文理交叉背景下分子生物学虚拟仿真实验项目建设

汤海峰,李佳伟,刘 艳，吴斯豪，范林圆，滕利荣，崔银秋

(吉林大学 生命科学学院，长春 130012 )

传统的实体课堂教学由于受到时空和资源等的限制，使一些实验条件要求较高、危险性大的实验无法针对本科生开展教学[1]。虚拟仿真技术的出现为解决这些难题提供了有效方法。虚拟仿真实验是学科专业与信息技术深度融合的产物，极大地推进了实验教学信息化建设和实验教学资源的开放共享,推动了高等学校实验教学方法的改革与创新[2]。我国的虚拟仿真实验项目建设起步较晚而且存在的问题比较突出，主要表现为针对某一门课或某一组相近实验较多，多学科交叉综合较少；项目自产自用者多，共享的少等[3]。依托我校分子考古学的科研优势开发的“古生物骨骼中痕量DNA提取”虚拟仿真实验项目使条件要求苛刻的“古DNA提取技术”面向本科生开展教学成为现实。项目利用理科的分子生物学实验手段解决历史学科的考古问题。考古专业的学生学习这方面知识能够拓宽视野，开拓创新思维，促进专业发展，但是这些文科类学生在大学期间一般不进行理科类实体课堂的实验教学。学习虚拟仿真实验项目是他们获取相关理科知识的有效途径。项目可同时面向生物和考古学专业本科生，打破了分子生物学实验一般只针对自然科学类专业学生的传统，拓展了分子生物学实验的应用场景和知识受众，建立了文理交叉学科实验教学新模式。

1 虚拟仿真实验对学生操作技能形成的促进作用

操作技能是通过反复的动作练习而形成的，而虚拟仿真实验是通过计算机模拟的方式完成实验操作，所以人的直观感觉认为虚拟仿真实验一般只能促进学生对实验知识的学习，对实验操作技能的提高意义不大，但心理学研究表明，操作技能的学习既是身体的过程，也是心理的过程。在操作技能学习的不同阶段，心理的参与度不同。操作技能的形成分为操作定向、操作模仿、操作整合和操作熟练4个阶段[4-5]。如图1所示，操作定向和操作模仿阶段可以通过线上虚拟学习实现部分学习目标[6]。

图1 分子生物学虚拟仿真实验内容架构、教学目标、教学方法及对技能形成的促进作用Figure 1 The content structure,teaching objectives,teaching methods of molecular biology virtual simulation experiment and its contribution to enhance student′s experiment skill

1.1 虚拟仿真实验可以实现操作定向阶段的学习目标

操作定向是了解操作技能的基本动作机制并在头脑中建立起操作活动的定向心理映象，是操作技能形成的初始阶段。此阶段的学习目标是掌握操作活动的基本知识要求，建立自我调控机制。当学习者能准确而清晰地建立有关操作技能的定向映象时，就可以有效地调节和控制实际的操作活动[4-5]。

定向映象的建立是通过一系列心理活动完成的。在传统的教学过程中，教师通过示范使学生形成表象；再通过进一步讲解使学生在头脑中正确区分动作的内部特性，建立有关动作的基本概念，掌握动作要领。虚拟仿真实验通过虚拟动画更加直观、形象地演示和解释实验操作的过程和动作要领，使学生快速地形成动作表象，理解动作的内部特性，进而掌握实验操作的要领，为操作模仿阶段的学习奠定基础。

1.2 虚拟仿真实验可以实现操作模仿阶段的部分学习目标

操作模仿是对特定动作方式或行为模式的再现，是个体对在操作定向阶段学习到的基本动作机制进行的动作尝试。操作模仿的实质是将头脑中形成的定向映象以外显的实际动作表现出来。操作模仿对操作技能的形成具有两方面作用。第一，模仿可以检验已形成的动作定向映象，使之更完善、巩固、充实；第二，可以加强个体感受，即获得初步的动觉体验，有利于准确的动觉体验的产生[4]。虽然虚拟仿真实验是以动画的形式模拟实验操作，但仍可以检验、完善和巩固已经形成的关于实验操作的动作定向映象，完成操作模仿的第一方面作用。环境沉浸式虚拟现实(VR)技术能够虚拟听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等人类感知功能，它所模拟环境的真实性逼近现实世界。虽然难以提供现实的操作训练给学生带来的全部个体感受，但仍可以为学生带来有限的动觉体验。

操作整合和操作熟练阶段的学习主要以身体参与为主，心理过程参与度较低。这两个阶段的学习要充分体现虚拟仿真实验“虚实结合”的特性，开展线上虚拟实验引导下的实体课堂学习，使操作技能达到熟练的程度。但是线上虚拟仿真实验可以为学生提供课后的“复习式练习”平台，巩固已经获得的操作技能[6]。

2 分子生物学虚拟仿真实验项目的设计与制作

2.1 分子生物学虚拟仿真实验项目的选题

古DNA研究是利用理科的分子生物学实验技术解决历史学科考古领域问题，属于文理交叉学科和考古学中的热门研究领域[7-8]。古生物体在死亡后又历经成百上千年的侵蚀，内源性和环境因素导致古DNA产生了毁灭性变化，完整度和含量极低[9]。在实验操作过程中很容易被含量丰富的外源DNA污染[10]。进行古DNA研究一般需要在专用实验室并采用特殊的实验方法。因此，在实体课堂中进行古DNA研究技术的实验教学具有难以克服的障碍。另外，古生物标本的稀缺性导致实验材料无法获得是限制其本科教学的另一因素。开发虚拟仿真实验是解决这一难题的有效途径。吉林大学考古学科作为国家“一流学科”在分子考古和古DNA研究领域已经取得了丰硕的成果。选择我校优势研究领域进行虚拟仿真实验项目开发可以充分发挥学科优势开发高质量教学内容，实现学科间、学校间优质资源共享。

2.2 项目定位与教学目标设计

巩固、加深学生对理论知识的理解，培养学生的操作技能是实验教学的主要目的之一。无论是实体课堂实验还是虚拟仿真实验对学生操作技能的形成都至关重要。设计虚拟仿真实验项目时，要突出信息技术的优势，按照教育心理学的基本原理，着重对实验原理和实验流程的展示和示范。本项目的教学目的定位是以传授实验理论和展示、解释实验操作过程为主线，兼顾仪器设备操作方法的示范。项目的教学对象以生物专业学生为主兼顾考古专业。针对不同的施教对象设计了差异化的教学目标。项目针对生物专业的教学目标设计：掌握古DNA与普通DNA提取的理论知识；掌握古生物标本采样方法和古DNA提取的方法；初步掌握相关大型仪器的使用方法。针对考古专业的教学目标设计为：了解古DNA的提取步骤及每个实验步骤的作用；了解古DNA提取时所需要的设备及作用；了解古DNA提取时实验室的环境要求及人员的防护要求。

2.3 项目的内容设计

本项目以“古生物材料DNA提取实验”为技术主线，涵盖古DNA研究所需的特殊实验操作环境和方法。把物理防护屏障与防护手段、样品的前处理、骨骼样品的破碎方法、荧光法测定微量DNA浓度等与普通生物材料DNA提取差异较大的知识点和技能点设为教学重点。

项目的整体知识体系由实验理论知识、仪器设备训练和实验操作方法等3个模块组成，各专业学生可以在没有先修理论课的情况下独立学习(图1)。每个教学模块设置了学习(练习)和考核两种功能模式，实现了学习、考核一体化。实验理论知识模块在提供文字材料的基础上嵌入了教学录像，增加了学习过程的趣味性和生动性。仪器设备训练模块为学生创造了实验操作前单独学习仪器设备的学习空间。项目所使用的离心机、恒温孵育器等实验仪器属于实体课堂常用的教学仪器，学生在参加其他课程实体课堂教学前也可以利用该模块进行在线学习。学生先通过网上进行虚拟操作和预习，形成了相关操作技能的心理映象，初步掌握了仪器设备使用方法，这时再参加实体仪器使用培训，学习效率得到了显著提高[11]。通过将仪器设备训练设置成为独立的教学模块有效地拓展了本项目的应用场景，实现课程间资源共享。

3 分子生物学虚拟仿真实验项目的教学应用

3.1 “线上线下”混合式教学

针对考古学相关专业，项目设为选修，以“线上”学习为主。学生首先完成实验原理的学习，然后通过仪器训练和实验操作模块的练习模式在平台的智能指导下完成实验操作。

针对生物学相关专业，项目列入“分子生物学实验”课程的教学计划，设为4学时。其中实验原理(含仪器设备的工作原理)部分1学时，仪器设备训练部分1学时，实验操作部分2学时。实验讨论通过平台在线进行，不计学时。学生按要求在规定时间内，依次完成实验理论知识、仪器训练和实验操作三部分内容的学习与考核。项目所涉及的主要内容“生物材料DNA提取技术”会在实操项目“质粒DNA的提取实验”和“种子萌发前后核酸提取实验”中进行延伸和拓展。3个实验项目的原理和操作技能点具有相似性和重合性，实现关键实验知识的重复学习，强化学习效果。学生在线上学习后形成了一系列实验操作过程的心理映象并经过了初步的操作模仿，在实体课堂上通过操作整合和操作熟练过程后，最终形成扎实的实验操作技能。

3.2 学习效果综合评价

项目通过形成性考核和终结性考核对学习效果进行综合评价。形成性考核是指对学生的学习过程进行全面测评，是对学习者学习目标的阶段性测试。项目的形成性考核包括考勤(在线学习时的出勤情况)、在线操作成绩和阶段测试成绩3部分，分别占综合成绩的10%、40%和30%。在线操作成绩和阶段测试成绩通过各虚拟教学模块的操作过程计分功能实现。学生学习时可以反复进行学习和考核，按规定操作次数或时间内的最高成绩计入总成绩。终结性考核是指学期末的综合性考试，包括实验理论知识、线下操作等内容，占综合成绩的20%。2020学年春季学期，受疫情影响开展分子生物学实验线上教学。以生物科学、生物技术和唐敖庆班(拔尖人才班)的成绩评定为例：3个专业共有86人，综合成绩为优秀、良好和中等的分别有20人、65人和1人，成绩呈正态分布(图2)。学生综合成绩均在70分以上，表明他们基本完成了预定学习目标。在综合成绩的4个成分中，在线操作成绩占比最高为40%，该部分成绩采取形成性考核的方式进行评价。学生在线进行虚拟操作学习时出现错误操作时，系统自动提示扣分，使学生能够及时知道扣分原因，以便在下一次的操作中进行改正。通过反复的操作训练减少学生的错误次数，增强学习效果。通过形成性考核的方式使学生的在线操作成绩优秀率达到49%，远高于期末终结性考试成绩10%的优秀率。对学生来讲，形成性考核能够更好地监控自身学习效果，有利于他们及时发现和弥补学习中的薄弱之处，使其在学习过程中动态调整学习方法和时间分配，更好地完成学习目标。对教师，形成性考核是对学生整个学习过程进行动态地观察、反馈而做出的过程性评价，可以不断地获取相关教学反馈信息,以改进教学手段[12]。通过形成性考核和终结性考核相结合的方式对学生学习效果进行评价不但能够评价教与学的结果还能关注教与学的过程，使教与学中存在的问题能够及时发现、及时纠正，最终提高项目教学效率和效果，提升教学质量。

图2 分子生物学虚拟仿真实验项目考核成绩分布Figure 2 The distribution of test scores in molecular biology virtual simulation experiment

4 结语

虚拟仿真实验是一种新型的信息化实验教学手段，是实体实验课堂教学的有效补充。通过虚拟仿真实验可以开展受条件限制无法开展或危险性较大的实验项目，突破了实验教学知识空间的有限性；学生完成虚拟学习后，还可以通过平台进行复习，巩固理论知识及实验技能，打破了实验教学项目的单次性；学生可以随时、随处通过终端进行在线学习，打破了实验教学的时空限制性。因此开展虚拟仿真实验教学是高校丰富实验教学形式，提升教学质量的有效教学手段。