虚拟实验在生物化学实验教学中的作用探讨*

齐彦 郭丽新 卞敬琦 赵程程 田苗

（1.黑龙江中医药大学实验实训中心；2.黑龙江中医药大学基础医学院）

冠状病毒（COVID-19）是一种新兴的病毒，给包括学术和研究在内的所有部门带来了挑战。生物化学和分子生物学的本科生和研究生在学习中受疫情的影响导致实验室关闭，给学习和研究活动的开展带来了一系列的不便。实验不能正常进行，学校不得不采取措施开展线上教学。虚拟实验室是一个强大的教育工具[1]，是在网络支持下的实验系统，使学生能够在家里舒适的进行实验，同时避免意外的干扰。

一、以实验为基础的学科教学受到的影响

目前流行的冠状病毒（COVID-19）给研究和教育带来了很多的不确定性。传统的以实验室为基础的学科，包括生物化学和分子生物学都受到了实验室关闭的严重影响。在全球范围内，数百个学术界的实践会议已经暂停，而且，就冠状病毒的发展来看，其有作为常驻病毒的趋势，没有任何明确的迹象表明短时间内社会秩序能够完全恢复正常。

二、生物化学学科与虚拟实验的特点

生物化学是医学院校的一门基础必修课，主要研究生命物质的化学组成、结构及生命活动过程中各种化学变化的规律，再加上其内容庞杂知识点又多，一直以来都是医学生学起来比较吃力的一门课程；生物化学也是一门实践性较强的学科，这就要求学科教学要做到实验教学与理论教学计划设置科学合理，以便于使抽象的概念更感性及具体化，晦涩的知识点充满趣味，以期收到较好的教学效果。而且近年来医学基础课程在培养体系中存在授课学时压缩，而又不能降低教学要求的“高级”操作，其结果是导致在学生有限学时下亲自试验的机会减少，很难满足社会对医学人才的素质要求。因而，如何设计开发出直观的、形象的、可碎片化利用时间的实验教学方式就成为提升生物化学教学质量的关键。

随着社会的进步，计算机技术和网络技术的发展迅速，催生了虚拟实验技术，其在高等教育学校的实验教学中应用越来越广泛，其基本功能是辅助医学生通过虚拟实验加深对理论知识的理解和巩固，培养学生自主解决问题的能力。虚拟实验室概念是1989年美国弗吉尼亚大学威沃尔夫教授首次提出的。虚拟实验室是基于网络和计算机的应用技术，对传统的各种教学实验室进行虚拟化和数字化建设，即在网络环境中构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象的三维场景，操作者可通过操作键盘、鼠标等设备，实现对实验环境、实验对象和实验过程等的全方位模拟。因此，教师在设计实验教学内容时，可依据实验原理，充分利用虚拟仪器库中可选用的仪器，自由构建合理的实验方案，完成实验过程。

三、虚拟实验在实验教学中的应用

（一）虚拟实验引入教学的必要性

目前我国很多医学高校生物化学实验的教学都面临着很多严峻的挑战。这种挑战突出表现为两点，第一，随着现代生物技术的飞速发展，医学高校生物化学实验课内容的更新速度存在着很大的滞后性。主要是受到生物化学实验用到的设备、试剂普遍昂贵，教学场地紧张、学生人数剧增和教学经费不足的制约，导致在研究性实验室中普遍应用的技术无法在实验教学中实施。第二，多数生物化学实验操作时间不连续，因此耗时较长，而有限的课时数限制了综合性生物化学实验内容的教学。

为了适应现代医学教学的需求，在生物化学实验教学中引入虚拟实验，可集中分享和创新性地应用众多资源，使得时间可被碎片化利用，能够合理解决目前教学中存在的这些问题。虚拟实验室可以打破传统实验教学中时间安排、试剂种类和实验仪器的限制，帮助学生理解实验原理，提高其综合实验操作能力，已被用于生物学、化学和自然科学的教学中。虽然COVID-19流感意外大范围流行，学生依然可以在家里进行实验。如电泳实验中，由于学生等待的时间比较长，可以让学生操作虚拟实验室系统。而在进行核酸电泳实验时，由于琼脂糖凝胶制备时要用到有毒的溴化乙锭(EB)，学校出于学生的安全考虑，多数实验室制备琼脂糖凝胶都由教师代为操作，学生失去了亲自操作的锻炼机会。但在虚拟实验系统中，学生都可以进行琼脂糖凝胶制备实验的虚拟操作。另外，还能够通过虚拟实验系统的示教功能，向学生演示本科实验课程无法开设的科研实验内容，使学生能了解一些新型实验原理及技术。

（二）虚拟实验不应该完全取代传统实验室中的物理实验

虚拟实验系统的实质是利用动态数学模型，通过对3D仿真实验装置进行交互式操作，实时模拟真实的实验过程及实验现象，产生与物理实验匹配的实验现象和实验结果[2]。但虚拟实验室不应该完全替代传统实验室中的物理实验，因为传统实验室中的物理实验更有质感、情感、伦理认同感。虚拟实验中，实验的操作步骤已经程序化，其实验结果也是预设的理论上的结果，然而实际的实验过程会受到各种主客观因素的影响，产生不同的实验现象，甚至可能会出现实验失败的情况，虚拟仿真实验的实验数据有可能是“完美”的，不利于学生分析实际问题。然而，在学术环境中，虚拟实验室和物理实验室可以协同工作。尤其是现在在COVID-19流感大流行期间，学生可以不受任何时间限制地在网上进行虚拟实验，脱离传统实验教学时间、试剂和实验仪器的约束，有益于实验原理的理解、实验操作综合能力的提高。此外，他们还能通过对虚拟实验技术进行研究，为物理实验室做更富有成效的准备。因此，在本科阶段对学生进行虚拟实验室使用的相关培训能够为他们将来在这些领域的职业发展做好准备。

（三）突发公共卫生安全事件中虚拟实验的作用

除了教育教学之外，在线模拟器也经常被用于研究中。在研究方面，博士项目可以调查在大流行期间虚拟实验室的影响。当今社会对具有物理和在线实验多学科技能的科研人员的需求很大。此外，虚拟实验室为博士生和博士后研究人员提供了获得教学经验的好机会。

熟悉虚拟教育中的重要教学方法，如情景教学和探究式学习。参与虚拟实验室的开发，将理论付诸实践并评估报告[3]。因此，博士和博士后研究人员需要经常与导师讨论他们的教学贡献，以避免研究中的潜在延误造成不必要的损失。

（四）虚拟实验是应急情况下在线实验教学的解决方案

生物化学和分子生物学等实验学科的学生受到最近社会距离规则的严重影响。然而，在COVID-19流感大流行期间，虚拟实验室可以为本科生和研究生（博士生）提供一个强有力的高等教育解决方案。由于重要的实验可以在家里在线进行，本科生可以在没有任何干扰的情况下继续学习。而博士研究人员可以研究生物化学和分子生物学虚拟实验室在疫情大流行和新情况下的作用。此外，博士后学者和博士生可以通过帮助学术人员获得虚拟教育的教学经验，以丰富完善应急情况下在线实验教学的手段。

四、展望

利用虚拟实验辅助教学，一定程度上能收到直观、投入少、产出多的效果，给课程学习带来便捷和助力，而且能将专业最前沿的知识及技术带给学生，使教学不用受到现实中诸多条件的限制。

鉴于此，虚拟实验作为辅助教学的实验系统，其软件研发单位应多与各高校教学一线使用部门沟通合作[4]，多采纳教学使用部门有效的建议和意见；同时教师的教育理念也应与时俱进，将虚拟实验系统自然地融入到教学中，强化学生自主学习能力，以推动医学教育的优质发展。