虛擬仿真技術(shù)在生物技術(shù)實驗教學中的應(yīng)用

齊鳳慧 宋興舜 滕春波

[摘 要] 實驗教學是生物學類教學中重要的環(huán)節(jié)，也是學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要手段。如何在實驗教學中更好地激發(fā)學生的學習興趣，提高教學效果，是目前實驗教學中面臨的一個難題。該文通過虛擬仿真實驗的建設(shè)與應(yīng)用，探索出“三步走”的教學方法，即第一步，進行實驗原理與應(yīng)用課堂教學;第二步，虛擬仿真實驗教學;第三步，真實車間或?qū)嶒炇覂?nèi)的教學活動。通過這樣的教學方法，學生參與實驗教學的積極性和主動性提高了，激發(fā)了學生的學習興趣和潛能，變被動學習為主動學習，提高了實驗教學質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真實驗;生物學;實驗教學

[中圖分類號] G642.4? ? [文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）01-0129-04? ?[收稿日期] 2020-10-15

實驗教學是指學生通過實驗對象的選擇，然后在人為的控制條件下，所從事的包括實驗設(shè)計、實驗現(xiàn)象的觀察、結(jié)果分析等實驗過程，并在這個過程中獲得知識、能力和素質(zhì)的教學活動。實驗教學和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是緊密聯(lián)系的，學生通過實驗體驗到創(chuàng)新的快樂和自信，激發(fā)學生的創(chuàng)新欲望。隨著教學內(nèi)容的深入及一些科研成果的引入，就會有一些實驗周期長、耗材昂貴、試劑危險等因素進入實驗教學中，因此會有一些不適合學生實際操作只能給學生演示的實驗項目。2013年教育部啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)工作，之后虛擬仿真實驗項目快速發(fā)展[1]。以新信息技術(shù)為本質(zhì)特征的虛擬仿真教學，越來越受到重視[2]。

生物學是一門實驗性較強的學科，實驗在生命科學專業(yè)課程體系中占有重要的地位。生物技術(shù)的快速發(fā)展帶來了許多新的實驗技術(shù)，在實驗教學中更好地傳授這些新技術(shù)，讓學生不僅掌握技術(shù)的原理與方法，還能在操作和應(yīng)用過程中提高分析問題和解決問題的能力[3]，從而提高創(chuàng)新能力。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，解決了實踐教學環(huán)節(jié)中學生接觸不到或無法直接操作的實驗內(nèi)容，成為完善生物類學生實踐能力培養(yǎng)的快速有效途徑。本文以我校生命科學學院已有的虛擬仿真實驗項目為例，介紹虛擬實驗在生物類專業(yè)實驗教學中的探索和應(yīng)用。

一、虛擬仿真實驗項目建設(shè)

為了滿足學生在學習中能夠及時與老師溝通、能夠利用信息化的平臺進行個性化學習的需求，我們首先利用超星學習通平臺建立了在線開放課程，結(jié)合新形勢下人才培養(yǎng)的要求，又引入虛擬仿真實驗教學內(nèi)容，實現(xiàn)了線上線下混合式教學、虛實互補和多層面的共享學習模式。目前已經(jīng)建設(shè)了基因工程、細胞工程和細胞生物學相關(guān)的虛擬仿真實驗項目（如下圖）?；蚬こ烫摂M仿真實驗共包括十個實驗項目，是利用Flash技術(shù)完成的，可以直接添加在在線課程中（https：//mooc1-1.chaoxing.com/course/87940225.html），學生觀看和操作都很方便。

細胞工程和細胞生物學虛擬仿真實驗是利用3D技術(shù)實現(xiàn)的，細胞工程實驗包括3個虛擬仿真實驗項目：植物細胞規(guī)?；囵B(yǎng);植物細胞次生代謝產(chǎn)物工業(yè)化提取;高效液相色譜法檢測次生代謝產(chǎn)物。學生在使用時需要先安裝平臺軟件和虛擬實驗軟件，該平臺會記錄學生的操作成績。細胞生物學實驗包括三個虛擬仿真實驗項目：萌發(fā)花粉管中Ca2+的動態(tài)觀察時間序列掃描;激光共聚焦的Z軸掃描與三維重建;免疫熒光裝片的激光共聚焦多通道掃描，涵蓋了激光共聚焦顯微鏡的不同功能。

二、實驗教學內(nèi)容、方法創(chuàng)新

利用植物細胞規(guī)?；a(chǎn)獲取目標產(chǎn)物是當今生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的熱點之一。我們結(jié)合我?？蒲袌F隊科研成果，利用自主研發(fā)的1～5噸級生物反應(yīng)器規(guī)模化培養(yǎng)植物材料，并提取分析要用的成分。為了將這一科研成果轉(zhuǎn)化到教學中，我們引入虛擬仿真實驗項目，在細胞工程實踐教學中通過實際動手和虛擬仿真實驗訓練，提高學生的實踐動手、綜合創(chuàng)新能力，加強學生對產(chǎn)業(yè)化的認識，使學生了解知識如何轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，符合新時期大學生素質(zhì)培養(yǎng)的需求。

虛擬仿真實驗教學是一種重要的實驗輔助手段，它可以利用多媒體和互聯(lián)網(wǎng)，通過Flash或3D技術(shù)制作的虛擬仿真實驗軟件，通過人機互動達到在虛擬平臺上進行實驗重現(xiàn)和學習的目的[4，5]?？梢詮浹a傳統(tǒng)實驗教學中的不容易實現(xiàn)的步驟[6]。在實際應(yīng)用過程中，我們選擇“三步走”的教學方法，即第一步，進行實驗原理與應(yīng)用課堂教學;第二步，虛擬仿真實驗教學;第三步，真實車間或?qū)嶒炇覂?nèi)的教學活動。

（一）將最新研究進展引入實驗課堂

指導學生了解實驗的相關(guān)原理，介紹實驗內(nèi)容的優(yōu)缺點，引入最新的研究文獻介紹應(yīng)用范圍、研發(fā)策略等，以求吸引學生的注意力，提高學生的學習興趣。如在細胞生物學實驗中，我們在介紹冷凍電鏡技術(shù)的應(yīng)用時，會引入最新的研究報道，如2020年3月在Science雜志上在線發(fā)表的“Structural basis for the recognition of the SARS-CoV-2 by full-length human ACE2”。這篇文章就是我國科研人員利用冷凍電鏡技術(shù)成功地解析了新型冠狀病毒細胞表面受體ACE2的全長三維結(jié)構(gòu)，以及新型冠狀病毒表面S蛋白受體結(jié)構(gòu)域與細胞表面受體ACE2全長蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)。通過這篇文獻介紹，學生明白了我們學習的實驗技術(shù)主要可以應(yīng)用在哪些方面，明白這一研究結(jié)果在實際應(yīng)用中的重要作用。在其他的實驗內(nèi)容中也會引入不同的研究報道，讓學生認識到生物技術(shù)中蘊含的經(jīng)濟價值，意識到掌握生物類相關(guān)知識能夠提高自身的就業(yè)競爭力，從而從根本上激發(fā)學生的學習熱情。

同時也會要求學生利用思維導圖方式設(shè)計出自己的或小組的實驗實施方案，學生可以將設(shè)計好的結(jié)果上傳到在線開放課程中，這樣老師可以及時指導并完善實驗方案。

（二）虛擬仿真實驗在實驗教學中的應(yīng)用

在虛擬仿真實驗部分，會先給同學們講解虛擬實驗的目的，以及如何操作、如何考核等，然后由學生在電腦上進行操作演練。

在基因工程實驗中，因為是Flash技術(shù)制作的虛擬仿真實驗，操作簡單，所以每個虛擬實驗項目1學時。學生登錄在線課程就可操作，主要包括木本植物遺傳轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)基因植物的檢測與鑒定兩個模塊，十個實驗項目。操作部分包括演示和測試兩部分，測試只是讓學生去練習并熟悉操作過程，不能記錄成績。在測試過程中，如果學生忘記了下一步是什么操作，點擊幫助按鈕會跳出文字提示。

在細胞工程和細胞生物學實驗中，采用了3D技術(shù)制作的虛擬仿真實驗，操作相對復(fù)雜，因此每個虛擬實驗項目2學時。學生需要注冊、登錄、下載插件安裝后才可以操作。進入植物細胞規(guī)?；a(chǎn)虛擬仿真軟件后，會先有一個Flash的動畫操作演示，因為該部分內(nèi)容是工業(yè)化生產(chǎn)前的材料準備，可以在實驗室實際完成，因此制作時設(shè)計成Flash的動畫演示形式。在工業(yè)生產(chǎn)部分的操作中，是3D操作模式，場景完全按照實際的車間場景制作，可以360度旋轉(zhuǎn)，學生可以按照操作指引完成工業(yè)化的操作過程。后臺會記錄開始和結(jié)束的時間、分數(shù)、考核是否通過等。植物次生代謝產(chǎn)物提取工藝也是按照工業(yè)化場景制作的，功能設(shè)置與植物細胞規(guī)?；囵B(yǎng)相同。

高效液相色譜與激光共聚焦顯微鏡虛擬仿真實驗屬于大型儀器類虛擬仿真實驗。在制作中主要考慮儀器的應(yīng)用功能而設(shè)置不同的虛擬實驗項目。在液相色譜虛擬軟件中，包括了樣品的不同脫氣方式、不同的流動相模式選擇等，這樣學生在使用時除了了解實驗方法，還能掌握儀器的不同應(yīng)用功能。激光共聚焦顯微鏡因其功能較多，在制作時針對不同的功能設(shè)置了單通道和多通道掃描、Z軸掃描及三維重建、時間序列掃描。在軟件界面中還有激光共聚焦顯微鏡相關(guān)的理論知識、操作規(guī)程、實驗原理、注意事項等。

通過仿真實驗的模擬訓練，學生對實驗原理及操作過程已經(jīng)了解清楚，在自己做實驗時錯誤率明顯下降。3D的仿真項目，能讓學生有更好的沉浸感，像游戲一樣的體驗，更增加了學生的興趣。學生在掌握相關(guān)實驗的操作程序的同時，加深了對相關(guān)基本概念和實際生產(chǎn)的理解，達到掌握相應(yīng)知識點和應(yīng)用能力培養(yǎng)的教學效果。

（三）線下真實車間或?qū)嶒炇医虒W活動

學生通過虛擬仿真實驗后，需要分組到車間或者實驗室進行實踐活動。分批次帶領(lǐng)學生進入植物細胞規(guī)模化生產(chǎn)和產(chǎn)物提取生產(chǎn)車間，觀摩虛擬實驗中的真實操作過程及實際生產(chǎn)環(huán)境，講解危險點的注意事項及感受危險的真實效果，如生產(chǎn)車間的噪聲、高壓蒸汽排放時的排氣聲和產(chǎn)生的霧氣等。由于車間生產(chǎn)的連續(xù)性和特殊性，系統(tǒng)在運行時無法進行手動開關(guān)操作、控制臺操作等動手學習內(nèi)容。車間教學選擇在系統(tǒng)未運行時進行動手學習內(nèi)容，或者在系統(tǒng)運行時進行虛擬操作模擬比對現(xiàn)場操作模擬學習內(nèi)容。

在實驗室里，分批次帶領(lǐng)學生進入大型儀器室，如激光共聚焦顯微鏡室或高效液相色譜室，實際演練大型儀器的操作技術(shù)。每組由一個學生進行實際操作，其他成員可以輔助提醒等。學生還需要按照之前設(shè)計的實驗實施方案，通過虛擬實驗掌握的實驗操作方法和注意事項等進行實際操作。如在基因工程實驗中，所有的實驗項目學生都需要自己再實際操作一遍。這樣將虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合，進一步掌握生物學專業(yè)相關(guān)的理論和實踐知識。

三、虛擬仿真實驗的教學效果及應(yīng)用價值

（一）虛擬仿真實驗引入教學中的效果

虛擬仿真實驗可以解決實驗教學中抽象的原理、煩瑣的操作，以及實驗周期長等問題，既可節(jié)省教學成本、保證實驗的真實性，又可以降低安全隱患、激發(fā)學生學習興趣，提高教學質(zhì)量[7]。有91.53%的學生認為Flash交互實驗?zāi)軌蚪鉀Q傳統(tǒng)實驗教學中遇到的困難，減少實驗操作的錯誤率[7]。3D技術(shù)的虛擬仿真實驗，可以360°操作，模仿高度仿真的實驗環(huán)境和對象，實現(xiàn)真實實驗無法完成或具有高風險、高成本的實驗項目，作為真實實驗的有益補充和輔助。學生開闊了視野，獲得了更為全面系統(tǒng)的實驗技能訓練，建立了完整的生命科學知識體系，滿足了人才培養(yǎng)需要。同時，信息化環(huán)境下新的學習理念和方式更加注重學習和實驗過程，而虛擬仿真實驗正好能夠為新的學習環(huán)境提供豐富的實驗教學資源，滿足學生在線學習和實驗教學的需要?？傊?，虛擬仿真實驗教學軟件的建設(shè)與應(yīng)用，能夠和真實實驗課堂相互補充，學生通過虛實結(jié)合的實驗教學，更加系統(tǒng)、全面地掌握了生物學實驗技能，拓寬了生物科學視野，綜合實踐能力和創(chuàng)新能力得到提高。

（二）虛擬仿真實驗建設(shè)的必要性

生物學是一門實驗性學科，通過實驗教學，提升學生的觀察能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，激發(fā)學生對生命科學研究的興趣和靈感，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和實踐能力。但因生物材料的特殊性，有些生物學實驗周期較長，這在真實教學實驗展示中只能是一些生命現(xiàn)象或發(fā)展的過程，多數(shù)也是片段的、不連續(xù)的。一些前沿科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容往往難度大、復(fù)雜程度高，需要使用昂貴的大型科學儀器設(shè)備。還有一些微觀水平的實驗現(xiàn)象、原理較為抽象，學生很難理解。科研成果轉(zhuǎn)化為工廠應(yīng)用過程中，一些工藝系統(tǒng)又非常復(fù)雜，成本較高，還有一些技術(shù)保密等因素往往不能使學生全程參與工藝流程，更是無法掌握關(guān)鍵技術(shù)。這些在實際實驗教學中的局限性都限制了學生對現(xiàn)代生物技術(shù)的掌握、視野的開闊、系統(tǒng)知識體系的形成等，不能更好地促進學生科研創(chuàng)新能力和實踐能力的發(fā)展。

而虛擬仿真實驗作為真實實驗的重要補充和擴展，保證了生物學實驗的系統(tǒng)性、綜合性，同時又有經(jīng)濟性、安全性的優(yōu)點，還能與傳統(tǒng)真實實驗有機結(jié)合，促使學生開闊視野，獲得更為系統(tǒng)全面的技能訓練。

同時，虛擬仿真實驗教學通過共享平臺，不僅可以滿足在校本科學生的實驗教學，還可以高效、便捷、經(jīng)濟地為相關(guān)教師的繼續(xù)教育、生物技術(shù)人員的專業(yè)技能培訓、生物學知識的社會普及提供支撐。虛擬仿真實驗可以解決實驗教學中抽象的原理、煩瑣的操作及實驗周期長等問題。既可以節(jié)省教學成本、保證實驗的真實性，又可以降低安全隱患，激發(fā)學生的學習興趣，提高教學質(zhì)量。

（三）虛擬仿真實驗在教學應(yīng)用中的價值

本科生真實實驗教學往往因硬件條件、課時數(shù)等因素限制，實驗內(nèi)容大多為割裂、獨立的單個實驗技能，很難引入完整的、系統(tǒng)的前沿研究內(nèi)容和最新實驗技術(shù)。而現(xiàn)代生物學尖端研究又存在很多復(fù)雜程度高、系統(tǒng)性強、微觀的抽象的實驗內(nèi)容。虛擬仿真實驗可以很好地緩解這二者之間的矛盾，可以將高難實驗仿真化、危險實驗安全化。目前在國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺上各類項目已達2000多項，按照學科類已達到40余個門類，涉及農(nóng)、林、醫(yī)、工、文、法、管理等諸多學科[8]。虛擬仿真實驗項目在實驗內(nèi)容上、教學方法上及實驗方法上都拓展了實驗教學的廣度和深度。為了使相同的虛擬仿真項目不重復(fù)建設(shè)，又能提高教學質(zhì)量，由高等院校、相關(guān)企事業(yè)單位和專家組織自愿組成了虛擬仿真實驗教學創(chuàng)新聯(lián)盟，推動虛擬仿真實驗項目的共享。

我們建設(shè)多種不同的虛擬仿真實驗，并在細胞生物學、基因工程、細胞工程等實驗教學中推廣應(yīng)用，其目的是為了開闊學生眼界，真實展現(xiàn)多樣的生物科學研究，并以生物學科學問題和科研課題為導向，促進學生綜合運用多學科理論知識和多種實驗技能與手段，鞏固學生對生命科學研究核心問題的系統(tǒng)認識，形成全面的科學思維，鍛煉學生的創(chuàng)新能力，提升基本的科學素養(yǎng)。

參考文獻

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[8]國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺[EB/OL].http：//nvse.ilab-x.com/introduction/intro.