醫學研究生分子生物學實驗教學研究

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摘要:隨著虛擬仿真技術和人工智能技術的日趨成熟，人們逐漸意識到虛擬仿真實驗在教育領域中具有巨大應用價值。如何在實驗教學中合理運用虛擬仿真實驗成為教育者們關注的熱點之一。文章概述了我國虛擬仿真實驗項目的建設情況，虛擬仿真實驗與傳統實驗的特征以及虛實結合實驗教學方法的優勢，并探討虛實結合教學模式在醫學研究生分子生物學實驗教學中的應用。這將為提升分子生物學實驗教學質量和培養具有科研創新能力的醫學研究生提供重要參考。

關鍵詞:分子生物學;虛擬仿真;實驗教學

分子生物學實驗技術是推動生命科學發展的關鍵技術［1］。因此，分子生物學實驗教學對于醫學研究生科研能力培養至關重要。然而，目前我國研究生實驗教學普遍存在以下問題:①研究生持續擴招。據國家統計局2022年2月發布的《中華人民共和國2021年國民經濟和社會發展統計公報》顯示，我國2021年研究生招生人數為117．7萬，較2020年的110．6萬人增長了7．1萬，增幅為6．42%。據統計，我國近十年研究生平均擴招增幅在7%左右［2］。②實驗平臺和師資等資源相對不足。實驗平臺建設難以跟上研究生人數的擴張速度，實驗教學師資與研究生比例失調。③傳統實驗教學存在諸多弊端，例如，教學模式固化，實驗項目單調，實驗內容過于陳舊等［3］。以上因素在一定程度上制約了研究生科研素質的培養。因此，我國的研究生實驗教學條件有待改善，教學模式亟須深度變革。隨著人工智能、虛擬現實和多媒體等技術的發展，產生了大量以電子學習為目的的數字交互學習資源，其中虛擬仿真實驗被廣泛地運用在實踐教學中。虛擬仿真實驗為學習者提供了一個具有高質量學習資源的開放平臺，以進行研究型學習、自主實驗和創新實踐。它提高了人才培養質量，為實踐教學和實驗室建設的改革注入新活力。目前，虛擬仿真實驗也開始被我國教育中心重視起來，而且它在普通高等學校本科生實驗教學中占比也越來越高。然而，研究生與本科生的實驗教學目標并不完全一樣，不能簡單地套用。因此，合理運用虛擬仿真實驗，對研究生科研素質培養具有非常重要的意義。本文以醫學研究生分子生物學實驗教學課程為例，對虛實結合實驗教學模式進行探討，提出切實可行的實驗教學方案，為提升醫學研究生分子生物學實驗教學質量提供參考。

1我國虛擬仿真實驗項目的建設情況

虛擬仿真實驗是借助于網絡技術、計算機技術、虛擬仿真技術和人工智能技術等，構建虛擬實驗場景、實驗內容和操作對象的實驗平臺，使學生通過人機交互的方式，可以像在真實環境中一樣完成各種實驗項目。它是現代信息技術與教育的深度融合，是教育信息化的產物。它極大地促進教學模式的改革，豐富教學手段，提升教學質量。2017年，我國教育部下發的《教育部辦公廳關于2017－2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》明確提出在普通本科高等學校開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作。2018年，教育部在發布的《教育部關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》中首次提出金課概念，同時也將虛擬仿真實驗項目列為五大金課之一。自此，國內各大高校掀起了虛擬仿真實驗教學課程建設的熱潮。我們從國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺網站查閱到的最新信息顯示，自2017年以來，我國的虛擬仿真實驗項目建設已經覆蓋經濟學、法學、教育學、文學、歷史學、理學、工學、農學、醫學、管理學和藝術學等12個學科大類，61個學科類別。截至2021年底，在iLAB平臺上申報的虛擬仿真教學實驗項目共3250項，其中728項已通過國家認定。在所有學科類別虛擬仿真實驗項目數量排名中，基礎醫學類以124項位列第四(前三名依次為:管理類221項，機械類175項，藝術學類169項)。這說明虛擬仿真實驗在基礎醫學教學領域也得到廣泛應用。

2虛擬仿真實驗與傳統實驗的特征

傳統實驗的特征:①實驗室需要有足夠大面積的場地和耐腐蝕的實驗桌以及生物安全措施，配置實驗所需的各種儀器，會用到各種危險性化學試劑。②實驗項目少。由于儀器和試劑成本限制，導致很多實驗項目無法開展。③實驗時長較長，而且在實驗過程可能出現各種差錯等。④實驗項目更新慢。因為傳統實驗的開展需要綜合考慮各方面的因素(如場地、儀器和成本等)，所以導致實驗項目的更新速度較慢。虛擬仿真實驗的特征:①虛擬仿真實驗不需要“物理的”實驗室和昂貴的儀器，也沒有用到危險化學品。②虛擬仿真實驗對實驗成本沒有限制。③實驗人員不需要為使用臨床標本或者傳染性病原微生物，而擔心倫理及生物危害等問題。虛擬仿真實驗室非?！皩捜荨?。④虛擬反應是即時的，學生不必排隊等待使用儀器，例如PCＲ儀等。⑤實驗項目更新快。⑥虛擬仿真實驗可以打破時間和空間的限制，使學生隨時隨地進行學習［4］。

3虛實結合實驗教學模式的優勢

盡管虛擬仿真實驗在實驗教學中占比逐漸增多，然而大多數教育者依然認為“學生在虛擬仿真實驗操作中沒有體驗到實際操作感受，它是不可能完全代替傳統實驗室實驗的”。因此，根據當前我國研究生實驗教學條件和虛擬仿真實驗建設情況，在研究生實驗教學中采用虛實結合實驗教學模式受到一致認可。它具有如下優勢。虛實結合的實驗教學模式既能規范學生的基本實驗操作，又能提供更多實驗操作機會，有利于研究生實驗操作技能的提升。傳統實驗教學往往因為實驗時長和實驗條件限制，一門實驗課最多只能開展4－5個實驗。而且由于學生多，還要以小組為單位進行，致使實驗操作機會少，難以滿足研究生實驗技能的培養要求。虛實結合教學模式借助虛擬仿真實驗強大容量的優勢彌補了傳統實驗教學學生容量不足的缺陷。學生可以在虛擬仿真實驗平臺中進行反復練習，從而加強對技能操作的肌肉記憶，有利于提高研究生的操作技能。虛實結合實驗教學模式既能保證經典實驗得以傳授，又能與時俱進，及時更新實驗項目，有利于研究生科研創新思維的培養。傳統實驗教學課程設置比較單一，實驗項目更新慢，遠遠跟不上當前科技更新迭代的速度，難以培養出具有創新能力的研究生。虛實結合實驗教學模式借助虛擬仿真實驗巨大靈活性優勢，可以隨時添加各種前沿技術。學生通過學習當前最熱門實驗技術，可以開闊視野、拓寬知識面，有利于促進研究生科研創新思維的培養。虛實結合實驗教學模式既能豐富實驗教學手段，又能增加學生的求知欲和參與欲，有利于研究生自主學習能力的養成。虛實結合教學模式在很大程度上豐富了教師的實驗教學手段。同時，虛擬仿真實驗教學通過視覺、聲音等構建的虛擬環境給學生身臨其境的真實感。在逼真的虛擬環境中進行沉浸式、交互式學習，有利于學生更專注地學習實驗技能。學生將虛擬仿真實驗描述為“奇妙的實驗室之旅”。

4虛實結合分子生物學實驗教學設計

根據新醫科背景下培養高科研素質醫學研究生的目標，在研究生分子生物學實驗教學中我們采用實驗室實驗教學與虛擬仿真實驗教學相結合的教學模式，即虛實結合分子生物學實驗教學模式，并且始終秉持“實驗室實驗教學主要側重于規范研究生的基本實驗操作，虛擬仿真實驗教學主要側重于研究生的創新思維培養”的理念對該模式下實驗課程進行合理設置。我們以吳耀生編著的《醫學生物化學與分子生物學實驗指南》(人民衛生出版社，2007年)為參考，結合醫學研究生科研素質培養的要求，淺談虛實結合教學模式在醫學研究生分子生物學實驗課中的教學設計。

4．1實驗室實驗教學設計

由于在虛實結合教學模式中我們將實驗室實驗教學定位為起到規范研究生基本實驗操作的作用，所以這部分課程主要包含基本實驗技術和經典小實驗等，例如，全血DNA的提取與鑒定、質粒DNA的提取、轉化及篩選、ＲNA電泳及NorthernBlot、逆轉錄PCＲ(ＲT－PCＲ)、表達載體的構建及轉化和PCＲ－限制性片段長度多態性分析(PCＲ－ＲFLP)等實驗。實驗室實驗教學具體實施設計:①實驗預習檢查:教師提前布置實驗項目內容，課前抽查學生預習情況。②多媒體講授實驗原理:教師針對實驗原理和實驗步驟進行多媒體講解。③視頻演示和教師親自示范:教師針對實驗的關鍵步驟進行視頻演示，或真人示范。④學生操作和實驗報告:學生根據實驗流程進行實驗操作，在此過程中教師進行指導。學生完成實驗操作之后，需要書寫實驗報告。⑤實驗報告批改和答疑:教師對學生的實驗報告進行批改，并進行答疑。

4．2虛擬仿真實驗教學設計

研究生在掌握基本實驗技術后，需要強化科研創新思維能力。而虛擬仿真實驗平臺因其獨特的優勢，勢必在研究生科研創新思維培養方面起到重要作用。因此，我們將虛擬仿真實驗教學定位為研究生的科研創新思維培養教學。該部分課程主要包含分子生物學前沿技術、復雜性疾病的分子診斷技術和綜合型實驗等，例如，雙熒光素酶報告基因實驗、CＲISPＲ/Cas9技術的原理及應用、ＲNA結合蛋白免疫沉淀(ＲIP)、染色質免疫沉淀(ChIP)、染色體構想捕獲(3C)、p53突變熱點檢測、α地中海貧血點突變的檢測和血清γ－球蛋白的提取及鑒定等實驗。虛擬仿真實驗教學具體實施設計:①實驗預習模塊:課前學生通過虛擬仿真系統進行預習。預習的內容包括實驗原理、儀器介紹、實驗內容和演示視頻等。教師可以在線掌握學生的實驗預習情況。②虛擬仿真實驗:學生在“實驗模式”下按照實驗流程進行實驗仿真操作。③完成練習題及測試題:學生完成虛擬仿真實驗操作后，需要完成系統提供的練習題及測試題。④系統評分:學生在虛擬仿真實驗中的操作由系統自動對整個過程進行評分。

5虛實結合實驗教學模式的注意點

5．1虛實實驗項目設置要科學合理

研究生的分子生物學實驗教學與本科生略有不同，本科生著重于促進學生對書本理論知識的理解，而研究生著重于提升實驗操作能力和科研創新思維的培養。很顯然，研究生的實驗教學要求更高。因此，實施虛實結合實驗教學模式時，實驗室實驗與虛擬仿真實驗項目設置必須科學合理。實驗室實驗項目應當設置一些基礎性的實驗，而虛擬仿真實驗可以設置一些高階的實驗。兩者比例需要根據實際教學學時進行合理搭配，從而實現優勢互補，作用最大化。

5．2教學效果評價和意見反饋

對于學生在虛擬仿真實驗中操作過于“隨意”(如隨意點擊虛擬仿真場景中各種元素，隨意調節各種實驗參數等)，部分教師認為虛擬仿真實驗教學過于兒戲。由此說明在虛擬仿真實驗教學中也離不開教師的正確引導。對于虛實結合實驗教學的效果評價，教師可以根據調查問卷、實驗報告、測試題完成情況以及學生反饋意見等對其進行綜合評價，從而更有針對性地改進教學。虛實結合實驗教學模式充分整合實驗室實驗和虛擬仿真實驗的優勢，實現兩者的優勢互補，有助于規避兩者的缺陷。同時，虛擬仿真技術的快速發展以及虛擬仿真實驗的大量應用無疑巨大地推動了研究生實驗教學的改革。虛實結合的分子生物學實驗教學模式讓實驗教學形式更具有吸引力，實驗教學內容更加豐富多彩，為研究生提供更多實驗操作機會，從而提高了研究生的實驗技能和培養了研究生的科研創新思維。這種實驗教學模式能更好地培養研究生的科研興趣，促進學生自主學習，也提高了醫學研究生分子生物學實驗教學質量。因此，虛實結合的分子生物學實驗教學模式是新醫科背景下理想的醫學研究生實驗教學模式。

參考文獻:

［1］齊曉嵐，張婷，洪偉，等．醫學院校研究生分子生物學技術實驗教學創新體系的構建［J］．基礎醫學教育，2022，24(2):103－105．

［2］駱亞莉，劉凱，顏春魯，等．關于擴招背景下醫學類研究生教育的幾點思考［J］．中國繼續醫學教育，2022，14(4):165－169．

［3］鄧霏，劉艷梅，石國璽．傳統實驗教學現狀分析及今后改革方向—以微生物實驗教學為例［J］．現代職業教育，2021(50):57－59．

［4］朱丹，徐文芬，麻秀萍，等．虛擬仿真實驗在中藥制劑分析實驗教學中的應用探討［J］．山東化工，2020，49(9):199，201．

作者：周先果 羅育 單位：廣西醫科大學附屬腫瘤醫院實驗研究部