虚拟仿真实验项目研究——以“药用植物细胞规模化培养及产物分析”为例

何华奇，苗永美

(安徽科技学院 a.农学院；b.生命与健康科学院，安徽 凤阳 233100)

1 植物细胞工程虚拟仿真实验实施的必要性

为突出现代生物工程实验的重要性和地位，我校生物工程、生物科学、生物制药等专业在人才培养方案制定时将细胞工程、基因工程、发酵工程、蛋白质与酶工程四大工程实验内容综合起来独立设课，定性为综合性和设计性实验课程，共80学时，细胞工程实验占20学时。细胞工程实验内容均与细胞全能性有关，通过植物组织培养技术、离体诱变及高产细胞筛选，原生质体制备、融合、再生等技术能够很好地展示细胞全能性过程，包括从培养基配制、灭菌、选材、消毒、接种、培养、结果统计等技术，连续2～3 d内完成，1周后统计污染率、成活率等常规指标[1]。实验内容的综合性、设计性及开设方式上的连续性特点不仅巩固了学生专业理论知识、强化了学生实践技能和动手能力，还提高了学生的创新能力，为后期毕业设计、就业、甚至创业提供知识和能力储备。但传统实验授课方式存在时间、条件限制，导致很多学生动手机会少，实验结果不理想，能力得不到有效提升，而虚拟仿真实验能很好的解决上述难题。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库及网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，使学生沉浸在虚拟环境中自主试验，由此及彼、举一反三，是一种有利于资源共享、全新开放、信息化的教学模式，已成为当前教学改革热点[2]，也是一种灌输式教学向诱导式再到自主式教学法的转变，是验证式教学模式到探究式教学模式的过渡。

随着高等院校双创教育的开展，为更好的体现专业特色和学校的应用型办学定位，使专业人才培养目标和要求更加符合社会需求，我校于2021年以工程认证为终极目标开始新一轮人才培养方案修订和教学大纲制定工作。课程组以此为契机，在生物工程、生物制药、中药等专业开设“药用植物细胞规模化培养及产物分析”实验，该实验由多个连续的小单元实验组成，具综合性、设计性和创新性特点。为顺应现代教育信息化发展趋势，推动“细胞工程”实验课程教学改革，我们积极构建“药用植物细胞规模化培养及产物分析”虚拟仿真实验项目，模拟实验现场，使过程更加清晰直观，降低教学难度和成本，增加学习趣味性，丰富教学形式，虚拟仿真线上授课能克服实验周期长、仪器限制、药用成分提取和检测步骤复杂等困难。虚拟仿真项目可作为学生主体实验预习、现实实验的补充及课后反复练习的线上资源，三个专业每年约180名学生参与该实验项目学习。

2 项目设计思想

虚拟仿真实验项目培养学生综合、系统、灵活运用知识的能力，以激发学生学习的主观能动性，培养学生的创新意识、创新思维和创新能力为教学目标。项目内容系统且完整，涉及多学科知识，从选取材料到培养再到成分检测，囊括了植物细胞培养及用途分析的全过程，综合运用了生物学、中药学、分析化学等课程的基本知识和方法。学生根据兴趣爱好选择不同类型药用植物，设计不同方案，选择相应试剂、仪器、方法、条件，最后对试验场景、仪器设备、耗材、器具进行建模，并对模型进行渲染、优化、进而编写该项目的运行程序，赋予操作单元之间的逻辑关系，完成动画、人机交互、结果输出等设计。

3 项目构建

3.1 实验方案设计

实验项目包含“药用植物选择、培养基配方设计、培养基配制与灭菌、材料消毒，愈伤诱导、细胞悬浮培养、细胞株诱变筛选、扩大培养、条件优化、大规模培养、细胞产量测定、药用成分检测”共13个操作单元，操作单元自由组合，有些为必选项，有些为可选项，可组成5～6种设计方案，如图1所示，符合图1流程，显示设计正确，漏掉模块或颠倒顺序，系统会提示设计不正确。细胞诱变、筛选模块为可选项，学生通过增加这一模块熟悉细胞诱变和筛选方法，会获取更高成绩。操作单元放置在应用程序的右侧栏目，用鼠标拖动到应用程序左侧的设计面板中，可以随意增加、删除、调换顺序。

3.2 参数的设定

实验方案设计正确后开始具体参数设定操作。上机操作前，学生需查阅文献，掌握常见药用植物药用成分及细胞培养概况，利于模块参数设定。药用植物根据主效成分划分为黄酮类、总酚类、多糖类、皂苷类、生物碱类植物，包括细胞培养较成功的铁皮石斛、金线莲、人参、红豆杉或者自选感兴趣、熟知材料；材料消毒处理模块设置参数有取材部位、消毒处理方式两个子模块；培养基配方设置参数有基本培养基、生长调节物质(又可细分为分裂素和生长素)、碳源、PH、琼脂粉共6个子模块；培养基灭菌设置参数有高压蒸汽灭菌、过滤除菌、化学灭菌、干热灭菌5个子模块；愈伤组织进一步细分切割、过滤等细胞准备及直接振荡培养2个子模块；悬浮培养模块设置转速和光照两个子模块；扩大培养设置不同培养体体积子模块；条件优化根据文献研究报道主要细分为接种量、诱导子、光、温度、转速、时间、培养方式等子模块；大规模培养分为机械搅拌生物反应器、气升式生物反应器、流化床生物反应器、填充床生物反应器和膜生物反应器5个子模块；细胞产量测定分为密度测定、体积测定和重量测定3个子模块；成分检测根据前面植物的主效成分选用相应方法，如黄酮选择醇提、Al(NO3)3-NaNO2法测定，酚酸采用醇提、福林酚法测定，多糖采用水提醇沉、苯酚硫酸法测定[3]，皂苷类采用醇提、高氯酸-冰醋酸法测定[4]，生物碱采用酸化乙醇提取、紫外法测定[5]，紫杉醇采用醇提、HPLC法测定[6]。每个子模块根据文献报道或常规操作技术下设若干水平选项，其中有一个为正确选项，选择正确系统会显示正确，选择不合理系统会提示错误信息。学生通过选择模块、子模块及水平选项模块熟悉药用植物细胞大规模培养所需条件、主效成分提取及测定的流程。

图1 实验设计方案

3.3 3D仿真操作

实验参数设定正确后，系统会提示点击“进入实验”按钮，开始3D仿真操作，逐个完成实验模块。每个模块的实验步骤罗列在左侧，所需物品放在右侧，首先根据系统语音提示、文字提示、物品颜色闪烁提示选择所需药品、试剂、玻璃器皿、仪器等用品，选择正确才能进入下一步骤，后面通过3D仿真操作完成其它实验步骤。待完成所有操作后，系统会提示交卷，给予评价。

4 实验教学方法

4.1 线上考核占总评的20%

学生通过学号注册后登录进入虚拟仿真线上教学系统，根据前期预习、查阅文献资料开始虚拟仿真实验操作。学生需完成从药用植物选择、消毒、培养到成分检测的实验设计和虚拟仿真操作全过程，以期掌握细胞全能性原理、细胞培养过程、成分检测原理、检测方法步骤、结果分析和注意事项。使学生在虚拟空间内不受时间、空间、条件限制，提前预习、反复练习直至熟练掌握实验操作。系统会对每个模块分项记分，根据学生的实验方案设计、模块分项、操作水平、操作时间等综合评分，按一定比例计入课程总成绩。线上考核能督促学生提前查阅文献、积极思考，使学生在虚拟仿真实验中理解并构建知识体系，发挥主观能动性。模块计分法使老师了解学生对知识的掌握情况，为后期针对性复习、辅导提供依据。

4.2 线下考核占总评的80%

线下教学采用讲授法、学导式、互动式、翻转式等教学方式。学生根据线上实验设计方案和操作流程进入实验室线下操作部分内容，以小组为单位，按照线下教学内容完成学习。首先，教师布置任务并讲授实验内容和注意事项，示范难度大的实验操作，并穿插提问及采用翻转等教学方式，以巩固线上学习内容，教师根据学生回答问题和翻转讲解的情况给予评分。接下来学生以组为单位，领取实验用品，开始动手操作，教师根据学生出勤、课堂表现给予每位学生评价，计入线下平时成绩部分，占线下成绩的30%(占总评24%)。打破了靠期末试卷定成绩的传统惯例，构建了过程性考核评价体系，线下过程性考核逐个进行，采取理论和实操相结合方式，过程性考核占线下成绩的50%(占总评40%)。实验报告占线下成绩的20%(占总评16%)。从实验报告的完整性、实验结果、结果分析、书写认真程度等几个方面评定。具体如表1所示。

表1 考核评价体系

5 结语

针对周期长、风险大、设备匮乏的实践教学，用虚拟仿真实验代替部分或全部线下实践教学，不仅可以解决实验教学困境，还有助于学生快速熟悉实验全过程，激发学生的学习兴趣、提高学习效率和效果，还能提高学生自学能力和探索精神。本课程采用的线上线下相结合的教学方法可以相互补充，线上教学有效弥补常规实验教学的不足，线下教学利于学生应变能力、分析问题和解决问题能力的培养，也利于团队合作能力的培养。线上综合评定成绩更客观、更一目了然，教学成效易评测、易统计、易分析；线下加大过程性评价比例，引起学生对实践过程的重视，督促学生在学习过程中积极思考和总结。建设虚拟仿真实验教学是教育现实所需，但由于虚拟仿真不能完全替代真实操作，也难以提高学生的动手能力和团队协作能力，所以本项目以实验室操作为主，虚拟仿真为辅，虚实结合，但需用务实、求真的态度才能获取真知。