“虛擬仿真”實驗在《DNA 重組與分子克隆實訓》的教學應用

徐 璐，盧明曉，顧志良，郁建鋒，冀 宏

常熟理工學院生物與食品工程學院，江蘇 常熟 215500

1 虛擬仿真實驗

虛擬仿真（以下簡稱“虛仿”）實驗是以數學理論、相似原理、信息技術、系統技術及其應用領域相關專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，采用“面向對象”的思想創建的能夠實時操作、非實在的實驗空間。在此環境中，實驗者可以同在真實環境中一樣完成各種預定實驗項目[1]，將不可逆、高危、長周期實驗等轉變為可行性教學實驗內容[2]。大幅度縮減實驗周期、增加重復次數，提高實驗容錯率，讓學生沉浸式體驗高危實驗內容，直觀地了解實驗操作全過程，掌握實驗原理由此可見，虛擬仿真實驗是提升高校實驗教學和學習者實踐學習效果的重要方式[3]。虛仿實驗教學由教學資源、教學裝備、教學環境基礎條件和教學管理平臺4 部分組成[4]。教學資源依據真實世界的學習對象制得，涵蓋豐富的知識內容與逼真的實驗場景；教學資源平臺可向網絡教學平臺，如實驗空間等網絡資源學習；其教學裝備較為簡便，可利用電腦、平板、手機等電子設備進行學習，實現老師多元素教學、學生“碎片化”學習的效果[5]。

2 虛擬仿真實驗對于《DNA 重組與分子克隆實訓》教學的重要性

《DNA 重組與分子克隆實訓》以分子生物學和基因工程為理論基礎，是一門綜合性、實用性和系統性均較強的實訓課程[6]，其內容包含核酸提取、目的基因擴增、目的基因克隆與重組以及真核細胞高表達穩定細胞株的篩選構建；涉及多種基因工程操作技術，如：PCR 法擴增目的基因片段、質粒提取、細胞培養、單克隆細胞株的挑選等。該實訓實驗周期長，成功率低，成本高，需要在密閉潔凈的細胞培養室內完成，授課時學生聚集容易造成生物污染，存在生物安全和環境隱患，導致其在實體實驗中無法完成。

本課程采用“虛實”結合的方式將虛仿實驗與實體實驗緊密連接，讓學生在有限的課時內完成長周期實驗內容，并在學習實驗的過程中體驗多路徑、可推演自由探索學習，使學習過程不受時空限制并解決實體實驗資源和設備投入大、實驗耗材成本高、實驗周期長及生物安全隱患多等難題；幫助學生完成方案設計、條件優化、儀器參數設定、數據采集、定性和定量分析等任務，激發學生對該專業的學習熱情和參與度，加深學生對知識點的理解，促進學生掌握前沿生物技術，培養學生的創新意識和高級思維，使其養成解決基因藥物生產過程復雜問題的綜合能力；同時，激發學生積極投身生物醫藥領域，為健康中國做貢獻的決心和信心，增強學生為實現中華民族偉大復興而努力的責任感和使命感[7]。

3 教學實施過程

3.1 實驗前——實驗預習與方案設計

本課程的授課過程共分為3 個階段（如圖1），首先以問題驅動為導向（Problem Based Learning,PBL），通過團隊協作（Team-Based Learning, TBL）的方式讓學生進行實驗預習與方案設計。學生在教師的指導下，以“如何構建TGF-β 高表達穩定細胞株？”為問題驅動，每2～3 人組成一個實驗小組，以小組為單位，用1 周左右的時間自主查閱文獻、研究探討并制定個性化實驗設計方案。方案設計完畢后，每個實驗小組對所設計的方案進行項目方案的設計與匯報，教師及其他實驗小組對項目的設計思路、可行性、匯報過程進行提問與評價。

3.2 實驗中——“虛實”結合完成實驗內容

本實訓實驗內容采用“虛實”結合的方式進行授課。首先在線下完成實體實驗內容——構建TGF-β 重組質粒，包括核酸提取、目的基因獲取、載體構建與質粒小提。然后，在虛擬仿真實驗教學中心完成線上實驗內容——TGF-β 高表達穩定細胞株的構建，包括細胞培養、轉染、陽性細胞株的篩選與鑒定等內容（圖2）。

圖2 虛擬仿真操作界面——G418 加壓篩選

授課過程中教師針對學生在預習過程中提出的問題及實驗原理的重難點問題進行答疑解惑，以深化學生對理論知識的掌握并指導其實驗操作。教師對關鍵步驟進行重點講解，對可能出現的問題予以提示，對實驗結果的分析和計算處理方法進行說明，并在此過程中實時開展小組討論，使個人學習與團隊學習相得益彰。

學生需要在規定時間內完成虛仿實驗，網站平臺以多級計分的方式自動記錄學生每一步交互操作的成績，實驗結束后，系統生成總成績；與學生課后提交的實驗報告成績、交流匯報成績共同作為課程考核依據。

3.3 實驗后——總結匯報與評價

每組學生完成實驗后需撰寫實驗報告，總結實體實驗與虛仿實驗的實驗結果，對實驗結果進行合理性分析，回顧本次課程所學的實驗原理與操作，總結交流實驗心得、團隊協作存在的問題與優勢，完成小組報告并互相進行交流。針對匯報結果，教師及其他小組要分別對匯報小組進行打分與評價。通過這樣的過程，可以培養學生的團隊合作能力、報告撰寫能力及交流能力等基本的科研素養。

3.4 課程評價與反饋

教學滿意度調查發現大多數學生認為虛仿實驗體驗感新穎，80%以上的學生認為虛仿對于提升實驗技能掌握實驗原理有幫助。虛仿網站提供了可視的微觀原理，學生可生動形象地理解其中內容。并且，利用4 個學時完成了單克隆細胞株的挑選、培養與鑒定，極大地壓縮了實驗時間，在短時間內掌握了細胞培養、轉染、有限稀釋法、熒光定量檢測法、蛋白免疫印跡法等實驗原理與操作流程，為日后升學或就業打下了堅實的基礎。同時，學生為虛仿實驗部分提出了幾點建議：增強實驗文字提示的辨識度；刪減部分實驗操作，突出重點環節，幫助學生更加清晰地掌握實驗流程等。這些建議為后續虛仿實驗的建設與完善提供了依據。

4 課程反思與結束語

實驗教學一直以來都是人才培養工作的重要組成部分，關系著所培養人才的工程實踐能力和工程創新能力[8]。在傳統的實驗教學模式下，受限于各種條件的制約，學生只能在特定的時間和地點，按照實驗講義的步驟，利用限定的實驗設備，簡單機械地完成特定的實驗內容。因此，傳統實驗是完成具有“代表性”和“普適性”的“規定動作”，極大地制約了對學生動手能力和工程創新能力的培養[9]。此外，傳統實驗室建設經費的投入不可小覷，無論是實驗儀器設備的購置與維護，還是實驗場地的建設與管理，都需要耗費大量的人力、物力和財力。因此，在傳統實驗教學模式下，“投入產出比”會受到質疑。為此，改革傳統的實踐教學模式，探索適應新時代發展的實踐教學新模式，是實驗教學改革的重要課題。

本課程利用虛仿實驗，建立多路徑、可推演的實驗設計，幫助學生進行探究式學習，與傳統教學相比更能體現“兩性一度”的教學過程。同時學生可利用碎片化時間在虛仿網站學習實驗原理、設備、三維仿真模型和仿真實驗錄屏等基礎知識和操作方法。網站中的三維動畫形象且具體地闡釋了微觀原理，使學生可以在短時間內掌握細胞轉染、篩選、單克隆細胞株的挑選與鑒定方法；使學生深刻理解TGF-β 穩定高表達細胞株篩選構建的理論基礎及其生物安全知識，培養學生安全利用動物細胞株表達外源重組蛋白的綜合設計與應用能力，充分證明虛仿對于分子生物學實驗的重要性[10]；讓學生通過了解和掌握生物醫藥領域的發展前沿技術，牢固樹立創新意識和科技強國的信念，增強其為實現中華民族偉大復興而努力的責任感和使命感。