生物技术综合大实验虚拟仿真平台的建设

王艳 胡一鸿 金晨钟

摘   要：从生物技术综合大实验教学的实际应用出发，建立了生物技术综合大实验虚拟仿真实验平台，以qRT-PCR技术分析玉竹多糖对高脂膳食小鼠脂代谢影响的仿真实验为例，通过该实验，学生可以有序地完成qRT-PCR整过实验操作，循序渐进地掌握实验的全过程，借助于虚拟仿真实验教学平台，可解决生物技术综合大实验面临的实验周期长、生物安全、成本高等问题，同时能有效激发学生的学习兴趣，提高学生实际操作能力。

关键词：生物技术综合大实验  虚拟仿真实验  实验教学

中图分类号：G642                                  文献标识码：A                        文章編号：1674-098X（2019）05（c）-0195-02

生物技术综合大实验在生物技术专业课程体系内占据十分关键的影响地位，属于主干课程管理范畴，重在培养学生的综合创新能力和解决问题的实际操作能力，这与当代社会教育所提出的“零接轨”教育理念基本保持一致。前段时间我们已对生物技术综合大实验课程体系进行了一次改革初探，已把教师的科研成果融入到综合大实验中，经过不断的实践和探索，我校农生院在综合性设计性实践教学上取得了良好的教学效果[1]，但仍存在一些问题，如大多数学生反映生物技术综合大实验实验周期长，真正开始做实验时只能分段开展，因而使其实验失去了连续性，重现性差，同时因教学实验成本和技术水平偏低等，使学生无法充分开展实验训练活动。此外，生物技术综合大实验中融入了部分教师的科研成果，起点相对较高，接近于实际的科研工作，时间相对较长。因此，现有的生物技术综合大实验课程教学体系仍需进一步优化。

近年来，全国高校都在积极开展虚拟仿真实验教学工作的建设，大力推进实验教学改革，各高校结合自身学校特色和教学目的，将无法或难以开展的创新性实验内容，通过利用虚拟仿真平台学习，帮助学生在虚拟环境中开展实验，让学生能够了解所有的实验仪器以及实验操作要领，最终使专业技术水平得到全面提升[2]。因此，生物技术综合大实验虚拟仿真实验项目应运而生。

1  虚拟仿真实验的设计

虚拟仿真实验是以多媒体技术为核心，运用3D动画，模拟真实的实验情境，让学生利用系统模型完成各种实验项目，是实体实验教学的扩展和补充，也是现代生命科学高速发展的需要。

1.1 实验教学背景

根据生物技术综合大实验的教学大纲要求，以玉竹多糖对高脂膳食小鼠脂代谢影响（荧光定量PCR）实验作为虚拟仿真实验设计对象，利用各种设备，如仿真、多媒体等设备，将实际操作与实验中的内容、步骤等有机结合起来，设计了玉竹多糖对高脂膳食小鼠脂代谢影响的虚拟仿真实验，从而达到最佳的实验模拟仿真效果。这不仅能够使学生观看qRT-PCR实验技术整个流程，而且可以对整个实验过程进行虚拟操作，详细情况见图1所示。在整个实验过程中，学生能够享受身临其境的感受。

1.2 实验内容

为了拓展学生的科研思路，激发学生的学习积极性，我们设计了利用qRT-PCR技术分析玉竹多糖改善高脂膳食小鼠脂代谢影响的虚拟仿真实验并制成了一个完善的功能模块，主要包括qRT-PCR的原理、实验目的和结果及讨论、实验视频、虚拟操作以及数据分析等六个重要组成部分。该实验来源于教师的科研项目，因此该实验的部分实验结果和实验数据真实可靠，这样更具有真实性和科学性。

学生可以自由的开展自主学习活动，通过观看实验视频，理解和掌握qRT-PCR的整个实验操作过程，在此基础上再进行虚拟实验操作，而实验视频包括实验条件、实验材料的准备、SYBR? Premix EX Taq试剂盒、实验操作具体步骤、实验数据分析、实验结束的清场等整个实验过程且设置非常详细。实验视频直观、真实地展示qRT-PCR的整个实验操作流程，使学生通过对此项目的反复训练，提高真实实验操作中的规范和准确性，为实际实验规范地使用qRT-PCR以及为之后进入科研实验实验室完成新课题打下良好的基础。

2  虚拟仿真实验室在生物技术综合大实验中的应用优势

2.1 不受实验室仪器及场地的限制，提高学生学习的积极性

生物技术综合大实验包含的实验内容较多，大部分是综合型大实验，因此操作起来存在一定的安全风险，且很多项目操作流程十分复杂，专业技术要求较高，学生如果想要熟练掌握，并在真实验室验当中能独立完成，则必须反复去练习。可客观环境导致学生能够拥有的实验室练习时间、仪器以及实验耗材等是有限的，但虚拟仿真实验则可解决以上这些问题，学生可以随时随地进行多次实验操作。此外，虚拟仿真实验给学生创造了逼真的虚拟实验环境，真实感极强，激发了学生的学习兴趣和主动性。从而提高了实验课的教学质量。

2.2 使长期实验短期化，提高实验效果

生物技术综合大实验实验周期一般较长，真实的实验过程往往是片断、不连续。如以教师的科研实验项目：玉竹多糖对高脂膳食小鼠脂代谢的作用为例，该实验项目包含玉竹多糖的提取分离纯化以及纯化的多糖对肥胖小鼠脂代谢作用（涉及动物饲养、小鼠肝脏RNA提取、反转成cDNA、荧光定量PCR）等环节，一般情况下，一个实验周期需要30～60d左右，有的甚至更长。但受课时影响，很难完成实验。所以，通过虚拟仿真实验室项目的建设，可以有效解决该问题。且在保证实验教学的连贯性及知识点的全覆盖下，还可以不受时间和空间的限制，随时进行实验，进而熟悉整个实验过程、操作要点，为更好地进行真实实验做准备。

2.3 降低实验成本和资源，提升实验教学效率

生物技术综合大实验在实验教学过程中还存实验成本高、消耗过大等问题，如做qRT-PCR时，Trizol试剂、SYBR? Premix EX Taq试剂盒等成本过高，无法保证每个学生动手做大量实验，而虚拟仿真实验教学资源，可让学生在未使用实验耗材就可以逼真地为学生展示qRT-PCR的实验方法和实验操作，使学生在未进行实际操作就能达到一定的学习效果，降低实验成本。

3  结语

实验教学以理论教学为前提，以课程实验为中心，将虚拟仿真实验引入到生物技术综合大实验教学中，虚拟仿真实验具有内容丰富、仿真强度高、安全无污染、高效开放以及与教材联系紧密等特点，更易激发学生的学习兴趣和积极性，因而所取得的学习效果甚至优于真实实验所取得的效果。基于生物技术综合大实验存在实验周期、成本、安全等问题，急需对传统教育理念进行全面更新，丰富教学内容与教学形式，这样才能够尽快满足实验教学改革发展的需求。培养更多具有分析问题、解决问题、创新和动手能力的学生，为提高学生综合素质发挥应有的作用，应用虚拟仿真实验教学是实验室建设的发展趋势，在实践教学中势必会发挥出越来越大的作用。

参考文献

[1] 王艳，胡一鸿，金晨钟.农林院校生物技术综合大实验课程体系改革的初探[J].科技创新导报，2017（30）：249-251.

[2] 王甜，王茂林，林宏辉.生物类虚拟仿真实验教学中心建设中的问题与对策[J].实验室研究与探索，2017，36（3）： 153-163.