摘 要 分子生物學(xué)實驗是一門應(yīng)用性和實踐性較強的綜合實驗課程，然而開設(shè)的應(yīng)用實驗課程不多。虛擬仿真實驗是一種計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，模擬真實實驗環(huán)境的新型實驗?zāi)Ｊ剑瑢W(xué)生可以隨時在計算機終端進行實驗操作，從而打破線下實驗的時空限制。河南中醫(yī)藥大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)科依托學(xué)科教師優(yōu)質(zhì)科研項目，構(gòu)建以“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”為內(nèi)容的分子生物學(xué)虛擬仿真實驗。該虛擬仿真實驗的應(yīng)用可以擴展分子生物學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，拓展科教融合發(fā)展的模式和內(nèi)涵。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真實驗；分子生物學(xué)；實驗教學(xué)；科教融合

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）20-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.044

0 引言

分子生物學(xué)是在分子水平和整體水平上研究生命現(xiàn)象、生命本質(zhì)、生命活動及其規(guī)律的學(xué)科，以核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子為研究對象，研究其形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能及其在遺傳信息和代謝信息傳遞中的作用和作用規(guī)律[1]。分子生物學(xué)實驗技術(shù)已廣泛應(yīng)用于中醫(yī)藥、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要作用。因此，分子生物學(xué)實驗成為相關(guān)專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)實驗課程。目前，高等院校開設(shè)的分子生物學(xué)課程都會穿插相關(guān)的實驗課程，如質(zhì)粒DNA的提取與鑒定、目的基因的克隆表達和重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化等相關(guān)實驗。這些實驗都是微觀實驗，使用的試劑多數(shù)以微升計量?；蚩寺嶒灱淳酆厦告準椒磻?yīng)（PCR）實驗，反應(yīng)過程無法觀察，只能通過瓊脂糖凝膠電泳、酶切等實驗驗證PCR實驗是否成功。此外，由于課時等因素限制，新的分子生物學(xué)實驗技術(shù)難以擴充到目前的實驗課程體系中。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國的高等教育模式不斷變革，越來越多的信息化技術(shù)被應(yīng)用到實驗教學(xué)中。虛擬仿真實驗是指利用多媒體和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)建逼真的實驗操作環(huán)境，讓學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展實

驗[2-3]。虛擬仿真實驗的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)分子生物學(xué)實驗教學(xué)模式的局限性，利于實驗教學(xué)資源的共享，激發(fā)了互聯(lián)網(wǎng)時代大學(xué)生的求知興趣和探索未知世界的好奇心。虛擬仿真實驗平臺下的實驗教學(xué)內(nèi)容可以隨時更新，有利于實驗內(nèi)容接軌前沿實驗技術(shù)和方法[4]，有利于教師的優(yōu)秀科研成果向?qū)嶒灲虒W(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化，從而提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

基于分子生物學(xué)實驗的基礎(chǔ)性和廣泛應(yīng)用性，河南中醫(yī)藥大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)科依托生物化學(xué)國家級精品課程，將分子生物學(xué)實驗作為生物化學(xué)與分子生物學(xué)實驗的重要模塊，面向全校中藥學(xué)、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物類本科專業(yè)及相關(guān)專業(yè)研究生開設(shè)。針對分子生物學(xué)實驗課時限制造成的部分實驗缺失問題，學(xué)科依托教師優(yōu)秀科研項目，以“虛實結(jié)合，優(yōu)勢互補”為原則，構(gòu)建以“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”為內(nèi)容的虛擬仿真實驗，彌補分子生物學(xué)實驗教學(xué)中存在的不足，以此提高實驗教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生實踐能力。

1 現(xiàn)階段分子生物學(xué)實驗教學(xué)的局限性

分子生物學(xué)實驗包含的內(nèi)容較多，由于課堂學(xué)時和教學(xué)資源的限制，部分院校只開設(shè)了適合線下實驗教學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容，如質(zhì)粒DNA的提取、PCR實驗和質(zhì)粒的轉(zhuǎn)化等。一些更接近實際生產(chǎn)生活的應(yīng)用性實驗，往往因為設(shè)備價格昂貴或課時限制難以開設(shè)。隨著社會的快速發(fā)展，國家對具備高素質(zhì)綜合應(yīng)用能力人才的需求也日益增長[5]。中醫(yī)藥院校開設(shè)實驗課程需要更加注重課程內(nèi)容與學(xué)校辦學(xué)特色以及與生產(chǎn)實際相結(jié)合。中醫(yī)藥是我國古代科學(xué)的瑰寶，中藥資源是中藥產(chǎn)業(yè)和中醫(yī)藥傳承發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來，中藥材的市場需求逐漸增大，如何既滿足市場需求又保護中藥資源是目前中醫(yī)藥發(fā)展所面臨的一大難題[6]。以分子生物學(xué)為基礎(chǔ)的合成生物技術(shù)為中藥藥效分子由傳統(tǒng)中藥材提取模式向高效、綠色、可持續(xù)工業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變提供了理論和技術(shù)支撐[7]。分子生物學(xué)實驗是一門應(yīng)用性較強的基礎(chǔ)專業(yè)課程，應(yīng)用性實驗的缺失減弱了課程與實際生產(chǎn)生活的聯(lián)系，不利于學(xué)生知悉所學(xué)專業(yè)的現(xiàn)實應(yīng)用情況，減弱了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，同時降低了實驗教學(xué)質(zhì)量。

科研融入教學(xué)是目前高校實驗教學(xué)改革的熱點，科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)資源是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的一種有效途徑，是實現(xiàn)科教融合的關(guān)鍵[8]。依托教師優(yōu)秀科研項目和相關(guān)儀器設(shè)備開設(shè)分子生物學(xué)應(yīng)用性實驗課程，可以解決因儀器設(shè)備限制造成相關(guān)實驗無法開展的問題。目前國內(nèi)很多高校存在多個校區(qū)辦學(xué)，本科教學(xué)校區(qū)和科研實驗室不在一個校區(qū)的情況，本科生實驗教學(xué)要利用科研實驗室相關(guān)儀器設(shè)備，需要克服空間上的障礙。此外，相關(guān)科研實驗室生物安全級別要求高，本科生生物安全認知水平不高也是影響實驗順利開展的重要因素。虛擬仿真實驗不涉及實體實驗儀器設(shè)備，可以解決科研成果內(nèi)容因儀器設(shè)備和生物安全等因素限制而無法進行線下教學(xué)的問題，降低優(yōu)秀科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容的難度，有利于科研與教學(xué)的融合。

2 分子生物學(xué)虛擬仿真實驗課程的建設(shè)

2.1 課程特點

河南中醫(yī)藥大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)科有著豐富的理論和實驗教學(xué)經(jīng)驗，生物化學(xué)于2018年被評為國家精品在線開放課程、首批國家級線上一流課程，分子生物學(xué)理論及實踐于2021年被評為研究生教育優(yōu)質(zhì)課程。學(xué)科分子生物學(xué)教學(xué)團隊成員都是工作在科研一線、擁有博士學(xué)位的教師，有較多的科研項目。根據(jù)教師科研項目的應(yīng)用性和可操作性，最終構(gòu)建以“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”為內(nèi)容的虛擬仿真實驗課程?！暗攸S抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”是典型的應(yīng)用性分子生物學(xué)實驗，且與學(xué)校中醫(yī)藥特色辦學(xué)定位相關(guān)。該實驗基于地黃轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫，通過PR1基因克隆、表達載體的構(gòu)建、蛋白質(zhì)誘導(dǎo)表達和純化等步驟，深入了解PR1基因的作用機制，為地黃優(yōu)良品種的選育提供依據(jù)。該實驗將科研項目轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)，內(nèi)容更接近實際應(yīng)用，讓學(xué)生感受到所學(xué)專業(yè)知識在實際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

該實驗通過虛擬仿真技術(shù)生動地模擬分子生物學(xué)實驗室場景，讓學(xué)生仿佛置身于真實實驗室感知完整的操作流程，增強了實驗的趣味性，加深了學(xué)生對分子生物學(xué)知識的理解[9]。學(xué)生課前通過學(xué)習(xí)虛擬仿真實驗項目的原理和知識點的課件、操作視頻等輔助學(xué)習(xí)資料進行預(yù)習(xí)，然后通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)進入習(xí)題模塊，通過測試后方可進入虛擬仿真實驗項目正式學(xué)習(xí)階段，在此階段可根據(jù)提示進行練習(xí)和操作，掌握相關(guān)實驗步驟后，可以進入考核模塊。每個學(xué)生都可以在虛擬實驗室單人單機操作完成整個實驗，避免出現(xiàn)學(xué)生需要分組共同完成實驗的問題。此外，虛擬仿真實驗系統(tǒng)是開放的，學(xué)生可以全天候進入平臺重復(fù)練習(xí)，有效提高學(xué)生對實驗技能的理解和掌握程度。

2.2 課程內(nèi)容

“地黃抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”虛擬仿真實驗操作系統(tǒng)分為三個模塊，即習(xí)題模塊、學(xué)習(xí)模塊和考核模塊，如圖1所示，實驗界面左上角有實驗簡介、實驗?zāi)康暮蛯嶒炘頇?，里面包含該實驗完整的文字介紹，學(xué)生可以點擊對實驗內(nèi)容進行預(yù)習(xí)。學(xué)生首先需要在習(xí)題模塊中完成所有題目，這一模塊是為了檢驗學(xué)生課前預(yù)習(xí)情況，加深其對理論知識的理解與掌握。圖2所示為學(xué)習(xí)模塊界面，利用虛擬仿真技術(shù)逼真地還原分子生物學(xué)實驗室場景，界面中包含該實驗所用到的全部耗材和設(shè)備。學(xué)生可以通過點擊鼠標右鍵，360°查看實驗室場景和儀器設(shè)備。隨后，學(xué)生可以進行實驗操作的學(xué)習(xí)，即根據(jù)界面左下角對話框中的提示進行操作，同時相應(yīng)的試劑或儀器也以藍光高亮顯示，方便學(xué)生操作練習(xí)。在該模塊操作過程中，學(xué)生可以隨時進入該界面再次學(xué)習(xí)，且沒有時長限制，學(xué)生可以根據(jù)自己對實驗步驟的掌握情況反復(fù)練習(xí)。

學(xué)生通過學(xué)習(xí)模塊的練習(xí)，已經(jīng)熟練掌握實驗步驟，可以進入考核模塊完成實驗課程的考核，如圖3所示。和學(xué)習(xí)模塊不同的是，在考核模塊中，界面左下角沒有實驗操作步驟和藍光高亮提示，學(xué)生需要在規(guī)定的15 min內(nèi)完成全部實驗操作。如果學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)沒有完成實驗操作，則視為未通過考核，需要重新回到學(xué)習(xí)模塊練習(xí)，完成后再次進行考核，直至通過考核。學(xué)生在考核模塊操作中有任何疑問，可以將界面切回到學(xué)習(xí)模塊中查看詳細實驗操作步驟，但是考核模塊中之前的操作不能保存，學(xué)生需要從頭開始考核。

通過對虛擬仿真實驗項目的反復(fù)訓(xùn)練，學(xué)生掌握實驗各個步驟的操作方式，對整個實驗流程有更全面的理解，提高了真實實驗操作中的規(guī)范性和準確性[10]。讓理論知識與實驗操作相互銜接，幫助學(xué)生學(xué)會運用多學(xué)科知識和技能進行實驗操作，從而提高專業(yè)素養(yǎng)。虛擬仿真實驗可以突破傳統(tǒng)分子生物學(xué)實驗教學(xué)模式的局限性，激發(fā)互聯(lián)網(wǎng)時代大學(xué)生的求知欲和好奇心，提高學(xué)生的實驗參與度，增加學(xué)生對分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于道地藥材良種選育的了解。在大學(xué)四年級到企業(yè)或科研單位進行認知實習(xí)時，學(xué)生不再是漫無目的、走馬觀花式的參觀，而是可以把從虛擬仿真實驗中獲取的專業(yè)知識和實際儀器設(shè)備聯(lián)系起來，利用專業(yè)知識有針對性地提出問題，深入了解企業(yè)生產(chǎn)科研情況。

3 虛擬仿真實驗項目構(gòu)建展望

虛擬仿真實驗是一種新型的教學(xué)手段，依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化資源，具有易開發(fā)、易共享、突破時空限制和利于科教融合等特點，是線下實體實驗的有力補充?！暗攸S抗病基因PR1的克隆及蛋白純化”虛擬仿真實驗項目自開設(shè)以來，一直被作為河南中醫(yī)藥大學(xué)分子生物學(xué)實驗課程的補充資源。但是虛擬仿真實驗是一種理想狀態(tài)下的實驗，在實驗中學(xué)生的每一步操作都是成功的，這種情況在線下實體實驗室中是很難順利達到的。所以，在今后的虛擬仿真實驗項目構(gòu)建中，應(yīng)根據(jù)實驗操作步驟設(shè)置不同得分，允許學(xué)生出現(xiàn)操作錯誤，根據(jù)操作錯誤程度，學(xué)生得到的分數(shù)不同。學(xué)生完成實驗項目后，可以返回主頁面查看自己的錯誤操作，從而加深對實驗操作的理解與掌握。

4 結(jié)束語

分子生物學(xué)實驗是與科研和工業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系緊密的基礎(chǔ)實驗課程，是培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型人才的重要環(huán)節(jié)，然而傳統(tǒng)分子生物學(xué)實驗由于課時、空間和實驗資源的限制，減弱了教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用性與實踐性?；趧?chuàng)新型人才培養(yǎng)目標和教育信息化時代背景，構(gòu)建分子生物學(xué)虛擬仿真實驗課程，彌補課堂教學(xué)和科研實習(xí)中缺失的實驗內(nèi)容。線上線下虛實結(jié)合的實驗教學(xué)方式可以打破時間和空間對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的束縛，豐富教學(xué)表現(xiàn)形式，優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容，有利于優(yōu)秀科研成果向教學(xué)資源轉(zhuǎn)化。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用使實驗教學(xué)緊跟時代的發(fā)展，推動相關(guān)專業(yè)學(xué)生綜合能力的提升，有助于造就一批具備創(chuàng)新精神、適應(yīng)新時代發(fā)展的專業(yè)人才。

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*項目來源：2023年河南省第二批本科高校虛擬仿真實驗教學(xué)項目；2023年河南省“生物化學(xué)與分子生物學(xué)課程虛擬教研

室”項目；河南省研究生優(yōu)質(zhì)課程項目“分子生物學(xué)理論及實踐”（YJS2022KC23）。

作者簡介：賈浩宇，博士，內(nèi)聘教授；韓永光、馬利剛，博士，副教授；趙樂，博士，教授；鄭曉珂，通信作者，博士，二級教授。