基于虚拟仿真建设的“生化分离分析技术与原理”课程教学改革探索

苏应娟，王 艇

（1.中山大学生命科学学院 广东 广州 510275；2.华南农业大学生命科学学院 广东 广州 510642）

虚拟仿真技术（Virtual Reality）是一种通过计算机对事物进行虚拟模拟，从而实现对真实系统的模仿，达到和现实操作相同目标的技术。目前，该技术已广泛用于搭建开放共享、对实验环境高度模拟且交互度较高的虚拟仿真实验教学平台，并能提供图像音频、视频及三维动画等技术支持。虚拟仿真教学平台的使用，为学生提供了操作性强的学习空间，提升了他们自主学习的能力。

1 虚拟仿真技术在教学中应用的优势

1.1 降低学习成本

虚拟仿真教学能降低对实验空间的需求，学生只需配备移动终端，即可调用虚拟仿真平台的资源，开展学习与操作。与传统的实验教学相比，虚拟仿真实验的操作不受时间和地点所限，学生可自主安排，并专注于学习过程。

值得注意的是，传统实验教学经常受经费和空间所限，无法购置更多的仪器设备，加之有些仪器设备贵重，学生亲自操作的机率较小，并且试错的成本较高。虚拟仿真技术很好地解决了这个问题，学生可以在平台上任意多次地操作，没有任何可能损害仪器的心理负担，同时也降低了仪器维护的成本。

1.2 沉浸式与真实性

虚拟仿真技术平台对现实实验环境进行了高度模拟，并注重人机交互及传感器的应用。学生点击相应的位置，即可按语音和文字提示进行实验，完全模拟了线下实验中教师讲解和指导的情景。如在很多的虚拟仿真实验中，模拟出学生由实验室到无菌室的过程，让学生有身临其境的感觉。此外，正式实验时，语音和文字提示两者结合，使学生能较快进入学习状态，又能与现实实验操作的情景相关联，为后续圆满完成实验操作奠定了基础[1]。

1.3 趣味性与先进性

开展虚拟仿真实验操作就如同完成电子游戏中的任务。语音和文字的提示类似于游戏中的非玩家角色，能起到指引和辅助学生操作的作用。在虚拟平台中，还可操作和记录兼顾，帮助学生巩固对理论知识的记忆，增强课程的趣味性。如野外实践教学的虚拟仿真平台，学生依提示找到植物后，可拍照、记录，并保存于笔记本中。实验结束后，学生会有满满的成就感[2]。

在2020 年前，实验教学均以线下为主，即教师先讲，学生再操作。最后以学生提交实验报告作为考核方式。2020 年后，线上实验操作成为趋势，越来越多的专业开始构建虚拟仿真实验教学平台。目前，混合式教学成为主流，构建虚拟仿真实验教学平台已是大势所趋。

2 “生化分离分析技术与原理”课程概况

“生化分离分析技术与原理”是中山大学生命科学学院生物技术本科专业的必修课程，是学生在完成“生物化学”学习后、进行综合实验前开设的技术原理课程。它系统介绍了生命大分子物质纯化与鉴定的相关技术，包括制备和分离生物大分子物质的技术（离子交换层析、聚焦层析、亲和层析、凝胶过滤、气相色谱和高效液相色谱技术等）和鉴定生物大分子物质的技术（薄层层析、电泳、聚合酶链反应、免疫分析等）[3]。

课程讲授的每项技术相对独立，却又存在紧密的联系。学生想要完全理解和掌握该课程，需要面对需记忆的概念多、知识体系复杂、综合运用难度大等多种挑战。在有限的教学时数内，仅靠传统的教学方式难以取得很好的教学效果。同时，还需要重视以下问题：第一，即使学生掌握了相关的技术原理，但在后续的课程中却不能做到灵活运用，或在实验课中无法利用所学的技术原理解决遇到的实际问题；第二，学生对知识的运用缺乏灵活性，不能回避思维方式的固化，以及不能从多角度掌控所学知识以将知识串联成有机整体。

针对以上问题，主讲教师开展过诸多改进。例如，构建出提供丰富课程内容的慕课，其中视频讲解清晰简洁，图文并茂，课中和课后的小测试能及时巩固课上所学知识，为后续的实操打下坚实的理论基础。开展线上线下混合式教学，提供师生互动板块，包括课程相关文献导读以及在线讨论模块。引入PBI（Problem Based Learning）和翻转课堂（Flipped Classroom）教学模式，提高学生的课堂参与感、自主学习能力与学习兴趣[4]。

虽然上述改进方法极大地提升了学生的理论水平，但仍然无法解决他们对操作流程不熟悉的问题。由于缺乏直观认识，学生对实验原理、技术背景以及实验操作细节缺乏深入的理解，仍难以构建完善的知识体系。为改善这种状况，主讲教师开展了虚拟仿真平台的构建。

3 虚拟仿真建设“生化分离分析技术与原理”课程的思路与举措

3.1 虚拟仿真建设课程理念与思路

依照教育部提出的“金课”标准——“两性一度”，即高阶性、创新性和挑战度[5]，在已有的混合式教学模式下，搭建“生化分离分析技术与原理”的虚拟仿真教学平台。平台的内容与讲授的技术相契合，可操作的内容丰富，并包括技术应用部分，能让学生更好地理解知识的运用和转化。同时，将虚拟仿真平台的操作列入考核，客观评价学生的学习情况，为后续完善虚拟仿真的教学内容打下基础，最终建成具有“多层次、立体化、虚实结合、教研互补”特色的虚拟仿真“金课”[6]。

3.2 建设虚拟仿真实验课程的举措

3.2.1 搭建虚拟仿真教学平台

虚拟仿真教学平台的构建是开展虚拟仿真课程建设的基础。“生化分离分析技术与原理”在已有慕课视频的基础上，将其中的薄层层析和纸层析、柱层析的制备、柱色谱的分离、高效液相色谱以及应用型的基质辅助激光解吸附电离和高通量功能蛋白组学以虚拟仿真软件的形式展现出来。主要采用校企合作的形式搭建虚拟仿真实验教学平台：主讲教师是虚拟课程内容的设计者，拟定教学方案、操作流程与细节，企业为虚拟仿真实验教学平台的搭建提供技术支持，包括网站或软件的开发、完善与维护。这种合作构建，是术业有专攻、资源的高度整合，能搭建出更好的虚拟仿真实验教学平台；同时还能加强学校和企业的合作，实现资源利用的最大化。

3.2.2 改进授课与学习形式，促进教学相长

在虚拟仿真教学平台搭建后，如何将其运用到教学中是关键问题。“生化分离分析技术与原理”只讲授原理，学生对具体操作缺乏直观认识。观看视频操作，学生依然缺乏浸润式的感觉，容易消磨其兴趣与耐心。引入虚拟仿真教学平台，极大地弥补了“只看不操作”的缺陷。例如，获得性免疫缺陷综合征（Acquired Immunodeficiency Syndrome，AIDS），即艾滋病，是一种由人免疫缺陷病毒（Human Immunodeficiency Virus，HIV）引起的免疫系统疾病。由于艾滋病的传播速度快、死亡率高而且目前无法治愈，现已成为严重威胁人类健康的疾病之一。目前的抗艾滋病药物主要为化学药，价格昂贵，副作用大，开发天然抗艾滋病病毒的药物势在必行。笔者设计的“水蕨抗HIV 蛋白CVNH 的表达、纯化、鉴定和活性检测”虚拟仿真实验，有效地解决了蛋白表达、纯化、鉴定与抗病毒活性鉴定过程中遇到的高成本和高风险等难题。该虚拟仿真实验打造了一个完整的科研型技术路线，也引入了全开放性思考。它融入了几乎所有所学的生物技术，完美地实现了虚实结合的教学，是一个综合性极强的虚拟仿真平台，集蛋白酶解、富集、分离和鉴定于一体，涉及色谱仪和质谱仪等昂贵设备。它不仅能帮助学生系统地掌握重组蛋白的理论知识、表达纯化的实验流程和研究思路，促进他们对整体实验原理和技能的学习和对大跨度实验设计和技术路线的把握，还能极大地提高他们分析和解决复杂科学问题的能力与综合应用及创新能力。通过虚拟仿真的操作，让学生亲身参与抗HIV药物研发的虚拟过程，激发他们为人类健康做贡献的社会责任感，引导他们密切关注科技前沿，激发科学创新热情，树立科学价值观。因此，该实验提升了学生综合利用各类生化技术的能力，还让“学习+操作”成为主要的学习方式。在操作中理解生化技术的原理与实验步骤的设计，激发了学生的学习热情，润物细无声地提高了他们的专业水平和社会责任感。

主讲教师是虚拟仿真内容的设计者，应非常熟悉虚拟仿真教学平台的操作，并在课上给出操作的介绍和演示。教师可在后台查看学生操作虚拟仿真软件的数据，了解学生完成操作的时长和困难，特别是难度较高的步骤。同时，应及时解决学生在使用虚拟仿真软件的过程中遇到的种种问题，并将意见反馈给制作公司，让其尽快修改，提升学生在使用过程中的愉悦感。这样，教师在授课过程中的针对性会更强，学生对难点的记忆会更深。

3.2.3 改变考核方式和评价体系，有效完成知识的传授工作

将虚拟仿真软件的操作列为课程考核的一部分。平台可有效记录学生的学习时长、操作次数、具体步骤所用时长等数据以及实验综合评分，通过平台分析处理的可视化图表，展示学生的学习效果，并且教师和学生均可查看。这种评价体系丰富了考核方式，客观地反映出学生的学习状况。

虚拟仿真教学平台还设有课程评价区，学生可以对课程进行评价，客观而详尽的评价有助于提升虚拟仿真软件的质量，为打造虚拟仿真“金课”奠定基础。

4 结语

教育信息的革命化发展，让虚拟仿真软件逐渐成为教学的辅助手段之一。虚拟仿真教学平台便于维护和更新，可添加新理论与技术，开阔学生眼界，捕获科研热点，极大地满足学生的好奇心与求知欲。“生化分离分析技术与原理”虚拟仿真软件的建设和尝试性使用，促进了学生对课程内容的深入理解。同时，教师也能更为清晰地了解学生的学习状况，有针对性地解决，并对课程进行调整与完善。“生化分离分析技术与原理”虚拟仿真课程的建设，将为国家培养高质量生物技术人才奠定坚实的基础。