素、趋化因子、神经递质、神经肽和蛋白质等。GPCR 和配体结合后经历构象变化，与细胞内的G 蛋白偶联，启动下游复杂的信号途径，实现对生物体的功能调控［5-7］。GPCR调节广泛的关键生理功能，包括神经传递、血压、心脏活动、血管完整性、组织损伤后止血、葡萄糖和脂质代谢、感觉知觉、内分泌和外分泌腺功能的调节、免疫反应、多种发育过程以及干细胞的功能和维持等。因此GPCR一直是生物学研究热点及研发新药的靶标。近年来有多个独特的GPCR和配体复合体的晶体结构获得解析，这些发现为药物研发和设计奠定了基础［8-9］。因此有关GPCR的学习，有助于学生了解蛋白质结构与功能、细胞信号转导、疾病及药物研发等领域的基础知识及科学前沿。

本项目选择了G蛋白偶联受体FPR1 作为实验研究对象。FPR1 又是趋化物质受体，在炎症反应免疫细胞趋化过程中起重要作用。整个虚拟仿真实验从FPR1 的基因分析及全基因克隆开始，获得全长人源FPR1 基因，并克隆到真核表达载体中。然后将FPR1基因转染到细胞中，用荧光蛋白标签技术，对FPR1 蛋白的定位及内吞运动进行实验分析，并对FPR1 介导的细胞趋化作用进行实验测定。在此基础上，引导学生线上线下进行实验设计，对FPR1 的功能进行更深入研究。整个实验跨度长、复原性高、呈现了蛋白质功能研究的基本思路。

整个虚拟仿真实验包括实验背景介绍、实验和互动3 大模块。实验模块中又分解成实验目的、实验原理和实验操作3 部分。互动模块穿插在实验模块中，以操作提示、试剂说明、实验方案思考、实验考核以及课后巩固等多种形式呈现（见图1）。

图1 虚拟仿真实验框架

1.2 实验建设特色

（1）大跨度综合性实验设计。本实验首先提出

FPR1 功能研究命题，然后从源头——基因分析开始，通过基因克隆获得人源FPR1 基因，再进行真核细胞转染，研究FPR1 介导的细胞趋化作用和FPR1 内吞特征。涉及生物信息学、分子生物学、生物化学和细胞生物学等多个知识点，是一项综合性虚拟仿真实验项目，有助于培养学生研究型思维和综合型实验能力。

（2）采用视频制作介绍实验背景，图文并茂及二维动画阐述重要概念和原理。通过视频制作，由浅入深地介绍GPCR 的相关背景知识，包括GPCR 7 次跨膜结构、GPCR功能及相关疾病与药物研发、GPCR 三维空间结构、GPCR 介导的信号通路及本项目涉及的甲酰肽受体FPR1 等，立体呈现GPCR 的功能及研究现状（见图2）。同时链接视紫红质、CCR5 等经典GPCR三维结构模型，链接RCSB PDB 蛋白数据库及经典文献，促进对GPCR三维结构的开放式自主学习。

图2 实验背景视频介绍

原理部分知识点分解，尽可能采用图文并茂或二维动画方式讲述重要概念和原理，帮助学生掌握并建立实验思路。例如在阐述GPCR介导的信号通路原理部分，利用二维动画形式阐述GPCR 介导信号转导的激活和传递、所涉及下游重要蛋白、第2 信使变化以及偶联不同亚型G蛋白产生的不同信号通路（见图3）。

图3 GPCR介导的信号通路原理动画介绍

（3）沉浸式虚拟实验过程。实验操作进行全方位模拟，包括实验环境、实验仪器和实验过程的仿真。软件以现场真实场景数据、仪器数据和典型设备数据为依据呈现实验环境和仪器设备。尽可能真实体现实验过程的状态、变化及效果。实验操作（见图4）可选择教学模式、练习模式和考核模式。在教学模式学习整个实验的流程、操作、细节及注意事项，在练习模式亲自实践操作，在考核模式进行考核自查。通过教学——练习——考核的多次重复实践，逐渐深化巩固相关原理、操作和实验思路。同时难点步骤配备了实体操作视频及教学视频，加强学生对实验的实体感性认识。

（4）多点设计互动与评价，引入启发式教学。虚拟仿真实验多点设计人-机互动，可以提高实验趣味并适时解决问题，提升实验成效。本实验通过实验过程中的互动设计、考核和拓展作业等，多点、面地与学生展开互动交流，培养学生自主学习的能力。

图4 实验操作动画

实验过程中设计操作提示、试剂说明、要点提醒等环节，及时提醒学生实验操作要点细节、注意事项等，帮助学生更好地理解实验原理及关键步骤，学生反馈这些互动设计帮助很大。同时在实验操作环节还设置实验方案思考。例如在真核细胞转染操作之后提出了多质粒同时转染，以及稳定转染细胞株的筛选等思考内容；在内吞实验操作后提出了如何用内吞实验筛选GPCR拮抗剂的实验思考，并提供了可选方案。通过互动启发学生去思考实验细节和设计，进一步探索实验方案和方法。

评价体系除了在考核模式下，系统会根据学生实际操作及提问回答打分以及课后巩固题库进行自动评分以外，教师还可以通过学生提交的实验报告和作业等，了解学生的学习情况。同时课后巩固中还布置了与研究思路相关的拓展型思考题，帮助学生举一反三，拓展实验思路，培养学生研究型实验思维。

2 虚拟仿真实验融入线上线下教学探讨

2.1 虚实结合的教学实践

该综合性虚拟仿真实验融入高级生物化学课程进行了线上线下相结合的教学实践。①虚拟仿真实验与实体实验互补，使整个实验体系更完整。虚拟仿真实验项目从目的基因分析和克隆开始，直到功能检测。实体实验从流程中的质粒提取和细胞培养开始，一直到功能检测。②虚拟仿真实验强化了实验原理、实验流程和操作要点，实体实验侧重于亲手操作和灵活实践。例如，在细胞转染和功能测试部分，虚拟仿真实验使原理更生动，注意事项的呈现更完整。③在虚拟仿真实验基础上实体实验的设计及操作内容可以更深入丰富。例如虚拟仿真实验只采用了Lipofactamine 2000一种转染方法，实体实验采用了Lipofactamine 2000、XtremeGENE HP DNA转染和磷酸钙转染3 种方法，并对其他功能如转录增强子CRE（cAMP响应元件）调控下游基因转录以及GPCR介导的下游ERK1/2 信号通路调控进行了检测等［10-11］。

2.2 虚拟仿真实验融入机制探索

虚拟仿真实验在融入线下实验教学过程中，需要摸索其融入的方式方法，尝试合适的教学体系和教学途径，以获得更好的教学效果。

首先利用虚拟仿真实验学习实验背景、实验原理、操作流程及要点以及学习实体实验的前期工作，并熟悉实验场景和实验内容是非常有效的教学途径。在虚实重合的部分，可先通过虚拟仿真实验学习实验内容及操作，然后在实体实验中促成学生自主展开实践该部分内容，培养学生独立学习和实验的能力。后续在实体实验中再引导学生做更广泛深入的设计、进行更丰富及复杂的实验实践。实体实验结束后，重新回炉虚拟仿真实验的考核模式，加强对虚拟仿真实验思路和内容以及实体实验更深入地思考。虚拟仿真实验和实体实验的有效融合，不仅是教学内容的相互补充，更可在教学效果上起到互相促进的作用。

3 虚拟仿真实验拓展与应用

3.1 虚拟仿真实验内容提取及应用

为促进虚拟仿真实验项目最大程度地发挥育人成效，充分利用虚拟仿真实验资源，本项目内容被提取剖析，辅助多门课程学习。例如在人体代谢与健康通识课程中，提取了本项虚拟仿真实验中GPCR 介绍视频及FPR1 膜定位及内吞运动用于介绍蛋白质功能及正确运输，同时提取了虚拟仿真项目中基因组DNA提取及浓度测定实验用于核酸代谢教学等。

3.2 虚拟仿真实验用于课程衔接

作为一项综合性虚拟仿真实验，本项目尝试在生物化学、分子生物学、基因工程和细胞生物学等实验课程之间搭桥衔接。例如在生物化学实验之后，分子生物学实验或基因工程实验之前，选用该综合性虚拟仿真实验项目对有关基因分析及克隆的部分进行预热；选用真核细胞转染及细胞功能实验对相关的细胞生物学实验课程进行预热等。通过一项综合性虚拟仿真实验，将不同的专业基础实验课程串联起来，呈现科学实验的综合性和复杂性。

4 结 语

虚拟仿真实验是高校实验教学改革的方向之一，可以把一些重要的耗时费材、现实中难以实现的实验以线上虚拟仿真实验的形式呈现。同时它还具有可重复、图文及动画并茂等特点，对于阐述复杂实验背景、原理和细节等具有独特优势。虚拟仿真实验成为通过线上实验教学进行人才培养的重要途径［12-13］。我校建设的“G蛋白偶联受体FPR1 全基因克隆、真核表达和功能测定虚拟仿真实验”以研究型思路，打造了一个完整的基础型技术路线，同时引入了一些开放式思考。该项目可以单独开展，也可以融入生物化学实验、分子生物学实验等课程中实现虚实结合教学。项目实施促进了学生对整体实验原理和技能的学习，促进了学生对大跨度实验设计和技术路线的把握。项目在融入线上线下相结合的教学过程中，对融入机制进行了探讨，有助于课程内容及教学效果的提升。且综合性虚拟仿真实验在辅助教学及课程衔接中可发挥其独特作用［14-16］。