虚拟仿真实验教学在生物学研究生培养中的作用探究

邱念伟 刘柏玲

摘  要：生物学科学研究存在实验周期长、流程复杂、高精密仪器多，失败几率高、实验耗费大，危险因素多等问题。快速掌握科研方法和实验技能是培养生物学研究生的科研素质，提高其学习和效率的重要途径。虚拟仿真实验可快速提高生物学研究生的实验技能，提前熟悉实验过程，提高实验成功率，节约培养成本，加快學习进程，增加科研成果产出，提高生物学研究生的培养质量。

关键词：生物学研究生  虚拟仿真实验教学  学科特点  必要性

中图分类号：G643.2   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）10（b）-0109-02

近年来，随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟仿真实验课程在学生培养中的重要作用，国内的许多高校都开始根据教学的需要建立虚拟仿真实验室。2014年3月教育部公示首批100所国家级虚拟仿真实验教学中心;2018年7月教育部又评选了首批国家级虚拟仿真实验教学项目，虚拟仿真实验教学逐渐在各高校如火如荼地开展。生物学是一个实践性很强的学科，需要开展大量的实验训练。但是目前虚拟仿真实验课程主要针对本科生开展，在研究生培养方案中开展较少[1，2]。由于研究生是真正从事科学研究的生力军，需要应用大量高新技术、开展系统实验和创新性科研项目，虚拟仿真实验教学课程对于生物学研究生培养更为重要[3，4]。

1  生物学科学研究的特点

生物学是一个实践性较强的学科，生物学研究生必须充分理解和熟练掌握各项实验技能，能够系统地发现、分析和解决问题才能获得创新性成果。但初入学的研究生在本科阶段学习的大多是简单的、短时的、成熟性实验，大多数学生还不具备开展创新性科学研究的能力。有人把研究生阶段比作是“科研的断乳期”。让研究生尽快适应“断乳期”，迅速掌握科研实验的技术与理论，快速培养创新思维能力是培养生物学研究生的关键环节。在传统的生物学研究生实验技能培养过程中，需要消耗较多的人力、物力、财力和时间。这主要因为生物科学研究具有以下特点：（1）实验周期长，难以多次重复;比如植物转基因，获得转基因植物纯合体需要2年甚至更多的时间。（2）实验流程复杂，难以快速掌握;一项科学研究需要很多科研环节和长期监测才能完成，研究内容需系统、完整。（3）生物学科研仪器设备大部分为进口设备，价格昂贵，实验仪器操作不当给仪器带来损伤或缩短仪器使用寿命。（4）实验材料和试剂花费较大，培养一个生物学研究生大约花费数万至数十万不等，实验操作失误或流程错误往往会浪费大量人力、物力。（5）生物学实验受影响因素较多，失败的几率非常大，很多实验多次重复才能成功。（6）生物学实验中危险性因素多，操作不慎会对人体、仪器和实验场所造成危险。

上述因素显著影响了研究生科研课题的顺利开展。虚拟仿真实验技术的出现和应用为上述问题的解决提供了一条新思路，虚拟仿真实验技术可将“长时程实验短时化、大尺度实验微缩化、微观实验可视化、危险实验安全化、复杂实验熟练化、难重复实验再现化”，使学生不必进入实验室就能够进行一些实验操作，等技术原理和实验操作熟练掌握后，再进行实际实验，从而快速提高研究生的实验技能，熟悉实验过程，节约培养成本，加快研究进程，多出科研成果[4]。

2  为生物学研究生开设虚拟仿真实验课程的意义

目前，国内的虚拟仿真实验课程主要面向本科生开设，开展的实验课程多是基础的、简单的、成熟的、小型的实验项目。针对生物学研究生的科研创新需求开设的虚拟仿真实验项目极少。相对于生物学本科生而言，研究生应具有独立开展科学研究的能力，需要进行系统的科研训练和技能培养，培养生物学研究生所需要的虚拟仿真课程也应有显著的不同。生物学科学研究内容更多涉及高危或极端环境，实验操作不可及或不可逆，实验过程高成本、高消耗、长时程，实验场景大尺度，或是复杂的综合训练实验项目。因此，更有必要向生物学研究生开展培养其实践创新能力所需的虚拟仿真实验课程[5]。在生物学研究生培养中开展虚拟仿真实验课程对传统的研究生培养模式、教学思想、教学体系、实验内容、教学方法都会产生意义深远的颠覆性影响，将在研究生的学习效率、技能培训、节约经费、安全操作、创新思维、知识拓展等各个方面获得新突破。面向生物学研究生的虚拟仿真实验课程在研究生培养中将发挥以下作用。

2.1 可快速提高研究生创新实践技能，尽快开展科学研究

研究生与本科生不同，本科生培养主要开设基础的、简单的、成熟的、短期的实验，用来培养学生的基础知识和基本实验技能。研究生则从事创新性的、复杂的、系统的、长期的科研工作。从本科生到研究生，创新能力是一种剧烈的蜕变，其科研经验需要较长时间的培养才能获得。

通过虚拟仿真实验可以使学生在短期内熟悉自己的科研方案、技术路线、实验技能、预期结果等。使研究生快速入门，提前步入科研状态，提高科研成功率。

2.2 研究生需要快速熟悉和有效利用各类高精尖仪器

与本科生不同，研究生使用的大都是高精尖的科研设备，一方面各类仪器的操作步骤较为复杂，注意事项较为琐细，往往需要专人操作或专门培养。操作不慎可能会严重损伤仪器设备或缩短仪器使用寿命，造成严重经济损失。另外，生物学研究需要的高级仪器设备较多，研究功能丰富。但研究生能够熟悉各类高级仪器设备的功能，并熟练使用的高级仪器设备的并不多，很多研究生不知道如何利用高级设备去研究自己的课题。

通过虚拟仿真实验可以让每个研究生都能快速熟悉各类高级仪器的原理、用途、操作、实验准备、注意事项等。有助于学生将各类高级仪器融入到自己的课题研究中，既可以提高科研成果的水平，也可以提高高级仪器设备的使用效率。

2.3 提高研究生科学研究成功率，节约科研经费

培养一个生物学研究生需要数万元乃至数十万元科研经费，实验失败是科研中的普遍现象，造成大量经费损失。研究生从事的是创新性实验，初入学的研究生对实验对象的生物学特性、培养方法、取材方法、实验操作、数据处理等各个方面知识和经验非常薄弱，任何一个环节的失误都会导致前期的实验工作前功尽弃。通过虚拟仿真实验不仅可以使学生了解实验对象，预测实验结果，还可以培养学生的实验技能、数据处理方法等，可大大提高实验工作的效率和成功率，减少试剂耗材的用量，延长仪器设备的寿命，节约科研经费。

2.4 有助于研究生安全教育

研究生需要快速了解实验室管理制度、实验室安全注意事项、操作规范等，因为生物类实验较为复杂，有毒、有害、易燃、易爆的危险药品较多，水、电、火、氣等普遍使用，各类仪器设备危险因素也较多（如电炉、高速离心机、放射性物质辐射、紫外辐射等），安全教育一刻不能放松。通过实践操作很难将各个环节介绍清楚，课堂教学学生印象不深。虚拟仿真实验可以系统地、经常地向学生介绍各类危险因素、预防办法及应对措施。通过逼真的仿真系统可使学生获得真实深刻的记忆，有效保障实验室和人身安全。

2.5 难以观察的科研实验可先通过虚拟仿真未卜先知

很多生物学实验可以事先通过虚拟仿真软件进行预测。如筛选药物的靶点蛋白，就可以先通过虚拟仿真筛出可能的结合蛋白，把不相关的蛋白筛除，减少实验工作量。通过虚拟仿真也可以预测蛋白复合体的组装和精细结构，推测蛋白质的功能，提出蛋白质的工作机制。在宏观生物学方面，虚拟仿真也有广泛的用途，如根据水生生物生长和迁移规律可以预测被破坏水体的生态恢复过程。有了虚拟仿真实验软件的帮助，许多不可见、难观察的实验结果就可以呈现出来，延伸我们对科研现象的认识维度，能够提高科研的成功率、工作效率和研究水平。

2.6 长周期实验可以快速了解实验进展

部分生物学实验周期较长，难以重复。如植物转基因实验，从目的基因的克隆到纯合体的筛选需要十余个步骤，涉及十几项实验技术。即使实验顺利，整个实验过程也至少需要1～2年的时间，农作物的转基因周期更长。实验过程存在很多不可预知的问题。让学生提前预知植物转基因的流程，熟练掌握转基因过程中各项实验技术，就可以减少实验错误，少走弯路。

2.7 随时随地学习，节约教学时间，提高学习效率

虚拟仿真实验教学课程可提供开放式实验教学服务，可远程共享，具有电脑客户端和手机客户端，可以在教室、宿舍、家庭、旅途等各类场所随时随地进行学习，方便学生自主灵活参与实验。可随时与指导老师交流答疑，也可以测试自己的学习效果，反复学习实验内容，打牢知识基础，熟练实验操作和实验流程，学习不受时间、空间及仪器设备限制。从而提高学习的效率、教学师生教学时间，节省人力物力。

3  虚实结合提高研究生培养质量

为研究生开展虚拟仿真实验的目的不是“以虚代实”，而是以虚促实，以虚扩实，虚实结合，最终目的是提高研究生的创新实践能力。在研究生实验技能培训中仍然要坚持“能实不虚”的原则，可以满足实际实验的情况下，还是以实际操作实验对学生进行训练。开展虚拟仿真实验是对实际实验的补充，充分发挥虚拟实验的优势，培养研究生的自主创新能力。目前虚拟仿真实验课程在医学、工科类研究生培养中已有成熟的应用[2，6]，可使研究生快速熟练实验技能，创新思维能力更加系统和完整，科研能力和素质会得到快速提高。因此建议在生物学研究生培养中充分发挥虚拟仿真实验课程的作用。

参考文献

[1] 胡朝英.基于“虚拟仿真技术”构建本科实训教学体系的改革与实践[J].教育教学论坛，2018（14）：131-132.

[2] 李彦江，谭冲，吕建婷，等.虚拟仿真实验平台在研究生控制类课程中的运用[J].高师理科学刊，2016，36（3）：46-47.

[3] 李佳，徐阳.基于虚拟仿真实践的研究生创新创业能力培养模式研究[J].黑龙江科学，2018，9（4）：162-164.

[4] 郭明雄，龙燕，谢志雄.生物类专业免疫学实验课综合性改革及其虚拟仿真系统应用探索[J].高校生物学教学研究：电子版，2018，8（4）：3-6.

[5] 徐阳，周亚南，孟圆，等.研究生创新创业能力培养导向下的虚拟仿真实践教学[J].西部素质教育，2019（5）：7-9.

[6] 杨洁如，许丽芳，李熠，等.临床专业学位研究生虚拟仿真教学的思考和建议[J].科教文汇，2017（35）：71-72.