以生物医学交叉领域大学生科研创新能力培养模式研究为例

尹娟 刘诚 宋金卓 董絮 汪娇

摘 要：古生菌作为一种特殊的微生物类群，在人类皮肤微生物组中是一个恒定但高度可变的组成部分，目前研究发现：奇古菌可能通过硝化作用降低皮肤pH，造成皮肤屏障功能破坏;在土壤、海洋中的氨氧化古菌通过氨氧化作用调节生活环境中的氨氮平衡，与我们生产生活密切相关。因此，越来越多的科研人员对其进行深入探索，但传统实训实验中存在着古生菌分离培养成功率低、周期较长、菌株鉴定成本高、遗传和生化操作技术平台要求高等问题，基于传统实验操作的连贯性、真实性、记忆性等特点，为模拟古生菌实验的细节以减少错误率而拟创建集科普、教学、科研于一体的皮肤古生菌虚拟实验科普互动学习平台——《异“菌”突起》。通过古生菌的发现历程、简介、应用前景等版块提供对极端微生物生活环境和生物学特性与功能角色的介绍，利于虚拟培养板块利用网页交互操作进行线上古生菌相关实验操作模拟（本文主要以氨氧化古菌为代表菌株，模拟其分离、培养与鉴定过程）。

关键词：虚拟实验科普互动平台;古生菌;实验模拟;教学资源

随着社会的不断发展，科学技术的进步，人们逐渐走进了互联网时代，个性化学习也层出不穷。其中，教育部强调了虚拟仿真实验教学的重要性，并于2013年开始国家级虚拟仿真实验教学中心的申报和布点工作，取得了很好的示范效果[1]。因其发展带来的便利，本团队拟建立集科普性、学术性、技术性、创新性为一体的《异“菌”突起》——湖文本科特色虚拟实验科普互动微生物平台。

1 皮肤古生菌虚拟实验科普互动平台创建背景

皮肤是人体最大的器官，作为人体的第一道防线，通过淋巴系统、血管系统和表皮神经与身体的其他部分相连接，具有屏障、吸收、感觉、分泌排泄、体温调节等多种功能。成年人皮肤布满丰富的褶皱、凹陷和附属物，面积大约为18m2，而每1cm2的皮肤表面多达10亿个微生物：细菌、真菌、古生菌、病毒等，这些微生物与皮肤健康息息相关。而古生菌作为一种古老的细菌存在于皮肤上，直接或间接的影响皮肤健康。

基于近年来皮肤古生菌在生物医学、生活生产、工业环境等方面的发展情况及重要性，本文以生物医学交叉领域大学生科研创新训练研究项目——“襄阳市不同地区居民皮肤古生菌的分离鉴定及其菌群进化关系的初探”为例，建立《异“菌”突起》虚拟实验科普互动平台，用于对皮肤古生菌相关知识及实验内容进行学习以及模拟操作。

虚拟实验科普互动平台采用理论与实践结合的模式，通过古生菌的发现、简介、虚拟培养、应用前景四个模块，以视、听、触等感觉器官来接收信息，让生命科学及生物医学交叉领域专业的学生了解学习古生菌（以皮肤古生菌为例）生物学特征，掌握其分离、培养与鉴定等实验操作细节，为科研创新训练提供了一个不受时间、空间限制的学习实践平台;在教学资源方面，提供对极端微生物生活环境和生物学特性与功能角色的介绍，营造自主个性化学习、自主实验的虚拟科研条件，激发学生创新思维，提升现实动手实践能力。

2 《异“菌”突起》虚拟实验科普互动平台的构建

2.1 虚拟实验科普互动平台内容设计

《异“菌”突起》虚拟在线学习平台的内容设计要求简洁、便于操作、比例协调、重点突出。其拥有“古生菌的发现历程、已知古生菌的简介（分类、分布与功能、进化树）、古生菌虚拟培养、古生菌的应用前景（例如，氨氧化古菌产氨——氮循环、产甲烷古菌产甲烷——碳循环）”四个菜单栏，根据需求，点击进入后获取相应的资源（文章、视频、图文、科普、菌株信息等）。其中古生菌虚拟培养是该平台的特色板块，云实验通过鼠标的拖拽及声音的感知使学生有较强的代入感。

2.2 虚拟实验科普互动平台板块设计

本项目提出“知识学习——实验模拟——实际操作”，将理论与实践相结合，线上进行古生菌相关实验的模拟，线下进行实际操作，通过《异“菌”突起》将两者联系起来，不仅可以提高学习者的知识学习效率，同时还能使实际实验操作的容错率增加。线上线下的相互促进融合，一方面提高科研创新训练的实验技能，另一方面提供了教学的辅助资源。

2.2.1 古生菌的发现历程

现今一切生物都是由共同的远祖，一种小的细胞进化而来，分化出细菌和古生菌这两类原核生物。《异“菌”突起》虚拟学习平台通过导入互联网数据库中相关文献信息，从系统种系开始向受众介绍什么是古生菌、古生菌是如何发现的、目前对古生菌的研究等等。借此平台系统的介绍古生菌的发现历程，向读者展现特殊类群的微生物，激起其对古菌的研究兴趣。

2.2.2 古生菌虚拟培养

《异“菌”突起》虚拟实验科普互动平臺通过计算机的3D技术和人际交互模式使用户体验“动手做实验”的乐趣，加强用户基础知识，使用户在实验中发现问题、探索问题;同时用户还可以自主完成科研设计，培养科研思维习惯。古生菌培养周期较长、皮肤表面无菌采集较难、且器材耗费昂贵等原因有利于《异“菌”突起》虚拟在线学习平台的建立，以氨氧化古菌为例，该平台包括实验前准备（消菌防护措施、培养基配制、样本采集）、虚拟实验操作（样本培养、菌液分离纯化、16S rRNA基因扩增）、实验后总结（数据整理、实验器材归为）三部分。进入虚拟实验后，系统会按照已定的操作内容给予提示，操作人员根据相应的提示（实验装置、实验步骤、操作要点、注意事项等内容）通过拖动鼠标、点击系统正确器材或者操作过程来继续实验。实验操作结束后，系统会进行数据的整理及实验器材的正确归位提示，在整个虚拟实验完成后，系统会根据操作人员的细节操作给予评分，可选择继续实验模拟或退出实验模拟。

2.2.3 古生菌的应用前景

科学家利用许多微生物给人类生活带来了益处，例如益生菌、噬菌体疗法等等，古生菌的发现对人类健康、生产等方面也存在潜在的应用前景。氨氧化古菌产氨——氮循环、产甲烷古菌产甲烷——碳循环等等之类的应用前景都在这一板块展示出来，在读者学习的同时带来科研及创业灵感，更好地利用菌株资源。

3 虚拟实验科普互动平台创建的目的及优点

3.1 虚拟试验科普互动平台创建的目的

随着科技水平的提高，人们越来越渴望深入探究人体各个组织器官微生物群落的生物多样性、组织结构以及功能差异，更加彻底的了解人类自身，皮肤状态影响一个人的直观感受，皮肤微生物组受到越来越多的关注。而在其中有一类特殊的微生物代表——古生菌，人类皮肤微生物组的一个恒定但高度可变的组成部分。

皮肤古生菌的科学研究起步相对较晚，且没有较完善的古菌培养系统，在实验室条件下生长的物种并不一定是取样部位占支配地位的物种，不能正确地呈现皮肤微生物群落的原始状态，因此皮肤微环境的成分复杂性在实验室内很难完全模拟，再加上传统实训实验教学存在着古生菌分离培养成功率低、周期较长、菌株鉴定成本高、遗传和生化操作技术平台要求高等问题，分离、培养与鉴定过程中一步失误就会造成实验的停滞以及材料的浪费。

基于本课题组的“襄阳市不同地区居民皮肤古生菌的分离鉴定及其菌群进化关系的初探”，本项目拟建立《异“菌”突起》虚拟实验科普互动平台，用于对皮肤古生菌的相关实验进行模拟，进行初步的探索学习。

3.2 虚拟试验科普互动平台创建的优点

传统实训实验教学具有真实性、连贯性、记忆性等较强的特点，但我们不难发现传统实训实验教学的资源和模式存在以下几个共通的问题：一是实训环境主要为实景，无法进行沉浸式教学，知识理解难度较大;二是场地以及空间均受限制，学生无法随时随地进行实验学习;三是实训实验的基础设备要进行定期的维护以及更新;四是教学资源相对于互联网时代较落后[2]。基于传统实训实验，以生物医学交叉领域大学生科研创新能力培养模式研究为例建立的《异“菌”突起》虚拟实验科普互动平台可以很好的解决以上的问题。

通过虚拟实验科普互动平台可以进行样本采集、培养基配制、古生菌生长、古生菌分离纯化、菌种鉴定等实验内容的模拟操作，减少传统实际实验操作中资源的消耗，且实验模拟不再受时间、空间、条件及人数的限制，通过云操作有较强的情景代入感，同时，反复操作的可能性增强了学生的实验动手能力，可避免知识的遗忘，在科研创新训练方面提供一个学习实践平台;在教学方面，虚拟实验科普互动平台是对教学的一种辅助资源，节省了实验教学的时间，提高教学质量，更好地培养学生自主思考的能力，激发同学们的创新思维能力，给社会提供了专业水平扎实、理论知识过硬的复合型人才。

4 结语

虚拟仿真实验教学是依托虚拟现实、多媒体、人机交换、数据库和互联网通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环节和实验对象，在虚拟环境中开展实验，以便在真实实验不具备或难以完成的条件下实现教学效果的教学方式。

《异“菌”突起》虚拟实验科普互动平台的建立与应用，实现了虚拟项目中仪器、场景、实验操作的可视化，可以为学生、教师、科研爱好者等学习对象提供学习交流、互助的平台。对学生来说，学习地点不再仅仅局限于课堂，并且能学到课堂上老师由于其他原因未普及的知识，拓展学生眼界、增加对医学健康、生物资源、未来生物医药等领域的知识见解;对教师来说，利用虚拟在线教育平台教学，为传统教育模式帶来空间，注入新的活力;同时平台的不同模块使资源优化、开放、高效，营造自主个性化学习、自主实验的虚拟科研条件，激发学生创新思维，提升现实动手实践能力。

未来我们将在初步建立的基础之上继续扩充资源，扩大共享范围，以期取得更好的效益，借助于互联网培养专业技能人才。

参考文献：

[1]技术革命催生中国高等教育变革[J].新课程研究（中旬刊），2013（08）：77.

[2]田萌.新冠疫情下基于虚拟现实技术的实训教学平台建设研究[J].价值工程，2020，39，569：9-12.

基金项目：本文系湖北省高校人文社科重点研究基地湖北文理学院鄂北区域发展研究中心课题基金资助（项目号：2020JDB016）

作者简介：尹娟（2000— ），女，汉族，湖北襄阳人，本科，研究方向：微生物学。