虚实结合的转基因小鼠虚拟仿真实验流程的设计探索

芦晓晶　罗军　张红

[摘           要]  通过虚拟仿真实验教学互动平台，设计转基因小鼠虚拟仿真实验。实验流程从注射用DNA片段的制备;受精卵显微注射;胚胎移植、怀孕产仔;转基因检测这四方面开展。仿真实验模块中包括实验目的与原理、虚拟实验操作、实验视频/动画三大组分。学生在进行理论课程学习和实际实验操作的同时，辅以虚拟实验的操作，个别不适合操作的实验过程用视频和动画代替，最终让学生掌握整个繁杂的转基因小鼠的制备过程。

[关    键   词]  虚拟仿真;转基因小鼠;实验

[中图分类号]  G642                   [文獻标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2018）35-0239-01

分子生物学是一门重要的医学/生物学专业基础课，在阐明生物大分子结构、功能、调控机制的同时，还从分子水平上揭示了生命的奥秘。分子生物学又是一门实验性极强的学科，熟悉、掌握分子生物学实验技能不但能够验证理论知识，还能够锻炼学生的动手能力，培养学生观察问题、分析问题和解决问题的能力[1]。基因重组与基因工程是此门课程的重点章节，长期以来，本科生主要通过教师的讲解、相关的视频完成对此章节的学习，许多学校因场地、设备、学时等因素，无法对本科生开展相关的基因工程实验。这就使本科生在基因工程应用方面很难得到完整的训练和操作机会，只依靠记忆概念，无法形成连贯的知识体系。而许多学生到了研究生阶段则会在毫无准备的情况下直接开始进行基因工程方面的实验，这中间的知识断档是教育中的失误，但通过虚拟仿真实验技术，这样的失误是可以避免的。

虚拟仿真实验是利用多学科的综合性技术，以计算机和专用设备为工具，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，同时在虚拟实验中设计人机交互，让使用者如同身临其境一般，利用系统模型对实际的或设想的系统进行的动态实验[2]。建设分子生物学虚拟仿真实验平台，已成为现阶段许多高校的研究热点，许多研究理念认为应该建设一套包罗万象的实验体系，这对那些进行远程教育、无法在学校完成课堂学习的学生来说是有很大帮助的，但对在校学生而言，虚实结合的虚拟仿真实验则更加合理。接下来，笔者以转基因小鼠的制备为例，对虚实结合的虚拟仿真实验流程的设计进行探讨。

一、实验教学背景与设计流程

以《生物化学与分子生物学》（主编查锡良）为教材，根据分子生物学教学大纲的要求，理论课程中讲授的“显微注射法制备转基因小鼠技术路线”完整的实验过程十分复杂，包括小鼠的培养、受精卵的采集、假孕母鼠诱导等动物实验过程。这是一项庞大的工程，不利于实验设计方案的转化推广。因此本实验集中从基因工程操作方面进行设计，实验流程从以下四方面开展：（1）注射用DNA片段的制备;（2）受精卵显微注射;（3）胚胎移植、怀孕产仔;（4）转基因检测。

二、实验内容

根据《虚拟仿真实验在分子生物学教学中应用模式的探索》（芦晓晶）构建虚拟仿真实验教学互动平台，将转基因小鼠虚拟仿真实验做成一个模块化系统。仿真实验模块中包括实验目的与原理、虚拟实验操作、实验视频/动画三大组分。学生在进行理论课程学习和实际实验操作的同时，辅以虚拟实验操作，个别不适合操作的实验过程用视频和动画代替，最终让学生掌握整个繁杂的转基因小鼠的制备过程。

（一）注射用DNA片段的制备

实验目的：①熟悉体外重组DNA分子的构建方法，掌握对载体和目的DNA酶切的操作流程;②熟悉利用连接酶把载体和外源目的DNA片段连接起来的方法，掌握制作感受态细胞的实验流程;③掌握热击法转化大肠杆菌的原理和实验流程;④掌握PCR检测法筛选重组子的实验流程;⑤掌握DNA酶切片段回收的实验流程。

备注说明：此实验环节是本虚拟仿真实验设计的中心环节，实验过程中的每一步均需要学生操作完成。

（二）受精卵显微注射

实验目的：①学习细胞显微注射的基本原理;②掌握细胞显微注射基本技术。

备注说明：①注射针和持卵针的拉制过程、注射针安装和定位，可通过视频、图像资料来展示;②注射针内装入基因液和显微注射，这两项需要学生操作完成。

（三）胚胎移植、怀孕产仔

此实验环节属于转基因小鼠制备过程的重要一步，但鉴于它并不属于生物化学与分子生物学课程大纲要求的内容，因此该环节可通过视频、动画资料来展示。

（四）转基因检测

实验目的：①掌握小鼠鼠尾DNA提取的基本技术;②学习Southern印记杂交检测技术的基本原理，掌握Southern印记杂交检测技术的基本技术。

备注说明：此实验环节是本虚拟仿真实验设计的重要环节，实验过程中的每一步均需要学生操作完成。

三、“虚实结合”的实验设计

所谓“虚实结合”，即实验流程由虚拟仿真实验完成，节点性实验通过实际操作验证。以笔者所在学校为例，生物化学与分子生物学开展的实验课程包括的“小鼠DNA、RNA的分离、提纯与定量”“PCR检测鼠肝肌动蛋白（β-actin）基因”“质粒提取、酶切及电泳鉴定”“蛋白质分离、提纯与聚丙烯酰胺电泳”“蛋白质印记分析”等综合性实验课程，可以让学生将通过虚拟操作获得的知识和技能在真实的实验课程中实现操作和验证。这种通过虚拟仿真与真实实验有机结合的教学模式将为学生提供一种全方位、多样化、个性化的学习体验。

参考文献：

[1]芦晓晶，罗军，张红.虚拟仿真实验在分子生物学教学中应用模式的探索[J].现代职业教育，2017（29）：187.

[2]原芸姿，沈丹，姜秀文.虚拟仿真技术在《护理学基础》实验教学中的探索应用[J].中国校外教育（下旬刊），2014（11）：95.