虚拟仿真技术在基因工程实验教学中的应用

韩宁，何熹，郝鲁江，张静

摘要：基因工程是现代生物技术的核心，其实验课程所涵盖的技术体系是生命科学研究领域及现代生物技术公司高端从业人员必备技能。但因实验内容多，实验原理比较抽象、实验操作烦琐复杂，周期长等因素，在有限的课时内学生的实验成功率偏低，教学任务完成质量较差。为此本研究将虚拟仿真技术（VR）引入实验教学中，通过模拟真实的试验场景，学生能够体会全新的、身临其境实验授课方式，并通过在线软件支持学生课后在任意时间地点反复进行虚拟实验操作。通过问卷、采访以及实际运用等方式证明了VR技术在基因工程实验教学中取得了预期的教学效果。

关键词：VR;基因工程;实验教学

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）01-0252-03

VR（Virtual Reality），即虚拟现实，在20世纪80年代初提出来的，是指借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段[1，2]。而基于VR技术的实验教学可以综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通信等技术，营造一个以学生为主体，激发主动学习兴趣，高度互动、动手实作、虚拟实验、过程可视的新颖教学环境，体现“实验室无处不在”的理念[3]。能避免传统教学中的“试验时间，场所固定”“实验仪器和耗材昂贵”“学生及试验可控性差”“结果错误无法进行后续试验”“学时有限无法完成”等缺点。

基因工程是于20世纪70年代在分子生物学和分子遗传学综合发展基础上诞生的一门崭新的生物技术科学[4]。它是利用重组技术，在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法，对各种生物的核酸（基因）进行改造和重新组合，然后导入微生物或真核细胞内进行无性繁殖，使重组基因在细胞内表达，产生出人类需要的生物产品，或者改造、创造新的生物类型。该技术是整个现代生物工程的核心工程，已成为相关研究领域及现代生物技术公司高端从业人员必备技能。这也是生命科学相关专业学习和掌握的关键内容。基因工程技术所涉及的基础理论课程及实验课程相当多，包括《分子生物学及实验》《微生物学及实验》《细胞生物学及实验》《生物化学及实验》等生物类本科专业的专业基础课及《基因工程》《高级生物化学》等专业课程。而这些课程根据认知先后开设于不同的学期比较分散，学生只能在不同的课程内完成所涉及的部分基本技能的学习和操作，很难综合在一起，影响了整体技术的认知和操作训练。另一方面该技术所使用的仪器和试剂比较昂贵，耗材需求量也大，并且是一次性的。因此专业综合实验只能开设其中几个环节，还经常因仪器和经费限制只能多人一组，无法训练学生的基本操作技能，严重影响到学生学习效果及积极性[4-6]。因此，如何能让教师更合理地安排教学内容及时掌握教学成效，更好提高教学效率和教学水平，激发学生的学习热情，成了需要解决的关键问题。

近年来，国内外多所高校已经开展了以虚拟仿真为主要特色的实验教学平台建设[7-9]，取得了显著的成绩，但针对基因工程實验技术的虚拟仿真实验教学的实践非常少见。本研究以本学院的实验中心平台为依托，结合现代的信息技术制作了基因工程交互性虚拟仿真实验，并将其应用于实验教学中，为探索一种新型实验教学模式奠定基础。

一、基因工程虚拟仿真实验软件简介

该实验以我校数字网页为平台（http：//210.44.144.162），由教师将上课的学生添加到该课程中，这样学生就可以通过自己的账号登录进入课程学习。制作过程中由济南科明提供技术支持，版权为齐鲁工业大学所有。根据技术流程将软件分为三大模块：微生物目的基因的克隆;原核基因工程菌的获得;目的基因表达鉴定（图1）。学生点击其中的实验模块就可看到每个实验模块所包含的试验流程图（图2），并按照流程图的试验内容点击进入实验项目。

VR试验模仿实验室真实场景，学生进入后可以看到实验室的全景，包括实验台、实验室仪器等（图3）。主界面的右上方有实验步骤、药品试剂和仪器的工具框，学生可以从中选本试验项目所需的仪器和试剂，并熟悉本实验的步骤。界面左上方有帮助栏，学生可以通过帮助栏了解本实验的目的、原理及容易出现的主要问题。界面的下方有操作提示对话框，根据提示学生选取实验中的虚拟试剂、仪器等进行操作，如果操作有误则无法进入下一步。

二、基因工程虚拟仿真实验在实验仪器中的应用

基因工程实验中使用的仪器较多，其中有些仪器造价较贵，台套数较少，多数学生不能亲自操作，严重影响了学生的仪器操作能力。为此，本课题组使用VR仿真技术对真实仪器进行全方位立体虚拟，学生可以360度全方位观察仪器，并能自由操控，多参数调节。

以PCR仪的使用为例，PCR（聚合酶链式反应）是分子生物学研究的一种极其重要的工具。它每天都在世界各地的实验室用于多种多样的应用，例如克隆、基因表达分析、基因分型、测序和诱变。PCR仪则是进行PCR反应必需的仪器，为了让学生能熟练掌握PCR仪器的使用我们对该仪器进行了仿真模拟。学生可以随时随地对该仪器进行真实模拟操作，包括仪器的开关、样品的放入、PCR参数的设置、PCR仪的运行及反应结束后样品的取出等。通过全方位模拟真实操作过程，增加了学生与仪器使用之间的交互。

三、基因工程虚拟仿真实验在实验操作及成绩评定中的应用

实验操作即动手能力，是通过学习而成的一种合乎规则操作的活动方式。基因工程技术依赖实验操作，必须熟练掌握实验操作技能，才能更好地从事基因相关的科学研究。在传统的实验教学中经常会有教师讲完了，有的学生却依然不知道该如何操作，因此我们将实验操作制作成了演示和操作交互的方式，在每一项实验操作中都含有演示与操作部分，学生在观看完演示部分之后进行操作，在操作中，需要学生点击相关的试剂或仪器进行模拟实验，如果学生忘记了该如何操作，可以点击帮助按钮，会提示下一步操作的内容是什么。这样大大降低了学生操作的错误率和实验的失败率，使学生能够在有限的时间里顺利地完成实验内容，并能掌握实验操作技巧，提高了学生的动手能力。此外各实验内容完成会获得相应结果。学生可对结果进行分析，完成实验报告。学生在虚拟环境中进行的实验，可以通过授课教师的实时监控在线进行评价及答疑，课后可在线提交实验报告、回答问题，最后教师综合评定实验成绩。

四、基因工程虚拟仿真实验应用反馈

为了进一步完善基因工程虚拟仿真实验，使学生应用更加方便有效，利用网络问卷的形式对本学期上课的学生进行了调查，反馈结果如下：本校生物技术专业的两个班学生调查，有效问卷数57份。在对是否有必要应用虚拟仿真实验进行基因工程实验教学调查中，有88%的人认为有必要，有93%的人认为该软件能够解决传统实验教学中遇到的困难。在应用该软件的优点调查中，使课程生动形象比例占80%;使原理、方法清晰易懂比例占60%;实验技术得到加强占40%;实验能完成80%以上占50%;在实验软件需要改进的地方调查中，26.76%的人认为需要开发手机App功能，24.02%的人认为增加闯关积分，可以用积分来评定实验成绩;21.46%的人认为应加增加其他评价机制，如中间可以插入问答题等，增加学生与教师之间的交互功能。通过以上的调查结果说明基因工程仿真软件的应用增加了学生对实验课的兴趣，而且其中的实验原理、方法更清晰易懂、極大地降低了实验中的错误率，鼓舞了学生做实验的热情，让他们更加有信心和兴趣去学习和探索生命的奥秘。

五、虚拟仿真实验在实验教学中优势及展望

（一）能合理掌控试验成本及时间，提高实验教学效果

基因工程实验传统教学主要存在两个问题：

（1）用到的有些仪器及试剂，价格相当昂贵，在教学公共平台中不能完全保证每个学生都能亲自操作;（2）实验步骤烦琐，试验周期长，试验过程环环相扣，前一步骤结果错误就无法进行后续试验。鉴于课时及试剂经费限制，一般中间环节试验失败的学生不可能重新再做，使得他们的后续试验参与度降低。以上问题严重降低了学生的学习热情和兴趣，也让指导教师在试验安排时较少地选择综合性强的试验，因此实验教学效果无法保障[4，5]。

而利用仿真实验教学可以以信息技术营造一个虚拟实验、过程可视的新颖教学环境，软件可以在Windows、Linux、Android或Mac Os等操作系统下的PC机、平板电脑上运行，支持学生课后在任意时间地点反复进行虚拟实验操作，只要有网络的地方就可以动手做实验。能充分体现“实验室无处不在”的理念[10，11]。较好地避免了传统教学中的“试验时间，场所固定”“学生及试验可控性差”“结果错误无法进行后续试验”“学时有限无法完成”等缺点，能明显提高基因工程实验教学效果。

（二）提高学生试验预习效果

为了提高实验效果及实验成功率，任课教师会要求学生进行课前预习。学生一般通过阅读实验指导手册来完成预习。晦涩难懂的实验原理及烦琐的实验步骤让很多学生无法理解及想象，学生预习热情不高。而且基因工程实验经常应用一些有毒的试剂及材料，例如氯仿、溴化乙啶等。在教学中需要严格要求学生按照操作规则进行实验，如果处理不当往往会造成对环境及周围人的伤害。而通过虚拟仿真实验软件学生可提前对实验进行真实的可视化预习，预习效果比单纯看文字说明更能带动学生的预习热情，不仅能提前掌握安全操作，而且还熟悉了试验步骤，这样学生进入实验室时就不至于盲目操作，不仅降低安全隐患，也能提高实验成功率。

总之，基因工程实验操作烦琐，周期长，操作细节关乎成败。将虚拟仿真实验引入教学中，提供给学生逼真、生动的学习内容和先进的实验设备，不仅扩大了实验环境，延长了实验时间，而且反复操作不必担心实验失败。因此，在真实实验的基础上，以虚拟仿真实验为辅助，能起到事半功倍的效果，同时利于学生进行实验技术创新，充分发挥学生主体的积极性、主动性，较好地保障了教学质量。可以说，虚拟仿真实验教学通过信息技术与教育教学融合给实验教学带来改革与创新。

参考文献：

[1]陈萍，周会超，周虚.构建虚拟仿真实验平台，探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2011，（3）.

[2]文福安.虚拟实验教学系统的研究与应用[J].中国教育信息化，2008.

[3]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，（12）.

[4]迟彦，许崇波.基因工程设计性实验教学改革探索[J].中国科技信，2008，（13）.

[5]齐凤慧，孔德强，詹亚光，陈思齐，曾凡锁，范桂枝.交互性Flash在基因工程实验教学中的应用[J].实验科学与技术，2017.

[6]詹亚光，齐凤慧，曾凡锁，等.基因工程开放型实验教学对学生能力的培养[J].实验室研究与探索，2010，（5）.

[7]戚国强，周玉岩，陈红伟.基于虚拟模式的大型仪器开放共享平台的建设与应用[J].实验技术与管理，2011，（11）.

[8]张鹏，邱晓刚，孟荣清，等.仿真资源共享机制与一体化的仿真资源服务[J].系统仿真技术，2013，（1）.

[9]胡今鸿，李鸿飞，黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索，2015，（2）.

[10]王培俊，罗大兵，李琳，等.建设虚拟设计与制造创新性实验平台多层次培养创新能力[J].实验技术与管理，2010，（3）.

[11]杜月林，黄刚，王峰，等.建设虚拟仿真实验平台，探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2015，（12）.

Application of Virtual Reality Technology in Experimental Course of Gene Engineering

HAN Ning，HE Xi，HAO Lu-jiang，ZHANG Jing

（School of Bioengineering，Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences），Ji'nan，Shandong 250353，China）

Abstract：Gene engineering is the core technology of modern biotechnology，which is necessary for high-end practitioners in the field of life science research and modern biotechnology companies.However，the experimental success rate of students in a limited course is low，and the quality of teaching tasks is poor，for lots of experimental contents，abstract experimental principles，and complex experimental operations，long period etc.Therefore，virtual reality was taken into the experimental course to provide students with a new immersive experimental teaching method.In addition，the online software supports students to conduct repeated virtual experiments at any time and place after class.Through questionnaires，interviews and practical applications，it is proved that VR technology has achieved the expected teaching effect in the experimental teaching of genetic engineering.

Key words：VR;Genetic Engineering;the experimental teaching