“虚拟仿真”实验在《DNA 重组与分子克隆实训》的教学应用

徐 璐，卢明晓，顾志良，郁建锋，冀 宏

常熟理工学院生物与食品工程学院，江苏 常熟 215500

1 虚拟仿真实验

虚拟仿真（以下简称“虚仿”）实验是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域相关专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，采用“面向对象”的思想创建的能够实时操作、非实在的实验空间。在此环境中，实验者可以同在真实环境中一样完成各种预定实验项目[1]，将不可逆、高危、长周期实验等转变为可行性教学实验内容[2]。大幅度缩减实验周期、增加重复次数，提高实验容错率，让学生沉浸式体验高危实验内容，直观地了解实验操作全过程，掌握实验原理由此可见，虚拟仿真实验是提升高校实验教学和学习者实践学习效果的重要方式[3]。虚仿实验教学由教学资源、教学装备、教学环境基础条件和教学管理平台4 部分组成[4]。教学资源依据真实世界的学习对象制得，涵盖丰富的知识内容与逼真的实验场景；教学资源平台可向网络教学平台，如实验空间等网络资源学习；其教学装备较为简便，可利用电脑、平板、手机等电子设备进行学习，实现老师多元素教学、学生“碎片化”学习的效果[5]。

2 虚拟仿真实验对于《DNA 重组与分子克隆实训》教学的重要性

《DNA 重组与分子克隆实训》以分子生物学和基因工程为理论基础，是一门综合性、实用性和系统性均较强的实训课程[6]，其内容包含核酸提取、目的基因扩增、目的基因克隆与重组以及真核细胞高表达稳定细胞株的筛选构建；涉及多种基因工程操作技术，如：PCR 法扩增目的基因片段、质粒提取、细胞培养、单克隆细胞株的挑选等。该实训实验周期长，成功率低，成本高，需要在密闭洁净的细胞培养室内完成，授课时学生聚集容易造成生物污染，存在生物安全和环境隐患，导致其在实体实验中无法完成。

本课程采用“虚实”结合的方式将虚仿实验与实体实验紧密连接，让学生在有限的课时内完成长周期实验内容，并在学习实验的过程中体验多路径、可推演自由探索学习，使学习过程不受时空限制并解决实体实验资源和设备投入大、实验耗材成本高、实验周期长及生物安全隐患多等难题；帮助学生完成方案设计、条件优化、仪器参数设定、数据采集、定性和定量分析等任务，激发学生对该专业的学习热情和参与度，加深学生对知识点的理解，促进学生掌握前沿生物技术，培养学生的创新意识和高级思维，使其养成解决基因药物生产过程复杂问题的综合能力；同时，激发学生积极投身生物医药领域，为健康中国做贡献的决心和信心，增强学生为实现中华民族伟大复兴而努力的责任感和使命感[7]。

3 教学实施过程

3.1 实验前——实验预习与方案设计

本课程的授课过程共分为3 个阶段（如图1），首先以问题驱动为导向（Problem Based Learning,PBL），通过团队协作（Team-Based Learning, TBL）的方式让学生进行实验预习与方案设计。学生在教师的指导下，以“如何构建TGF-β 高表达稳定细胞株？”为问题驱动，每2～3 人组成一个实验小组，以小组为单位，用1 周左右的时间自主查阅文献、研究探讨并制定个性化实验设计方案。方案设计完毕后，每个实验小组对所设计的方案进行项目方案的设计与汇报，教师及其他实验小组对项目的设计思路、可行性、汇报过程进行提问与评价。

3.2 实验中——“虚实”结合完成实验内容

本实训实验内容采用“虚实”结合的方式进行授课。首先在线下完成实体实验内容——构建TGF-β 重组质粒，包括核酸提取、目的基因获取、载体构建与质粒小提。然后，在虚拟仿真实验教学中心完成线上实验内容——TGF-β 高表达稳定细胞株的构建，包括细胞培养、转染、阳性细胞株的筛选与鉴定等内容（图2）。

图2 虚拟仿真操作界面——G418 加压筛选

授课过程中教师针对学生在预习过程中提出的问题及实验原理的重难点问题进行答疑解惑，以深化学生对理论知识的掌握并指导其实验操作。教师对关键步骤进行重点讲解，对可能出现的问题予以提示，对实验结果的分析和计算处理方法进行说明，并在此过程中实时开展小组讨论，使个人学习与团队学习相得益彰。

学生需要在规定时间内完成虚仿实验，网站平台以多级计分的方式自动记录学生每一步交互操作的成绩，实验结束后，系统生成总成绩；与学生课后提交的实验报告成绩、交流汇报成绩共同作为课程考核依据。

3.3 实验后——总结汇报与评价

每组学生完成实验后需撰写实验报告，总结实体实验与虚仿实验的实验结果，对实验结果进行合理性分析，回顾本次课程所学的实验原理与操作，总结交流实验心得、团队协作存在的问题与优势，完成小组报告并互相进行交流。针对汇报结果，教师及其他小组要分别对汇报小组进行打分与评价。通过这样的过程，可以培养学生的团队合作能力、报告撰写能力及交流能力等基本的科研素养。

3.4 课程评价与反馈

教学满意度调查发现大多数学生认为虚仿实验体验感新颖，80%以上的学生认为虚仿对于提升实验技能掌握实验原理有帮助。虚仿网站提供了可视的微观原理，学生可生动形象地理解其中内容。并且，利用4 个学时完成了单克隆细胞株的挑选、培养与鉴定，极大地压缩了实验时间，在短时间内掌握了细胞培养、转染、有限稀释法、荧光定量检测法、蛋白免疫印迹法等实验原理与操作流程，为日后升学或就业打下了坚实的基础。同时，学生为虚仿实验部分提出了几点建议：增强实验文字提示的辨识度；删减部分实验操作，突出重点环节，帮助学生更加清晰地掌握实验流程等。这些建议为后续虚仿实验的建设与完善提供了依据。

4 课程反思与结束语

实验教学一直以来都是人才培养工作的重要组成部分，关系着所培养人才的工程实践能力和工程创新能力[8]。在传统的实验教学模式下，受限于各种条件的制约，学生只能在特定的时间和地点，按照实验讲义的步骤，利用限定的实验设备，简单机械地完成特定的实验内容。因此，传统实验是完成具有“代表性”和“普适性”的“规定动作”，极大地制约了对学生动手能力和工程创新能力的培养[9]。此外，传统实验室建设经费的投入不可小觑，无论是实验仪器设备的购置与维护，还是实验场地的建设与管理，都需要耗费大量的人力、物力和财力。因此，在传统实验教学模式下，“投入产出比”会受到质疑。为此，改革传统的实践教学模式，探索适应新时代发展的实践教学新模式，是实验教学改革的重要课题。

本课程利用虚仿实验，建立多路径、可推演的实验设计，帮助学生进行探究式学习，与传统教学相比更能体现“两性一度”的教学过程。同时学生可利用碎片化时间在虚仿网站学习实验原理、设备、三维仿真模型和仿真实验录屏等基础知识和操作方法。网站中的三维动画形象且具体地阐释了微观原理，使学生可以在短时间内掌握细胞转染、筛选、单克隆细胞株的挑选与鉴定方法；使学生深刻理解TGF-β 稳定高表达细胞株筛选构建的理论基础及其生物安全知识，培养学生安全利用动物细胞株表达外源重组蛋白的综合设计与应用能力，充分证明虚仿对于分子生物学实验的重要性[10]；让学生通过了解和掌握生物医药领域的发展前沿技术，牢固树立创新意识和科技强国的信念，增强其为实现中华民族伟大复兴而努力的责任感和使命感。