基于OBE理念和虚拟仿真技术的“分子生物学实验”教学模式改革

摘 要：“分子生物学实验”是生物科学专业的重要专业课之一，其教学效果对提升学生的专业实践能力和综合素养至关重要。文章将OBE理念和虚拟仿真技术引入到“分子生物学实验”教学环节中，开展了基于OBE理念和虚拟仿真技术的“分子生物学实验”教学模式改革，以学习成果为导向设计教学目标，构建虚拟仿真实验教学模式，实施虚拟仿真实验教学过程，并建立了多元考核评价体系。实践表明，OBE理念和虚拟仿真技术在“分子生物学实验”教学中的应用，有效提升了学生的专业理论知识、实践能力和综合素养，为生物科学专业人才培养质量的提升提供了有力支撑。

关键词：OBE理念 ；虚拟仿真技术；分子生物学实验；教学模式改革

中图分类号：G642"" 文献标识码：A"" 文章编号：1673-1794（2024）05-0001-04

作者简介：赵维萍，滁州学院生物与食品工程学院实验师，硕士，研究方向：生物科学实验教学与科研；刘洋，滁州学院生物与食品工程学院副教授；蔡华，滁州学院生物与食品工程学院教授（安徽 滁州 239000）。

分子生物学是生命科学的前沿领域，随着“十四五”生物经济发展规划的实施，生命科学和生物技术的发展进步将迎来新的机遇^[1]。未来，生物大分子和基因研究将进入精准调控阶段，其相关领域的科技创新和产业发展对高校生物类人才的专业素养、创新精神和实践能力提出了更高要求。传统的“分子生物学实验”教学模式，主要以教师为中心，学生以模仿教师操作为主，未体现以学生为中心，且课程考核方式较为单一。同时，受到实验教学时间、空间和资源的限制，无法实现让每一位学生独立完成整个实验操作，影响实验教学效果，难以满足高素质应用型生物科学专业人才的培养。OBE（Outcome-based Education）理念是一种以学生学习成果为导向的教育理念和模式，强调以学生为中心，以学生取得的最终学习成果反向设计教学目标、教学过程和考核评价方式，并进行持续评估与反馈^[2]。虚拟仿真实验教学是利用计算机技术、虚拟现实技术和人机交互技术等创建的一种模拟真实实验环境的教学方式^[3-4]。通过虚拟仿真技术，可以实现对现实实验的模拟和重构，将图像、音频、视频等多种信息呈现方式融合在一起，创建出高度逼真的虚拟实验环境，使每位学生能够更加直观地感受实验内容^[5]。

将OBE理念和虚拟仿真技术引入到“分子生物学实验”教学环节中，开展了基于OBE理念和虚拟仿真技术的“分子生物学实验”教学模式改革，以学习成果为导向设计教学目标，构建虚拟仿真实验教学模式，实施虚拟仿真实验教学过程，建立多元考核评价体系，弥补了传统“分子生物学实验”教学模式的不足，有效提升了教学效果。

1 “分子生物学实验”教学现状

1.1 实验教学方法较为单一

传统的“分子生物学实验”教学主要依赖教师的课堂讲授和现场示范，主要是以教师为中心，教学过程中侧重对知识的单向传递。教师在实验前详细讲解实验步骤和注意事项，学生在实验过程中模仿教师的操作。而且实验教学通常是在固定的时间和实验室环境下，按照统一的实验流程和方案进行，学生一般3～5人一组，难以让每一位学生都能独立操作掌握关键实验技术，对学生创新思维、实践能力及综合素养培育不足。同时，这种传统的实验教学方法缺乏对学生自主学习和创新思维的有效引导，学生处于被动接受知识的状态。对于实验结果不理想的学生，课后也很难有再次实践的机会。

1.2 实验资源难以满足需求

传统的分子生物学实验教学设备包括PCR仪、电泳设备、凝胶成像系统、高压灭菌器、荧光定量PCR仪、农杆菌转化设备、植物生长室、核酸提取设备、蛋白质纯化系统、酶标仪等成套设备，多数地方高校由于基础实验室建设水平较为薄弱，无法满足教学设备台（套）数要求，学生实际动手操作有限。同时传统的分子生物学实验教学项目周期较长，需要较长的时间才能观察到结果，并且实验中会涉及到异丙醇、氯仿、溴化乙锭、甲酰胺、苯酚、盐酸和硫酸等生物化学试剂的使用，若操作不当，对刚刚接触分子生物学实验的初学者来说会存在较大的安全风险。

1.3 考核评价体系不够完善

传统的“分子生物学实验”教学考核评价主要侧重于课堂表现和实验报告。实验报告往往只关注实验结果是否正确、步骤是否完整记录，而忽视了学生在实验过程中的思考能力、解决问题的能力等综合素质的评价。同时，整个实验教学过程难以对每个学生进行全程动态跟踪和及时反馈，无法全面了解每个学生的学习进度和困难，并给予针对性的指导和建议，影响课程的教学效果和持续改进。

2 基于OBE理念和虚拟仿真技术的教学模式改革

2.1 OBE理念教学目标设计

根据 OBE 理念，首先明确学生在学习“分子生物学实验”课程后应达到的具体成果，即掌握分子生物学实验的基本原理和关键技术、能够熟练运用相关实验仪器和设备、具备独立设计实验方案、分析实验结果、解决实际问题的能力，为学生的毕业设计和就业打下基础。为了达成以上的成果，结合虚拟仿真技术的运用，重新设计了3个教学目标。

教学目标1：掌握分子生物学研究方法，学会分子生物学常用仪器使用及溶液配备、DNA提取方法和步骤、琼脂糖凝胶电泳实验的具体操作，树立分子生物学实验安全意识。

教学目标2：能够利用虚拟仿真实验平台完成植物总RNA 的提取与检测、cDNA的合成、DNA扩增与纯化、DNA的重组以及以农杆菌为介导将重组DNA转化入受体植物拟南芥的过程，掌握目的基因在拟南芥中的功能验证方法和关键操作要点。

教学目标3：具备从事与生物科学领域新产品的研发相关的实验技能，具有从事与分子生物学相关的检验检疫、产品开发、食品安全等工作的专业素质与技能。

2.2 构建虚拟仿真实验教学模式

以“分子生物学实验”中的“植物基因克隆及功能分析综合大实验”为例，构建虚拟仿真实验教学模式。在这种教学模式下，实验开始前，学生需要对整个实验进行预习，在此基础上，自主设计实验方案，选择感兴趣的植物物种和基因类型，教师在关键知识点和技术难点上为学生提供实验方案合理性指导和建议，培养学生独立思考能力。在虚拟仿真实验操作过程中，学生需要进行三个模块的实验操作（图1），分别为“植物基因克隆”“表达载体构建”“遗传转化”，其中模块一“植物基因克隆”分为RNA提取、检测及反转录、扩增纯化、连接转化、筛选培养几个部分；模块二“表达载体构建”分为引物的设计、处理方法等；模块三分为农杆菌介导转化等。学生可以依次按照操作指引进行各模块的学习和实验操作。实验结束后，学生可以查看各模块的步骤得分情况，实时了解自己的操作成绩，根据成绩选择多次操作训练，直至完全掌握。

2.3 虚拟仿真实验教学过程实施

以“分子生物学实验”中的“植物基因克隆及功能分析综合大实验”为例，该实验项目利用先进的全景和 3D 模型技术创造的实验环境。学生如同亲临其境，切实地融入到实验场景里，学生能够 360 度、近距离地细致观察各种实验仪器设备和试剂。比如在基因提取环节，学生可以清晰看到离心机的内部构造和操作按钮，了解如何正确设置转速和时间。在 PCR 扩增阶段，能直观感受 PCR 仪的工作原理和操作流程（图2）。这种创新的教学方式，让原本抽象复杂的实验设备直观地展现在学生眼前，让学习变得更加主动和高效，极大地加深了学生对分子生物学实验环境的熟悉程度，激发了学生对分子生物学实验的兴趣。

学生在实验过程中，可以按照实验场景和预设的实验流程引导逐步推进（图3）。当学生成功完成一个步骤后，可以进入到下一个模块继续实验。为了更好地辅助学生自主学习，系统中还特别设置了操作提示。这些提示会在关键节点出现，为学生提供必要的指引和帮助。比如在基因样本处理环节，提示会告知学生如何确保样本的纯度；在试剂添加步骤，会提醒学生准确的剂量和添加顺序。这种方式为学生自主学习创造了有利条件，使他们能够逐步掌握基础的分子实验技术，培养了学生独立思考和实践操作的能力。

虚拟仿真实验的实施过程，确保了每个学生都在相似的条件下进行实验，使每一位学生都得到了实践的机会。虚拟仿真实验中的虚拟场景和互动操作，为学生提供了更加丰富和直观的实验体验，学生可以通过多次重复进行实验，熟悉实验流程，巩固所学知识，也便于学生对实验结果进行对比和分析，发现问题并改进实验方法。同时学生可以与虚拟实验对象进行交互，观察实验现象，调整实验参数，更好地理解实验原理和掌握实验技能，提高实验结果的复现性和标准化水平。

2.4 建立多元课程考核体系

针对虚拟仿真实验教学的特点，建立了虚实结合的多元课程考核体系。实验在开始前学生自行完成预习，对实验原理、实验操作等提出疑问，提交预习报告。具体实验过程中，主要基于实验操作、数据记录、评价指导、过程跟踪记录、考核记录、报告提交、信息反馈于一体的多元化网络互动，设置考核系统，考核主要针对11个操作步骤进行评分（表1），在学生完成考核后，系统自动给出总分以及操作正确的和错误的分项，满分100分，占实验总成绩的50%。实验结束后，学生撰写实验报告提交给老师评阅。

3 教学成效

通过在“分子生物学实验”中引入OBE理念和虚拟仿真实验教学项目，提升了课程教学目标的达成，以项目实施的第一年为例，该课程期末考核中的课程目标 1 的达成度为 0.87，课程目标 2 和课程目标 3 的达成度均为 0.86，三个教学目标的平均达成度为0.86（图4），远超预设的平均达成度0.7的基本目标，其中学生成绩为90～100分占比31%，80～89分占比63%，70～79分占比仅有6%（图5）。课程教学目标的高质量达成，实现了对毕业要求的有力支撑。

截至2023年12月，“分子生物学实验”虚拟仿真实验项目“植物基因克隆及功能分析综合大实验”共有130人使用，总使用人次达509次。从后台数据可以看到，不少学生通过自主多次学习，不断提高分数，巩固知识，调动了学生的积极性，提升了学生自主学习的能力。实验场景的多样性，不仅展示了植物基因研究的全貌，而且实现了跨学科融合，将普通生物学（植物部分）或植物生物学、分子生物学、微生物学等相关知识进行了充分优化和整合，使学生对本科阶段所学相关实验有了融会贯通的学习体验，培养了学生跨学科思维和综合应用知识的能力。基于OBE理念和虚拟仿真技术的“分子生物学实验”教学模式改革，使学生的分子生物学理论知识和实践能力得到了一定提升，授课班级学生参加并获国家级大学生创新创业项目7项，省级大学生创新创业项目6项，国家级大学生生命科学竞赛一等奖1项、二等奖2项、三等奖7项，省级大学生生物标本制作大赛一等奖5项、二等奖5项、三等奖10项，教学成效显著。

4 结语

综上，基于OBE理念和虚拟仿真技术的“分子生物学实验”教学模式改革，实现了OBE 理念与虚拟仿真实验教学的深度融合。通过开展了基于成果导向的“分子生物学实验”课程教学目标设计，虚拟仿真实验教学模式构建和过程实施，并建立了多元考核评价体系，让每一位学生都能直观地感受实验过程和结果，有助于培养学生的实践能力、创新思维和解决复杂问题的能力。虚拟仿真实验教学所提供的丰富数据和反馈信息，为学生提供更加丰富多样的学习成果达成途径，也为教师评估学生的学习效果和持续改进教学提供了有力支撑。经过多年的探索与实践，基于OBE理念和虚拟仿真技术的“分子生物学实验”教学模式改革取得了较好的教学效果，有效促进了“分子生物学实验”课程教学目标的达成，进一步提升了学生的理论知识、实践能力和专业综合素养，并形成了具有一定示范推广价值的建设成果，可为地方应用型高校生物类应用型人才的培养提供参考。

［参 考 文 献］

［1］ 杨伊静. 强化生物领域战略科技力量 支撑经济社会高质量发展——国家发展改革委印发《“十四五”生物经济发展规划》[J].中国科技产业，2022（5）：24-25.

[2] 张男星，张炼，王新凤，等.理解OBE：起源、核心与实践边界——兼议专业教育的范式转变[J].高等工程教育研究，2020（3）：109-115.

[3] 徐璐，卢明晓，顾志良，等. “虚拟仿真”实验在《DNA重组与分子克隆实训》的教学应用[J]. 工业微生物，2023，53（6）：16-18.

[4] 刘灵，孙晓明，孙亚楠，等. 虚拟仿真技术在分子生物学综合性实验教学中的应用[J]. 教育现代化，2020，7（50）：13-15+35.

[5] 金太成，杨丽萍，赵永斌. 虚拟仿真实验平台在生物技术专业本科实践教学中的应用[J]. 长春师范大学学报，2019，38（2）：139-140.