虚拟仿真实验在细胞工程实验教学的应用实践

李琳琳，金华，吕国忠，孙晓东，杨红，宋彦涛，肖添元

（大连民族大学 环境与资源学院，辽宁 大连）

《细胞工程》是我国高校生物技术和生物工程本科专业的核心课程，实验实践是其极为重要的环节，与《细胞工程》配套的《细胞工程实验》是以实验和实践操作为主的课程[1-2]。《细胞工程实验》要求学生对《细胞工程》理论知识的理解与领悟，培养学生的实验操作能力、观察能力、分析和解决问题能力及团队协作等能力。目前，《细胞工程实验》借助植物组培快繁项目培养学生实验和实践能力，但因对时间、空间、仪器依赖程度高等问题使得教学效果不甚理想。

虚拟仿真实验教学是在虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术的依托下，构建的高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，也是仿真技术与虚拟实验相结合的产物[3]。最终实现在虚拟环境中展开实验，而不受时间、空间的限制，并具有直观化、个性化、智能化等特点，弥补了传统实验教学的不足，因此也受到了全国各高校的高度重视，并逐渐引入到本科教学中。2018年教育部印发了《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》，进一步深化和拓展了虚拟仿真教学项目的建设，推动了虚拟仿真技术在高校教学中的改革探索[4]。如何做好虚拟仿真实验建设，开辟“智能+实验室”新途径是新时代本科实验教学的重要任务[5]。本研究构建了以“草莓脱毒苗工厂化生产”为内容的植物脱毒快繁应用虚拟仿真，来补充《细胞工程实验》教学模块，强化学生对理论知识的掌握和理解，提升教学成效和综合能力。促进互联网时代学习兴趣和实现实验教学资源共享，提升实验教学的质量、探索实验教学的新模式[6-9]。

一 项目建设背景

植物脱毒快繁是细胞工程实验中利用优良植物茎尖无菌部位进行脱毒处理后离体培养，短期内获得大量遗传性一致后代的繁殖技术，其操作流程包括无菌母株制备、不定芽增殖、完整植株的驯化及无毒苗工厂化生产等流程，细胞工程实验对理论知识的理解、应用具有积极的示范作用。一方面，在传统实验中由于脱毒快繁实验耗时较长，受课时间限制学生对实验全过程缺乏一个完整动态的观察过程[1]；另一方面，由于实验涉及培养基配制、外植体处理、茎尖脱毒操作、接种、继代培养、驯化、移栽等多个固定实验操作，学生缺乏自主性和交互性、若实验其中任一环节出现问题需要重新开始甚至导致实验中断或失败，影响实验效果、质量和学生积极性[2]。

“草莓脱毒苗工厂化生产”虚拟仿真实验为学生提供了高度仿真的虚拟实验环境虚拟连栋日光温室场景（连栋日光温室、苗床、基质、组培苗、营养钵等）、消毒间、组培实验室（包括准备室、无菌操作室、培养室、生理生化检定实验室）；仪器设备（高压蒸汽灭菌器、超净工作台、解剖镜、微波炉、pH计、解剖刀片、组培架等），让学生可以真切感知整体的实验涉及的场景、仪器和实验流程。该虚拟仿真实验在线下实验开始前向学生开放，学生利用课余时间进行预习和虚拟实操，提高学生的全流程实验的感知，同时借助虚拟仿真实验保障特殊时期（如新冠疫情线上上课期间）实验实践教学的正常教学进度。

二 实验项目的建设与应用

“草莓脱毒苗工厂化生产”虚拟仿真实验项目依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台，通过“计算机”“平板”“手机”等客户终端设备向本学院本科生、研究生及生物相关专业学生开放，通过数据接口使两者无缝对接。在客户端与服务器建立连接后，呈现“学习模式”和“考核模式”供学生选择进行线上操作模式可选择进行在线学习和操作训练（图1）。

图1 草莓脱毒工厂化生产虚拟仿真实验界面

如图2所示，支撑项目运行的平台及项目运行的架构共分为数据层、支撑层、通用服务层、仿真层、应用层五层，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。

图2 系统总体架构图

（一） 实验项目特点

采用3D仿真技术模拟草莓脱毒快繁多个实验场景再现，使实验场景和实验对象直观形象、生动逼真，如临实境[6]。我校已获得该虚拟仿真实验国家软件著作权。“草莓脱毒苗工厂化生产”虚拟仿真实验突破线下实验时间周期过长、缺乏动态过程和关键环节的认知的限制。实验涉及多个固定实验操作、三个无菌培养阶段、两个定植生长阶段，实验时间较长，若其中任一环节出现问题需要从头开始，增加时间成本；学生人数多等的限制问题。“草莓脱毒苗工厂化生产”虚拟仿真实验将传统的实验室、固定的上课时间延伸为泛在化的网络虚拟实验室和全天候在线的“空中课堂”，学生可在4个学时内完成整个实验操作流程观察到整个实验过程。有效解决了教师跟踪实验过程的困难，节省了实验教学成本，大大提高了学生的学习效率。

（二） 实验项目内容

图3 学习模式3D场景和操作界面

立足于基础理论，以教学大纲为本，配合细胞工程实验课程的培养目标，虚拟仿真实验总体包括“培养基配置、生物调节物质配置、外植体选择与消毒、草莓茎尖剥离、接种、继代培养、组培苗移栽”等实验内容。学生进入“学习模式”中熟悉和体验实验场景、器具、操作等；漫游于虚拟的实验室，能够直观形象、立体生动地体验、360°展示实验室内仪器设备和空间布局、了解实验室各类安全提示和警示标识。项目构建模拟的场景将知识点附加三维模型之上，实现关键知识要点在虚拟环境中的三维可视化，如临其境开展实验。“学习模式”中具有实验节点提示，熟悉实验流程和操作细节，反复操作和练习。学生与虚拟环境、各类试剂、仪器和物体实时互动，进行操作练习，通过人机交互的方式，实现边练习、边学习、边调整，错误和不足之处及时得到改正和补充。人机交互性操作步骤总计超过60步。“学习模式”不设时间限制和操作不当扣分的考核，学生可针对自己的实验能力和素养进行反复学习和练习。

经过学习模式的训练基本掌握了“草莓脱毒苗工厂化生产”综合实验的学生，可选择进入“考核模式”完成实验课程考核和检验。该模式下学生进行闯关式的考核，开始实验按照节点进行实验操作（不可返回上一节）直至实验流程结束，学生将不会获得任何关于实验设备和操作的提示，若操作错误后台自动扣分，学生需要在规定的时间内独立完成全部实验操作，未按时完成或实验步骤操作不当达到三次则视为未通过考核。学生需要重新回到“学习模式”进行复习后再进入“考核模式”，“考核模式”限制操作3次，学生可针对自己学习情况决定何时进行考核，完成考核模式实验节点及提交实验报告系统会进行记录和打分。

（三） 实验项目应用

虚拟仿真实验是一种新的教学方法，是实体实验的补充。细胞工程虚拟仿真实验充分利用网络平台和信息资源，具有易开发、易共享、突破时空限制、内容丰富、效率高、三维效果好等特点[7]。它不仅可用于细胞工程实验课程的辅助教学，还可用于本科生的探索性实验、本科生的创新项目和研究生的科研培养。它不仅可以促进学生的自主学习，帮助学生学习实验原理和专业技能，还可以帮助学生进行自主研究性学习，培养科研创新精神[5]。根据细胞工程虚拟仿真实验的建设和应用，虚拟仿真实验平台有待进一步完善和完善。首先，虚拟仿真实验充分发挥了学生的主观能动性和参与度，在虚拟仿真实验设计中增加了引导学生理解、思考、分析和解决问题的预习题。

如图4所示，对大连民族大学生物技术专业2017级和2018级本科生进行了课程问卷调查，涉及8个问题：虚拟仿真实验这种形式是否接受；通过虚拟仿真平台是否掌握实验原理；虚拟仿真实验的“学习”和“考核”模块是否满足你对实验的需求；虚拟仿真实验对线下实验操作是否具有帮助；通过虚拟仿真实验能否独立完成线下实验；通过虚拟仿真实验平台是否观察到了线下实验的全过程；对这门课程的考核方式是否满意；是否接受其他课程也开展虚拟仿真实验。从调查统计结果来看，总体上提高了学生对教学的满意度。其次，在虚拟仿真实验建设中可以根据需要更新和增加先进的技术实验项目。最后，虚拟仿真实验辅以实体实验具有锦上添花的效果。由于虚拟仿真实验受程序控制，几乎没有不可控因素，虚拟仿真实验中增加具有混淆的操作，培养学生判断和应对突发事件的能力。在实际实验和科学研究中，可能会出现各种突发事件，因此虚拟仿真实验保障了特殊时期实践教学的正常进度。

图4 学生对课程学习效果的评价

结果显示，虚拟仿真实验提高了学生的参与度、提高了对课程学习的兴趣、对掌握和熟练运用理论知识具有积极作用。学生通过线上的虚拟仿真实验后大大提升了实验效率，学生在线下的实验中也不再机械重复实验步骤，而是将虚拟仿真实验获得的训练与实际对应起来，避免了不必要的浪费。也让学生在实线下验中有更多的精力思考和提问，弥补了大学生缺乏自主性思考的不足，为今后从事相关生产和科研工作增加助力。

三 结语

草莓脱毒苗工厂化生产项目将虚拟仿真实验与理论知识有机结合，采用3D仿真技术模拟了草莓茎尖脱毒实验、植物快速繁殖实验，实现了学生对知识的理解并应用、锻炼了学生实验操作能力、培养了的无菌意识、科研素质和创新精神。另外，平台持续建设与更新，紧跟国家网络平台提升步伐将引入5G网络，增强虚拟仿真平台对优质资源的共享能力和稳定性，满足更多学生的同时访问。此外，细胞工程虚拟仿真实验贯彻了OBE教育理念，激发了学生的学习兴趣，为培养学生的操作能力和思考能力，促进实验教学思路与方法改革打下了坚实基础。