生物技术综合实验虚拟仿真项目的建设与应用

黄 晶，黄 江，潘光钰，王 凛

（桂林医学院生物技术学院，广西 桂林 541199）

引言

信息技术已深深植根于高校教学改革之中，线上教学资源日渐丰富，线上线下混合式教学模式受到了广大师生的拥护。特别是在新冠疫情持续的特殊阶段，线上教育资源的建设和利用越来越受到学校和师生的重视[1]。传统实验教学中，教师是实验技能传授的主体，是中心，学生的实验学习主要依赖于实体实验室环境。学生是实验技能的被动接受者，缺少主动锻炼的必备条件，如：固定的学时数、耗材的限制、仪器设备的不足等等。随着高校招生人数的不断增加，实验教学资源面临巨大压力。由于传统课堂实验教学条件和教学方式的限制，同时由于学生在专业知识掌握、学习兴趣和动手操作能力方面的差异，都会影响学生实验技能的掌握和创新思维的锻炼。虚拟仿真实验教学利用先进的信息技术，虚拟实验场景，借助网络和终端设备（计算机/智能手机），通过交互式操作进行线上实验教学。虚拟仿真实验教学实现了实验课程从教师主导过渡为学生自主，体现了以学生为中心的个性化学习模式，提高了学生的学习主动性，促进了创新能力的培养[2]。虚拟仿真实验丰富了实验教学的形式，突破了实验教学对客观条件的依赖，将逐步成为不可替代的实验教学平台。

生物技术是理论学习与实验操作并重的专业，其实验教学的开展长期以来存在着一些制约因素，例如高成本实验无法在教学中普及、珍稀实验材料难以获得、周期较长的实验无法在有限的实验学时内开展等，这些问题都影响了本科生对生物技术专业相关实验原理与操作方法的掌握[3-4]。生物技术虚拟仿真实验可以解决传统实验教学面临的成本不断增加、教学空间、时间受限、实验室安全等级不足等多方面限制。各高校可依据学校特点与专业特色构建虚拟仿真实验平台，设计多种模拟实验操作的场景和流程[5-6]，拓展课堂实验教学内容，作为线下实验教学的补充，提高学生专业技能，为培养高素质创新型生物技术人才提供支持[7]。

本文以桂林医学院生物技术学院虚拟仿真实验中心的分子生物学综合实验为例，介绍虚拟实验在生物技术专业实验教学中的探索和应用。

1 实验项目建设内容

在生物技术综合实验虚拟仿真项目建设中遵循“科学规划、资源共享、突出重点、注重创新”的指导思想，坚持“学生为本，服务教学”的基本原则，将生物化学、分子生物学、细胞生物学、遗传学、实验动物学、生物工程、生物医学工程等生物学学科的教学资源进行有机整合，以案例式教学模式，将已有的教学资源进行集成并数字化，把生物技术的相关课程联系起来，建立虚拟仿真实验项目。

生物技术综合实验由移液枪基本操作、重组质粒提取、DNA琼脂糖凝胶电泳、医学细胞培养综合实验、普通PCR、紫外分光光度计检测RNA 浓度及纯度、RNA 逆转录、荧光定量PCR、蛋白质变性与SDS-PAGE 电泳、Western Blot 检测蛋白表达等多个虚拟仿真实验组成。本实验的目的是使学生熟悉分子细胞生物学实验常规仪器设备的使用，包括移液枪、摇床、离心机、电泳仪、细胞培养箱、超净工作台、紫外分光光度计以及PCR 仪等；掌握质粒提取、DNA 电泳、细胞培养、逆转录、荧光定量PCR、蛋白质电泳及Western Blot 等原理、相关知识点和具体实验操作；串联分子克隆、细胞培养、基因相对定量检测以及蛋白分析等知识，使学生所学分子生物学、细胞生物学、遗传学以及基因工程等知识融会贯通，系统地掌握生物技术核心知识（见图1）。

图1

2 软硬件环境

本虚拟仿真实验系统通过Web 环境运行，利用手机或电脑可随时访问桂林医学院医学生物技术虚拟仿真实验教学中心平台，进行相关虚拟仿真实验操作。

2.1 客户端到服务器的带宽要求

本平台所含实验项目，大小约为65 M，在2M带宽下，客户端在30 秒内可完成下载。相关数据采用使用与下载协同模式，校园网和普通宽带用户均可正常访问。平台利用桂林医学院信息中心服务器，设置并发响应数量为50，能够完全满足教学使用。

2.2 用户操作系统要求

本虚拟仿真实验平台可在Windows xp 及以上版本运行，在IOS 或Android 系统可通过输出htmal5 版本运行。浏览器需要安装flash 插件，其他无特殊要求。计算机硬件配置要求：推荐使用Intel 双核及以上级别CPU；系统内存4G以上；显示器分辨率不低于1280Χ720；系统硬盘剩余空间不小于4G。

3 虚拟仿真实验教学的实施

本项目各实验包含实验目的，实验原理，教学视频，虚拟操作，结果展示，思考题等模块。虚拟实验操作分为：预习实验，配制试剂、仪器使用，实验操作，结果分析等。学生首先通过视频示教的方法学习实验原理及相关知识，掌握实验所需试剂、耗材和仪器，然后通过模拟实验操作全过程，牢记实验程序及实验操作的要点。

3.1 以琼脂糖凝胶电泳检测RNA 纯度为例

通过在虚拟实验平台模拟该实验（图2），可使学生掌握琼脂糖凝胶的配置方法，电泳技术等。具体操作过程：将凝胶板放置在模具中→插入梳子→选择正确的凝胶浓度→正确操作电子天平称取琼脂糖→加入适量的缓冲液→选择正确的时间进行加热→冷却凝胶至60℃→加入适量核酸染料→倒入凝胶板中等待凝胶完全凝固→拔去梳子将凝胶放入电泳槽中→向电泳槽中加入适量的缓冲液→正确配置12 ul样品→加样→输入适当电压电泳30 min正确连接电泳仪→正确连接电泳仪→电泳结束后在凝胶成像系统里观察条带并判断正确的条带。

图2

3.2 以碱裂解法提取质粒DNA 为例

通过虚拟实验操作（图3），熟悉掌握质粒DNA减法提取的原理、操作注意事项和试验方法。具体操作过程：实验前准备（灭菌）→收集细菌（离心）→重悬菌液（P1）→裂解菌液（P2）→酸碱条件下质粒DNA复性→柱平衡→收集上清液→清洗质粒DNA→晒干残余漂洗液→洗脱质粒→测浓度→质粒保存。

图3

传统教学相关实验课程需要教师提前做大量准备工作，实验只能进行一次。如果学生实验失败，通常因学时数、实验场地等原因失去重新操作的机会。利用虚拟仿真实验，学生可以更好地预习和复习，掌握实验中的关键节点，更好地完成课堂实验。在生物技术综合实验虚拟仿真平台上，学生们可随时通过特定账号在校内外登录网络终端，联网自学并进行模拟实验，根据专业和兴趣自主安排学习内容、学习时间和进度，实现线上自主学习并获得学习反馈评价，还可与教师进行讨论、答疑及互动。

4 结语

教育部2015 年公布100 所国家级虚拟仿真实验教学中心名单后，国内虚拟仿真实验建设加快了步伐。2018 年《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》要求进一步深化和拓展虚拟仿真实验教学项目建设工作，助推信息技术与实验教育教学深度融合，助推高等教育教学质量变轨超车。[8]

生物技术虚拟仿真综合实验极大地减少了相关实验教学设施的购置、节约了实验成本，减少了实验场地的使用，降低了教师资源的浪费，避免了有毒有害试剂对人体的伤害风险，从而保障经济、安全可靠的实验教学，同时推动了教学信息化建设[9]。综合实验虚拟仿真项目建成后，同学们通过教学平台虚拟完成实验操作流程，得到实验结果，系统还会对错误操作步骤进行纠正，指导学生正确地开展实验。学生通过综合虚拟仿真实验的训练，对相关知识进行预习和复习，或开展课外实验，拓宽视野，提高独立思考和创新实践能力[10]。总之，生物技术综合实验虚拟仿真实验项目能够和真实实验课堂相互补充，实现线上教育与线下教育的完美融合。