高校生物化学虚拟仿真实验教学的实践和应用

张淑红,马静雯,武秋颖,张运峰,陈桂平,范永山,张 洁

(1.唐山师范学院 生命科学系,河北 唐山 063000;2.河北农业大学 生命科学学院,河北 保定 071001)

虚拟仿真实验是借助多媒体、智能仿真和虚拟实境等一系列高科技技术,对传统实验的各项操作步骤进行模拟和仿真。虚拟仿真实验将现实、多媒体、人机互换、网络通信等技术组合成高度仿真的虚拟实验环境,让学生在虚拟的环境中进行实验,完成实验教学要求的实验内容[1]。随着虚拟仿真实验技术发展的不断成熟,高等院校的教学和科研工作越来越依赖虚拟仿真实验技术。在《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》(教高〔2012〕4号)中明确要求建设优质教育资源共享体系,在《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》明确提出要建设虚拟实验室,把教育信息化作为国家信息化的战略重点和优先领域全面部署、加快实施。2017年,教育部办公厅发布了2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设通知[2]。

生物化学是生命科学领域的一门重要学科,主要研究细胞内蛋白质、核酸、糖类、脂类等生物大分子的结构和功能,与生命活动息息相关,被许多高校生物类相关专业设为专业基础必修课程。生物化学具有很强的实践性和技术性,因此越来越多的高校不断加强对生物化学实验的重视程度,以此作为培养大学生创新思维的基础。

生物化学实验对于学生掌握生物学的知识、培养实验能力和形成科学素质都有不容小觑的作用。但是,随着近几年高校的不断扩招,很多学校的实验设备已经满足不了学生们随时并且重复性地做一门实验的需要,只能在不同的时间段给学生们安排某一项实验。因此,大量的课程安排无法得到充分的实施,加上财政投入的紧张,从而影响了大量生物化学实验课程的质量和效率。另外,由于资金、环境条件以及相关设施的局限,许多学校无力提供昂贵的生物化学实验所需要的设备,使得很多生物化学实验课程无法发挥最大的作用,从而导致了课程的整体质量不高。因此,将虚拟仿真技术引入实验室,将在很大程度上解决实验教学资源短缺和先进设备不足等问题。

1 虚拟仿真实验在生物化学实验教学中的实践

1.1 虚拟仿真实验平台

虚拟仿真实验教学是高校实验教学的重要组成部分[3]。实验空间(https://www.ilab-x.com/)是根据教育部发布的“2017-2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划”,由教育部支持建设的国家虚拟仿真实验教学项目集中展示共享的平台。目前该平台包括12个专业大类、3470个实验项目,覆盖了2684所高校。教师可以借助平台相关内容完成实验教学,学生们可以通过平台免费学习一系列尖端的高科技技术。实验空间展示了多个生物化学实验技术,比如生物大分子分离纯化综合设计虚拟仿真实验、虚拟仿真基因工程方法制备ScFv抗体大实验、肿瘤坏死因子(TNF)的酶联免疫吸附法定量检测、重组蛋白质的分离与纯化虚拟仿真实验教学项目、生化层析和肌酸激酶的纯化、酶学性质与结构测定等虚拟仿真实验。

国内很多高校在本校实验中心基础上建立了国家生物虚拟仿真实验平台,如华中科技大学、东北师范大学、南京农业大学、福建师范大学、扬州大学、华中师范大学、四川大学、曲阜师范大学等,同时部分高校建立了省市级或校级生物虚拟仿真实验平台。这些虚拟实验教学平台不仅可以对实验室资源进行系统管理,而且可以在线进行学生测试考核和师生互动交流。采用层次教育、虚实交互、创新发展的生物实验教学管理体系,有效地缓解了实验室设备资源不充足的压力,化解了传统实验教学与课程理论教学不同步之间的矛盾,培育了学生的主动学习意识以及设计实验的能力,为学生们创造了全方位的实验学习氛围,从而建立起“经典与现代、虚拟与现实”有机结合的实验教学体系,实现了人才培养的现代化。

1.2 培养流程

首先学生们自己登陆虚拟仿真实验教学平台,进行课前预习,完成实验预习的操作步骤,并且了解实验的操作要点、难点和一系列注意事项。在课堂上,教师根据学生们课前的预习情况,重点讲述学生们出现问题的薄弱部分。然后学生们在充分掌握实验的理论及操作知识以后,在虚拟仿真实验教学平台上进行实验步骤的操作练习。学生们可以多次重复操作,不断强化操作流程。最后在课程结束以后,采取仿真模拟考核,学生们在没有提示的考核模式下,独立地完成整个实验流程的操作。在系统进行评分之后,列出出现错误的地方,学生们进行改正,并且反复地练习发生错误的地方,直到正确。教师依据考核的结果进行实验总结,学生们结合虚拟仿真实验教学系统完成实验报告[4]。

1.3 实施效果

通过使用虚拟仿真技术,教师可以为学生提供完整的知识点指导,让他们能够在实际的生物化学实验操作过程中,通过软件模拟出真实的环境,并且根据学生的操作情况及时给出反馈,以便学生更好地掌握实验的要领。如果操作不正确,系统会给出正确的原理解释,学生们可以及时发现问题并进行解决。李斌等通过对比传统模式和虚拟仿真实验教学模式,发现后者的学习效果更加显著,学生们对知识的记忆能力、实验操作能力、自主学习能力有了明显的提高,学习态度发生很大的转变,学习成绩有较大提高[5]。刘慧萍等通过问卷调查分析发现虚拟仿真实验技术具有广阔的应用前景[6]。

2 生物化学虚拟仿真实验教学的优点

2.1 避免可能产生的一系列危险和风险

一些难度系数大的生物化学实验如果操作不恰当导致实验不成功,不适合在课堂上进行公开示范。另外一些涉及有毒有害实验物品,学生进行自主操作的机会很少。高等教育中的虚拟实验室显示了它们的好处,减少了所需的成本和资源,并为实际实验提供了更安全的环境[7]。樊佳等利用虚拟仿真实验技术在本科阶段生物化学实验中进行了放射性同位素标记抗体技术实验教学的探索,避免了学生可能遭受放射性元素危害的风险[8]。

2.2 优化传统的生物化学实验教学模式

目前仍有大量的生物化学实验在现实当中无法完成,实验现象、操作步骤和实验效果无法给学生直观、立体的视觉感受,教师很难全方位动态展示实验效果。借助虚拟仿真实验技术,教师不仅可以实现实验操作的流程模拟、高度逼真的实验环境,还可以提高对晦涩难懂的生物化学实验原理的理解能力。如常规本科实验酶联免疫吸附技术完成整个操作需要两天以上,一般规定为8学时,所以大部分院校都不能完全由学生操作完成。刘芳等结合北京理工大学的虚拟仿真实验平台进行教学改进,使学生在规定学时内熟练掌握该实验项目的原理和操作[9]。

2.3 有助于大幅度减少实验成本

比起传统的实物实景教学,虚拟仿真实验减少实际实验中所消耗的大量物资和设备的投入,并且学生们可以在较短的时间内完成多个实验操作和分析过程,显著提高学习效率,以更短的时间和更低的成本培养更高素质人才。李日辉等在医学生物化学实验中引进虚拟仿真实验教学,降低了液相层析等大型贵重实验设备的投入,并且方便学生多次重复实验[10]。面临精密仪器数量少且容易破坏的问题,齐鲁工业大学开设了PCR仪的虚拟仿真实验,学生们通过多次练习,既掌握了设备的使用方法,又解决了实验室因仪器少而导致学生们不能同时操作的难题[11]。

2.4 提高学生的学习兴趣

虚拟仿真实验教学通过多媒体技术和动态图像等形式提高学生们的学习兴趣,使生物化学实验的学习更加生动有趣,能够最大程度地激发学生们自主学习生物化学实验的兴趣。武春燕等利用内蒙古农业大学的蛋白质分离和纯化实验虚拟仿真实验平台,在凝胶层析、离子交换层析、亲和层析等实验步骤中将样品流经层析柱的过程形象地展现在学生眼前,大大提高了学生的学习兴趣,启发了学生对实验原理的探究思维[12]。

2.5 有利于虚拟教研室建设

以信息化、智能化、虚拟结合、资源共享和协同教研为特征的虚拟教研室成为一种“新教研”组织形式,并得到教育部的大力支持[13]。具有相似特征的虚拟仿真实验是虚拟教研室开展教学研究的最佳研究对象。通过生物化学虚拟仿真实验教学的改进和完善,对于建立生物化学实验虚拟教研室,与同类大学协同开展课程资源开发、虚拟仿真实验软件设计和教学模式、教学评价具有积极意义。

3 生物化学虚拟仿真实验教学的应用前景

3.1 虚实结合

虚拟仿真实验虽然可以对生物化学实验的实验环境和操作过程进行重现,但它仍然不可以完全代替实验的真实性和感性认识。虚拟仿真实验只能局限于模拟系统中的数据和结果,与真实的实验存在一定的差异,不利于培养学生们的实验精神和实践能力。所以虚拟仿真实验和传统实验要合理结合,充分发挥两者的优势,避免两者的弊端,才能真正提高生物化学实验教学效果。

3.2 实施全新的教学模式

通过将传统的课堂方式与先进的互联网工具结合,实施全新的教学模式。李卓恒等[14]将传统虚拟实验教学与翻转课堂结合,重新设置了课堂内外的时间和责任分配,将传统的授业方式改为让学生自主完成相对应的任务,教师把学习的主动权交给了学生。王天晓等[15]利用潍坊医学院生物化学虚拟仿真实验平台对逆转录、SDS-PAGE、荧光定量PCR、NK细胞活性测定和紫外分光光度技术检测RNA浓度及纯度等生物化学实验项目进行了翻转课堂教学模式的摸索,取得了良好的效果。

3.3 完善虚拟仿真实验项目

虚拟仿真实验项目经过多年的推行,逐渐地暴露出一些问题。胡今鸿等以首批国家级虚拟仿真实验教学中心和178所高校反馈的虚拟仿真实验教学资源开放共享研究调研问卷为样本,分析发现虚拟仿真实验教学普遍存在资源质量不高、重复建设、技术标准不足、自主创新能力不够、数据重复利用等问题,提出亟待建立起有利于资源开放共享的管理体制和运行机制[16]。

尽管虚拟仿真实验技术已经成为生物实验的重要组成部分,它的应用范围也日益扩大,然而,实践证明,许多虚拟仿真实验技术的实施仍然依赖外界的资源支持。很多项目都是从市场中直接买进的,学校并没有借助自身能力进行研发,自主知识产权匮乏,教学项目的建设停滞不前,使得高校无法获得创新性的发展。在建设过程中,还缺乏一系列对应的标准,使得它们无法满足日益增长的需求。而且它们之间的兼容性和可扩展性都有待提高,开发起来比较困难。此外,由于系统架构、操作流程和功能模块之间存在明显的不同,使得它们无法达成有效的匹配,从而导致了该类项目的整体质量相对较差。

因此,对于生物化学虚拟仿真实验教学,应该加强资源建设,提高建设质量,在资源建设上做到宁缺毋滥;进一步探索虚拟仿真实验项目的开展,加大资源开放共享的力度;提供统一的技术标准,建立严格的规范,运用科学的运行机制;在制度方面,建立良好的资源开放共享的管理运行机制;提升高校的自主研发能力,深化自主知识产权,从而获得创新性发展。