基于虚拟仿真技术的高校分子生物学实验教学改革

　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）19-0107-02

　　一、引言

　　近年来，分子生物学进入发展的快车道，许多先进技术相继出现，分子生物学的理论知识已渗透到生物学的诸多领域。由于分子生物学具有微观性和抽象性的特点，在教学过程中须通过实验操作来形象地展示其理论和技术，所以分子实验在该课程教学中具有非常重要的地位[1]。随着计算机、互联网的发展，虚拟仿真技术开始崛起，它是一种人工模拟三维仿真环境的综合性集成技术。由于操作简便、安全性高、成本低及场景逼真生动等优点，虚拟仿真实验已逐步渗透入高校的实验教学。至2013年以来，国家教育部便积极开展了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作[2]。如何将虚拟仿真技术引入分子生物学实验教学，完善现有实验教学的不足，提高学生的积极性和创新能力，增强实验教学效果，已成为高校急需解决的教学课题。

　　二、传统分子生物学实验教学存在的问题

　　1.教学内容陈旧。目前，许多分子实验教学内容与前沿分子生物学发展结合性不紧密。陈旧的教学内容让学生失去了学习的兴趣。另外，由于分子生物学实验会用到一些具有危险性的化学试剂和药品，为了学生安全考虑，教师往往选择一些安全性高、容易操作的实验内容。这样容易使学生得不到锻炼，造成教学内容陈旧、资源匮乏。

　　2.教学方法单一。传统教学方式比较单一，往往是教师逐一讲解实验目的、实验原理、实验方法及实验步骤等。学生只需在课堂上完成相应实验操作，上交实验报告。这种教学方式看似降低了实验操作错误率，提高了教学效率，但是学生主动思考的机会少，容易形成惰性和依赖性，对教学内容只知其然而不知其所以然。

　　3.成本投入大。随着分子生物学的发展，实验教学涉及的仪器也更加先进昂贵。许多高校在这方面的资金投入不足，无法采购先进高端的实验仪器，相应的分子生物学实验课无法开展，学生因此无法接触到最前沿的分子生物学技术，严重影响了实验教学效果。

　　4.学生动手能力弱。由于时间限制，教师须在上课前完成材料准备、试剂配制及仪器调试等工作。学生只需按实验步骤将事先准备的试剂按比例添加即可。学生只是在简单地模仿实验部分操作，并没有参与整个实验的操作过程，这会造成学生动手能力差，当遇到问题时无法找到根源所在。

　　5.受时空限制大。由于教室资源有限，课堂上无法允许每个学生独立进行实验。通常情况下，2―4个学生一组开展实验，这样无法保证每个学生都能动手进行操作。另外，由于课时限制，实验内容只能有选择地进行授课，这会让学生有接触更多分子生物学技术的机会。

　　三、虚拟仿真实验的优势及在分子实验教学中的应用

　　1.降低实验危险性。有些分子生物学实验会涉及有毒有害的化学试剂，如果操作不当，容易发生实验安全事故。例如，在DNA提取中会涉及易制毒化学试剂三氯甲烷，这种试剂易燃助燃且易制毒，受公安部门管制，琼脂糖凝胶电泳中涉及具有致癌性的溴化乙锭，蛋白质提取中涉及易制毒易制爆试剂丙酮等。虚拟仿真实验授课不但不用接触危险性化学试剂，还可以通过直观的虚拟仿真实验，对危险化学试剂的操作和使用有更为准确的认识。因此，虚拟仿真实验教学可以降低实验的危险性，同时提高学生的实验理解能力。

　　2.可视微观性实验。分子生物学实验原理比较抽象，内容非常微观，用到的试剂量非常少。例如，DNA用量以纳克计算，PCR反应的试剂以微升计算。另外，一些实验反应过程是肉眼看不见的。例如，PCR反应中DNA是如何变性、复性和延伸的？DNA重组子的构建实验中，目的DNA片段是如何连接到载体DNA上的？这些都是肉眼看不到的。只有整个实验完成后，通过电泳检测才能判断实验成功与否。为了更为直观地展示实验反应过程或实验原理，我们可以采用虚拟仿真实验进行教学，使之与传统实验操作相结合，不仅可以丰富教学手段，激发学生的学习兴趣，提高学习主动性，还可以使学生对实验原理有更深刻的认识，最终熟练掌握和运用所学的分子生物学知识[3]。

　　3.缩短实验周期。有些分子实验周期较长，学生在课堂上很难完成。例如Southern杂交，其实验包括基因组DNA制备、DNA限制酶切、DNA消化产物的琼脂糖凝胶电泳、DNA转移、探针标记、杂交和洗膜检测等步骤，每一步都需要很长时间，整个实验过程需要两天甚至几天的时间。虚拟仿真实验则可以避免此类问题的发生。教师可以将这类周期性长的实验设计成虚拟实验，不但可以减少实验等待时间，使实验过程变得清晰紧凑，还可以让学生在实际实验操作过程中有的放矢，进而提高实验教学效率[3]。

　　4.降低实验成本。有些分子生物学实验会涉及价格昂贵的化学试剂或大型仪器。例如，RT-PCR实验要用到价格很贵的反转录试剂盒，荧光定量PCR实验要用到价格不菲的荧光定量PCR仪。虚拟仿真实验则不需要采购这些价格昂贵的化学试剂和大型仪器，在虚拟实验中，不但可以保证学生接触更先进的分子生物学技术，增加更为丰富的教学资源，还可以大大降低实验资金投入。

　　5.打破空间限制。虚拟仿真实验不受空间限制，只要有移动终端，学生就可以随时随地进入虚拟仿真实验平台开始实验操作，每位学生都有动手进行实验操作的机会。同时，虚拟仿真实验允许学生多次进行平台重复实验操作，这样既可以加深学生对分子生物学实验的理解，也可以提高学生的创新能力。

　　6.丰富考核方式。传统分子实验考核方式是学生提交实验报告，最终成绩由考勤率、实验操作表现和实验报告成绩构成。这种考核方式过于单一，不利于学生积极性和创造性的提高，且容易造成学生机械性地完成或相互抄袭实验报告，严重影响实验教学效果。而虚拟仿真实验中的考核方式更具多样化和生动化，教师事先设置好相应的“知识障碍”，学生设法解除“知识障碍”，并成功完成实验项目后才获得相应的成绩[4]。这种考核方式可以激发学生接受考核的积极性，减少抄袭实验报告的现象，进而提高实验教学效果。

　　四、结束语

　　分子生物学实验是高校生物专业学生必修重要课程之一。将虚拟仿真技术引入分子生物学实验教学，不但可以提高学生学习的主动性，加深对分子生物学知识的理解，提高创新能力，而且可以密切联系实际，丰富教学内容和方式，降低教学成本投入，提高教学质量。当然，实验教学中不能放松实际动手操作能力的培养，一定要采取虚拟仿真与实际操作相结合的实验教学模式，只有这样才能更好地提高教学效果，培养出更多的创新性人才。

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