虚拟实验在生物化学实验教学中的意义

屠洁++陈欣++王卉平

【摘 要】近年来，数字化学习工具的开发与应用已取得了非常显著的进步，有力促进了信息技术环境下的学习实践。这其中，利用网络和虚拟技术开发虚拟实验，可以有效降低实验成本和提高实验效率，并且有助于学生深入理解生物化学实验的微观机制，是改革实验教学手段的一个重要发展方向。

【关键词】虚拟实验 生物化学 实验教学

生物化学与分子生物学实验技术是生命科学研究的重要手段，是生命科学相关专业的重要的实践性课程，该课程的教学效果直接影响学生的培养质量，尤其是对相关专业研究生的培养质量（如论文质量和研究生的实验技能）至关重要。而生物化学与分子生物学实验是通过微观领域的深入研究不断地揭示了各种生命奥秘，因此学生了解生命本质必须能够进入微观世界，传统的教学手段对微观世界的动态变化的展示却显得不够充分，但信息技术提供了这种可能。运用多媒体课件教学，动态模拟，创设教学情境，把学生的思维带进微观世界模拟的实验环境之中，诱导学生观察思考，相互讨论，共同探究规律，较好地实现教学效果。虚拟实验就是基于信息技术、网络技术、虚拟仿真技术上构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，使现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。

一、虚拟实验的概念

虚拟实验的概念，最早在1989 年由美国的William Wolf教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验环境。虚拟实验概念的提出至今仅为十多年的时间，但因其广阔的应用前景，国内外有很多组织都已经开展了虚拟实验系统的研究和建设工作，特别是在国外一些著名的大学，已有较多建好并投入使用的虚拟实验系统，涵盖了计算机网络、数学、人工智能、生命科学、化学、物理、生物工程、通讯、3DCAD、图形图像、农业科学等教学、科研领域。

目前，国内在虚拟实验方面开展的工作还不多，已有部分高校初步建立了虚拟实验室。例如：中国农业大学建立了网上虚拟土壤作物系统实验室，应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况，探讨虚拟植物模型在农业领域应用的关键问题。纵观近年来虚拟实验室在国内高校的发展和应用， 可以看出虚拟实验室已经实实在在地改变了人们对实验室的看法。由于它不但能有效地降低实验成本， 提高实验效率， 而且可以实现异地协作和实验资源共享， 因此这种实验方式也越来越受到国内高校和科研机构的重视和青睐， 成为强化实验室建设、改革实验教学手段的一个重要发展方向。

虚拟实验在生物化学与分子生物学教学中的实践意义

生物化学与分子生物学实验教学一般都是在实验室中进行，往往是教师介绍相应实验项目的原理，学生则按照教材所示实验步骤进行操作，对于实验过程中具体的细节尚处于一知半解状态；而且，生物化学和分子生物学实验所用试剂费用较高，教学经费往往不允许学生进行反复实验，一些较为前沿的实验项目还会因为实验经费和所需仪器的限制无法开设；另外，在实验进行过程中，往往需要较长的等待时间如PCR扩增时要等待1个多小时、SDS-PAGE时电泳要等待1小时左右，后面的凝胶染色、脱色又有很长时间等待，有限的课程实验时间只能开设非常有限的实验项目。综上所述，实验教学过程费时费力，却难以达到预期效果。

虚拟实验则可以很好地解决上述问题，开展虚拟实验的虚拟实验环境由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验台与真实实验台类似，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。教师利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验，或实验案例，学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又可自主设计实验，有利于培养的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。在虚拟实验中，学生更易获得相关的知识，科学的指导和敏捷的反馈。

二、生物化学与分子生物学虚拟实验的运用现状

目前，相当部分的物理与化学虚拟实验室逐渐运用于实验教学，但是有关于生命科学的相关虚拟实验平台均尚处于建设之中。原因有多方面的，如生命科学现象比较复杂，虚拟实验平台的开发也就相对较为复杂；生物化学与分子生物学实验项目繁多，有时候实验材料的选择、方法的选择不同就是不同的实验项目，要建设一个相对较为完善的虚拟实验平台工作量非常大，需要耗费大量的人力物力；另外，生物化学与分子生物学虚拟实验平台建设需要计算机工程和生物化学与分子生物学专业人才共同努力才能完成的一项工作，而大部分实验教学中两个学科之间交叉得比较少，也就是专业课程老师的计算机基础相对较为薄弱，而计算机工程的专业人士的生物化学与分子生物学背景又相对欠缺。因此，生物化学与分子生物学虚拟实验尚有待于探索和研发。

三、展望

虚拟实验辅助生物化学与分子生物学实验教学是一种全新的尝试，能提升课程学习效果和教学质量。但是，由于生物化学与分子生物学实验本身的复杂性，虚拟实验软件的研发尚处于起步阶段，其进一步开发需要投入很大的人力和物力，需要计算机工程和生物化学与分子生物学专业人才共同努力才能完成。综上所述，针对课程特点合理选用开发技术，逐步实现教学型虚拟实验室的建设和应用，使虚拟实验成为实验教学的有益的、必要的补充。

【参考文献】

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[3]许晓东， 刘玉， 江建军， 等. 基于网络的研究性教学模式探索. 高等工程教育研究，2006（1） ：107-110.endprint