虚拟实验在分子生物学实验教学中的应用研究

丁小丽

摘 要： 分子生物学是生命科学一门重要的基础课程，实验教学是分子生物学的关键环节。开展虚拟实验，运用新兴虚拟网络技术，解决传统分子生物学实验教学中的种种矛盾和难题，提高和完善分子生物学实验。

关键词： 虚拟实验 分子生物学 应用研究

分子生物学是人类从分子水平上真正揭开生物世界奥秘的基础学科，是生命科学的前沿科学，对于大学生而言是一门非常重要的基础学科[1]。同时，分子生物学又是一门实验性非常强的学科，实验教学是分子生物学教学的重点。但传统分子生物学实验教学由于实验周期长、成本高、教学难度大等因素，限制其在高校的普遍开展。虚拟实验技术依托“虚拟现实”[2]技术产生和发展起来的一种实验模式，起源于20世纪末。现在高校基本普及了校园网，基于校园网构建虚拟实验系统，师生可以共享一个虚拟空间。在增强实验教学效果、增强学生学习兴趣、培养学生创造力和想象力等方面有显著效果。

1.分子生物学实验教学现状

（1）成本高，实验版本低：分子生物学发展迅速，新方法、新技术不断涌现，但是新技术需要的设备、试剂耗材等非常昂贵，动辄几十万，普通高校无法开展相关实验，只能多年如一日，开展老式分子生物学实验，学生无法学到新方法，了解不了生物学前沿知识和技术。

（2）效率低，耗时长：分子生物学实验的特点是耗时长，步骤间隔时间长。以PCR实验为例，前期学生将引物、酶、dNTP、DNA、水等加上后，PCR仪器设定好，接下来就是几个小时的等待时间。等PCR结果出来才能进一步电泳检测，而电泳也是费时不少。所以，几乎每一个分子实验都是操作等待再操作的过程，效率很是低下。

（3）直观感受太少，学生兴趣不足。分子生物学实验的另一大特点就是微观操作比较多，例如，PCR反应、酶切酶连、琼脂糖电泳等实验，都是微观世界的改变，对学生而言完全没有直观观察效果，学生根本无法亲眼见到整个实验的反应过程，提不起学习兴趣。

（4）实验安全性欠缺：分子生物学涉及很多有毒有害甚至致癌的药物试剂，学生进行实验操作时稍不注意就会伤害自身安全，而且每个实验均涉及有毒有害物质的排放，将对环境产生不小的污染。

2.虚拟实验可以弥补分子生物学实验的种种不足

（1）成本低，易开展：与分子生物学实验所需的动辄几十万的仪器相比，虚拟实验室的构建成本相当低，而且后期维护成本小，没有器材、耗材试剂材料等的消耗。

（2）效率高：传统实验室由于种种原因，会造成仪器台件数不足，一个班同学分成几组操作实验，而且学生只能在实验室操作学习，难以反复训练。分子生物学实验的特点是等待时间过长，整个过程冗长费时。虚拟实验室解决了这些问题，即可以通过网络实现多人同时进入，而且在电子产品日益普及的今日，大学生大部分都拥有自己的电脑，让学生根据自己的学习程度，任何时间都可以练习操作，熟练掌握实验操作要点和内容。

（3）趣味性强：虚拟实验将实验中肉眼无法见到的微观世界的种种变化转化成生动有趣的动画模式，让学生非常直观地了解实验过程到底发生了什么，调动学生的学习热情。再加上现在学生对电子、网络等非常有兴趣，虚拟实验室的建立正迎合了学生的趣味。

（4）安全性高，对师生无伤害，对环境零污染：虚拟实验室完全避免了化学试剂对学生身体的伤害和对环境的污染，符合中国现阶段的发展需要。

3.分子生物学虚拟实验室成立

根据目前普通高校的状况，一般学校都能满足要求，只要在实验室原有基础上购进最基本的仪器（电脑、数据采集卡等）与配套软件，甚至可以多学科联合，开发相应的虚拟仪器，建立分子生物学虚拟实验室。

4.分子生物学虚拟实验室的应用

（1）首先，培训教师熟练掌握软硬件的操作，从而把分子生物学知识形象、生动地展现给学生，帮助学生理解理论知识，掌握实验操作要领。

（2）其次，学生可以随时运行虚拟实验室软件，对整个分子生物学实验课程进行多次复习，这样学生对相关仪器的操作、实验关键步骤的操作都能得到反复练习，从而熟练掌握整个实验技能。并且整个虚拟实验室氛围安全无毒，提高安全防护意识，避免学生实际操作时手忙脚乱，造成安全隐患。并且，现在大学生对电子信息、网络等非常热衷，如果我们的实验室界面设计得非常人性化和友好，那虚拟实验肯定会最大限度地调动学生的学习积极性，充分发挥学生的主观能动性，培养学生积极主动学习的能力。

5.存在的问题及展望

（1）专业合作及技术上的问题：分子生物学和虚拟技术是两个完全不同的研究方向，必须加强两个不同学科研究及教学人员之间的合作和交流，才能更好地服务于虚拟实验室。并且虚拟技术尚处于发展阶段，从软件的复杂度到运行计算机的性能要求高等都是亟待解决的问题。

（2）学生和教师必须改变学习、教学方式，改变思考问题的方式，才能适应虚拟实验环境。必须加强对使用者的能力培训，使师生都能更好更正确地操作软件。

（3）虚拟实验不能完全取代现实实验。虚拟实验虽然有趣、安全性高，但毕竟跟现实操作不一样。两者各有利弊，实际教学过程中应该坚持“实际操作为主，虚拟实验为辅”的原则。

参考文献：

[1]朱玉贤，李毅.现代分子生物学[M].2版.北京：高等教育出版社，2002：1-3.

[2]李科峰.虚拟现实技术及其在教学中的应用[J].网络安全技术与用，2007（2）：73-74.