放射性同位素标记核酸杂交实验项目的建设与应用

龚思颖， 许文亮， 胡 原， 邓灵福， 秦丽玮， 李 兵

（华中师范大学生命科学学院生物学国家级虚拟仿真实验教学示范中心，武汉430079）

0 引 言

为加强高等教育实验教学优质资源的建设与应用，促进信息技术与实验教学的深度融合，解决中国大学生动手能力不足等问题，教育部于2013年和2017年分别启动了国家虚拟仿真实验教学中心建设［1-2］。为加快振兴本科教育，全面提高高校人才培养能力，发挥国家虚拟仿真实验教学项目示范引领作用，2018年教育部就加强国家虚拟仿真实验教学项目持续建设与应用有关工作做了进一步规范，“淘汰水课，打造金课”正式写入教育部文件［3］。自2017年教育部开展国家级虚拟仿真实验教学项目建设开始，截至2019年，ilab-x实验空间上共有2 000＋虚拟仿真实验教学课程。

2020年新冠肺炎疫情使得全球许多国家数以亿计的大学生处于停课、停学、停教的危机状态。中国成功实现了“停课不停教、停课不停学”，截至5月初，我国1 454所高校开展了在线教学工作。新冠肺炎疫情加速在线教育的发展，《2020年政府工作报告》明确作出“推进教育信息化”的重要部署，教育部已启动中长期规划和“十四五”规划编制工作［4］。虚拟仿真实验教学正在成为一种新的教学手段，推动高校教育信息化建设，打造虚拟仿真“金课”、建设国家虚拟仿真实验教学一流课程成为虚拟仿真资源建设的重要目标。

1 项目建设的意义

生物学建立在实验基础上，从早期转基因植物研究以来，核酸分子杂交技术在核酸结构和功能研究、基因表达调控和物种亲缘关系研究中发挥着重要作用［5］。放射性同位素标记核酸分子杂交是遗传学、生物化学和分子生物学研究中常用的技术之一，与Realtime PCR技术及地高辛标记相比，放射性同位素由于其灵敏度高，实验重复性好，结果可靠，在Northern杂交、Southern杂交中广泛应用［6］。但由于安全风险大、实验周期长、成本高以及学生需持“辐射安全与防护培训合格证”才能进行相关实验操作等原因，无法经常性大规模面向本科生开展。生物学国家级虚拟仿真实验教学中心（以下简称“中心”）开发建设的首批国家虚拟仿真项目“放射性同位素标记核酸分子杂交实验”，突破了时空限制和高危实验环境制约，弥补了实体教学的不足［7］。

2 项目开发

中心围绕软件功能开发、实验内容和教学模式设计、应用成效、持续改进与共享等方面，以培养学生创新思维、提高实践能力为目标，注重将科研成果融入实验教学，寓“教”于“研”［8］。

2.1 教学软件功能模块开发

该项目属于遗传学实验——转基因植物鉴定与表型分析综合设计型实验的一个专题，该教学软件由南京莱医特电子科技有限公司开发，综合运用了ZBrush、3DS MAX、3D-Coat、AE、Unity3d等软件，教学时长3学时，包含实验目的、实验原理、实验操作、课后巩固、实验报告5个模块（见图1）。①实验目的模块：明确实验内容及重难点，帮助学生在系统学习中快速将所学内容有效联系，提高学习的主动性。②实验原理模块：展示实验原理、器材、实验步骤解析、实验突发状况处理等基础知识。③实验操作模块：含教学、考核、演示3种学习模式，7个实验模块，实验设计体现多路径和推演性，实现随机交互。④课后巩固模块：通过设置问题，帮助学生回顾整个实验的关键知识点和操作要点，巩固学习效果。⑤实验报告模块：分前言、材料和方法、结果、问题与讨论、参考文献5个部分，鼓励学生以研究论文形式采用英语撰写，生成个性化实验报告。

图1 虚拟实验项目模块组成

2.2 实验内容设计

实验操作包括植物RNA提取（7步）、变性RNA电泳（19步）、Northern印迹（转膜）（7步）、预杂交（5步）、探针的制备与杂交（8步）、洗膜（4步）和放射自显影压片（4步）等7个模块，共54个交互性实验步骤，每个模块含实验原理、实验仪器和试剂、实验方法与步骤、注意事项4个方面，既自成体系，又环环相扣（见图1）。

采用“虚实结合”的教学形式（见图1），其中RNA浓度测定、质量检测、变性胶电泳和转膜等内容采用实体实验和虚拟操作相结合的方式学习，探针合成、杂交、放射自显影等风险性较大的操作可在虚拟实验中反复体验，综合运用问题式、探究式、讨论式学习方法，帮助学生掌握核酸分离与电泳、虹吸印迹法转移RNA、探针合成与杂交、放射自显影等生物学关键实验技术。

2.3 “线上＋线下”混合式教学模式设计

实验操作模块设有教学、演示和考核3种模式。教学模式按实验流程依次呈现7个实验模块，并设置包含基础理论及核心操作在内的提问、在线帮助和讨论环节。学生可通过考核模式随机进入教学模式中的任意模块开始实验，通过演示模式观看实际实验操作录像，掌握规范的实验操作方法，起到课前预习、课后巩固的作用。

学生根据需要自主选取任一教学模式，采取“线上＋线下”混合式学习方式。课前“线下”预习实验原理，进入实体实验室熟悉相关仪器，了解实验流程和关键操作，通过演示模式“线上”操作；课堂教学中采取“线上＋线下”混合学习，选取教学模式操作，期间进行小组讨论和演练（4人一组），操作结束后，进入大组（全班）讨论环节；课后以考核模式进行“线上”操作，后台记录所有虚拟操作过程，综合实验过程和考试结果自动量化评分（见图2）。

图2 “线上＋线下”混合式教学模式设计

2.4 考核方式及标准

考核注重过程性评价和考试评价的有机整合，确保评价的全面、客观，如表1所示，涉及5个考核方面。 过程性评价以虚拟实验操作为载体，在实验开始前完成提问环节（图3a），进入实验界面完成所有实验步骤并提交，之前实验操作会被记录（图4b），系统根据操作次数、练习题答案、操作步骤正误等因素，自动评分并解析错误详情（图3c，3d，3e），帮助学生自我评估学习效果。任课老师根据软件的评价反馈、学生的实验报告和考试结果（图3f），综合评定成绩。

表1 虚拟实验考核方式及标准

图3 实验操作及系统评分（虚拟仿真实验部分截图）

3 应用成效

项目面向校内生物科学、生物技术专业、化学-生物学交叉培养班等在校本科生免费开放，通过ilab-x实验空间面向全国高校免费共享使用，目前实验浏览量达23 489人次（截至2020-10-30）。前期调查结果显示，学生的满意度为96.43%，97.84%的学生认为该项目对实体教学很有帮助（截至2017-10-16，2 273人次）。面向2015级本科生调研，回收反馈意见175份，综合分析优势如图4所示。

图4 面向2015级本科生教学调研结果（N＝175）

项目至今接待了新疆师范大学、四川大学、华中科技大学、武汉理工大学、湖北省实验室研究会会议代表等院校领导专家来访和交流；受邀参加全国性虚拟仿真实验教学研讨会、学校信息化教学成果展、虚拟仿真实验校园开放日等活动。抗疫期间组建教学指导和技术服务2个团队，为校内外的虚拟仿真实验用户进行在线答疑或指导，并解决虚拟仿真实验操作中出现的问题。5年来，项目组和相关专业师生通过虚实结合、实践创新，以项目为依托取得了一系列成果，先后获得全国大学生生命科学创新创业大赛一等奖项2项、湖北省大学生实验技能竞赛一等奖4项；全国生物与食品类高校虚拟仿真实验教学资源建设成果二等奖1项、湖北省自制仪器设备一等奖1项；获批省级教学研究项目1项、大学生创新性实验项目2项、软件著作权1项，发表教改论文3篇。

4 改进与发展

随着信息技术发展和人才培养新要求，中心以项目持续改进与共享为目的，结合用户反馈及疫情期间调研情况，从软件功能、知识内容、信息技术、评价体系、共享应用等方面持续优化，探索更符合教育部要求有深度、有难度、有挑战度的虚拟仿真“金课”［9-10］。

4.1 软件优化升级，修复软件使用中出现的问题

避免使用中因软件本身、管理平台、服务器、网络环境（带宽）、终端设备配置等因素造成的操作卡顿、不灵活等问题。对管理平台进行漏洞检查和服务器功能升级；与国家ilab-x.com平台技术接口实行完全对接，便于实验数据回传和采集。采用实时云渲染技术，解决软件首次下载时间过长、兼容性不够和实验卡顿等问题，显著提高程序运行流畅度。

4.2 科教融合，提升高阶性、突出创新性、增加挑战度

注重学科前沿性和技术实用性，紧贴实验课程体系、教学大纲，增加研究性、创新性、综合性实验内容。知识内容拓展和延伸，如引入Realtime PCR技术、生物素标记核酸杂交、DNA杂交、原位杂交、microarray、蛋白质杂交等技术，从实验原理、步骤、优缺点和应用范围等方面与同位素标记核酸杂交技术比较学习。

增加“知识应用”模块，引导学生将知识与科研、应用联系起来，如将核酸杂交实验用于动植物转基因的鉴定、拷贝数分析等实验过程，让学生体验“跳一跳才能够得着”的学习挑战，增强学生经过刻苦学习获得收获的成就感，提高学生创新思维和实践能力。

4.3 集成最新信息技术手段，丰富实验教学

运用虚拟现实、人工智能等技术，提高交互的随机性和智能化。增加多种情形设置、可变量和对应结果，便于差异化学习。提高场景还原的逼真度，如人操作移液器时，移液器移动，场景背景不动，减少眩晕感；提高三维动画人的真实感；通过“半实半虚”方式，将实体实验的图片、视频与动画有机结合，增强真实感和沉浸感。

4.4 建立科学完善的实验教学评价反馈体系

建立包括过程性评价、考试评价、增值评价和发展性评价的综合考评体系，使得评价更加真实合理［11-12］。借助平台管理系统对学生参与虚拟实验的过程、结果、研讨和意见反馈等数据进行采集和分析，作为项目改进的依据。探索适合于全日制本科生、研究生、在职教育硕士等不同学习者的有效教学评价体系［13］。

4.5 提高资源共享效率

以构建完善的生物学实验课程体系为目标，整合优质资源，探索高校间跨专业跨学科的实验资源共享的新模式。推动优质资源在中西部高校开放共享，鼓励教师多模式应用、学生多形式学习，形成学习者人人皆学、处处能学、时时可学的泛在化学习新环境［14］。

5 结 语

该项目紧密围绕遗传学实验转基因植物鉴定与表型分析，综合运用Unity3d等技术还原放射性同位素标记核酸杂交实验过程，突破高危环境限制，帮助学生快速掌握核酸提取步骤、探针制备原理与方法、同位素防护与安全使用规范等知识点，通过教学、演示、考核3种学习模式自由切换和“线上线下”混合式教学模式探索，激发学生学习兴趣，提升实验教学效果和学生实践创新能力。但在信息技术手段更新、实验内容设计和形式创新、多元化教学评价体系建设等方面仍需不断完善。需进一步探索混合教学模式下虚拟仿真资源研发和运用的新思路，对于适应后疫情时代全球高等教育的新变化，推动实验教学改革和高校信息化建设，培养适应未来变化的研究型、创新型人才具有重要意义［15-17］。