虛擬仿真技術在基因工程實驗教學中的應用
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摘要：基因工程是現代生物技術的核心，其實驗課程所涵蓋的技術體系是生命科學研究領域及現代生物技術公司高端從業人員必備技能。但因實驗內容多，實驗原理比較抽象、實驗操作煩瑣復雜，周期長等因素，在有限的課時內學生的實驗成功率偏低，教學任務完成質量較差。為此本研究將虛擬仿真技術（VR）引入實驗教學中，通過模擬真實的試驗場景，學生能夠體會全新的、身臨其境實驗授課方式，并通過在線軟件支持學生課后在任意時間地點反復進行虛擬實驗操作。通過問卷、采訪以及實際運用等方式證明了VR技術在基因工程實驗教學中取得了預期的教學效果。
關鍵詞：VR;基因工程;實驗教學
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2020）01-0252-03
VR（Virtual Reality），即虛擬現實，在20世紀80年代初提出來的，是指借助計算機及最新傳感器技術創造的一種嶄新的人機交互手段[1，2]。而基于VR技術的實驗教學可以綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通信等技術，營造一個以學生為主體，激發主動學習興趣，高度互動、動手實作、虛擬實驗、過程可視的新穎教學環境，體現“實驗室無處不在”的理念[3]。能避免傳統教學中的“試驗時間，場所固定”“實驗儀器和耗材昂貴”“學生及試驗可控性差”“結果錯誤無法進行后續試驗”“學時有限無法完成”等缺點。
基因工程是于20世紀70年代在分子生物學和分子遺傳學綜合發展基礎上誕生的一門嶄新的生物技術科學[4]。它是利用重組技術，在體外通過人工“剪切”和“拼接”等方法，對各種生物的核酸（基因）進行改造和重新組合，然后導入微生物或真核細胞內進行無性繁殖，使重組基因在細胞內表達，產生出人類需要的生物產品，或者改造、創造新的生物類型。該技術是整個現代生物工程的核心工程，已成為相關研究領域及現代生物技術公司高端從業人員必備技能。這也是生命科學相關專業學習和掌握的關鍵內容?；蚬こ碳夹g所涉及的基礎理論課程及實驗課程相當多，包括《分子生物學及實驗》《微生物學及實驗》《細胞生物學及實驗》《生物化學及實驗》等生物類本科專業的專業基礎課及《基因工程》《高級生物化學》等專業課程。而這些課程根據認知先后開設于不同的學期比較分散，學生只能在不同的課程內完成所涉及的部分基本技能的學習和操作，很難綜合在一起，影響了整體技術的認知和操作訓練。另一方面該技術所使用的儀器和試劑比較昂貴，耗材需求量也大，并且是一次性的。因此專業綜合實驗只能開設其中幾個環節，還經常因儀器和經費限制只能多人一組，無法訓練學生的基本操作技能，嚴重影響到學生學習效果及積極性[4-6]。因此，如何能讓教師更合理地安排教學內容及時掌握教學成效，更好提高教學效率和教學水平，激發學生的學習熱情，成了需要解決的關鍵問題。
近年來，國內外多所高校已經開展了以虛擬仿真為主要特色的實驗教學平臺建設[7-9]，取得了顯著的成績，但針對基因工程實驗技術的虛擬仿真實驗教學的實踐非常少見。本研究以本學院的實驗中心平臺為依托，結合現代的信息技術制作了基因工程交互性虛擬仿真實驗，并將其應用于實驗教學中，為探索一種新型實驗教學模式奠定基礎。
一、基因工程虛擬仿真實驗軟件簡介
該實驗以我校數字網頁為平臺（http：//210.44.144.162），由教師將上課的學生添加到該課程中，這樣學生就可以通過自己的賬號登錄進入課程學習。制作過程中由濟南科明提供技術支持，版權為齊魯工業大學所有。根據技術流程將軟件分為三大模塊：微生物目的基因的克隆;原核基因工程菌的獲得;目的基因表達鑒定（圖1）。學生點擊其中的實驗模塊就可看到每個實驗模塊所包含的試驗流程圖（圖2），并按照流程圖的試驗內容點擊進入實驗項目。
VR試驗模仿實驗室真實場景，學生進入后可以看到實驗室的全景，包括實驗臺、實驗室儀器等（圖3）。主界面的右上方有實驗步驟、藥品試劑和儀器的工具框，學生可以從中選本試驗項目所需的儀器和試劑，并熟悉本實驗的步驟。界面左上方有幫助欄，學生可以通過幫助欄了解本實驗的目的、原理及容易出現的主要問題。界面的下方有操作提示對話框，根據提示學生選取實驗中的虛擬試劑、儀器等進行操作，如果操作有誤則無法進入下一步。
二、基因工程虛擬仿真實驗在實驗儀器中的應用
基因工程實驗中使用的儀器較多，其中有些儀器造價較貴，臺套數較少，多數學生不能親自操作，嚴重影響了學生的儀器操作能力。為此，本課題組使用VR仿真技術對真實儀器進行全方位立體虛擬，學生可以360度全方位觀察儀器，并能自由操控，多參數調節。
以PCR儀的使用為例，PCR（聚合酶鏈式反應）是分子生物學研究的一種極其重要的工具。它每天都在世界各地的實驗室用于多種多樣的應用，例如克隆、基因表達分析、基因分型、測序和誘變。PCR儀則是進行PCR反應必需的儀器，為了讓學生能熟練掌握PCR儀器的使用我們對該儀器進行了仿真模擬。學生可以隨時隨地對該儀器進行真實模擬操作，包括儀器的開關、樣品的放入、PCR參數的設置、PCR儀的運行及反應結束后樣品的取出等。通過全方位模擬真實操作過程，增加了學生與儀器使用之間的交互。
三、基因工程虛擬仿真實驗在實驗操作及成績評定中的應用
實驗操作即動手能力，是通過學習而成的一種合乎規則操作的活動方式。基因工程技術依賴實驗操作，必須熟練掌握實驗操作技能，才能更好地從事基因相關的科學研究。在傳統的實驗教學中經常會有教師講完了，有的學生卻依然不知道該如何操作，因此我們將實驗操作制作成了演示和操作交互的方式，在每一項實驗操作中都含有演示與操作部分，學生在觀看完演示部分之后進行操作，在操作中，需要學生點擊相關的試劑或儀器進行模擬實驗，如果學生忘記了該如何操作，可以點擊幫助按鈕，會提示下一步操作的內容是什么。這樣大大降低了學生操作的錯誤率和實驗的失敗率，使學生能夠在有限的時間里順利地完成實驗內容，并能掌握實驗操作技巧，提高了學生的動手能力。此外各實驗內容完成會獲得相應結果。學生可對結果進行分析，完成實驗報告。學生在虛擬環境中進行的實驗，可以通過授課教師的實時監控在線進行評價及答疑，課后可在線提交實驗報告、回答問題，最后教師綜合評定實驗成績。 四、基因工程虛擬仿真實驗應用反饋
為了進一步完善基因工程虛擬仿真實驗，使學生應用更加方便有效，利用網絡問卷的形式對本學期上課的學生進行了調查，反饋結果如下：本校生物技術專業的兩個班學生調查，有效問卷數57份。在對是否有必要應用虛擬仿真實驗進行基因工程實驗教學調查中，有88%的人認為有必要，有93%的人認為該軟件能夠解決傳統實驗教學中遇到的困難。在應用該軟件的優點調查中，使課程生動形象比例占80%;使原理、方法清晰易懂比例占60%;實驗技術得到加強占40%;實驗能完成80%以上占50%;在實驗軟件需要改進的地方調查中，26.76%的人認為需要開發手機App功能，24.02%的人認為增加闖關積分，可以用積分來評定實驗成績;21.46%的人認為應加增加其他評價機制，如中間可以插入問答題等，增加學生與教師之間的交互功能。通過以上的調查結果說明基因工程仿真軟件的應用增加了學生對實驗課的興趣，而且其中的實驗原理、方法更清晰易懂、極大地降低了實驗中的錯誤率，鼓舞了學生做實驗的熱情，讓他們更加有信心和興趣去學習和探索生命的奧秘。
五、虛擬仿真實驗在實驗教學中優勢及展望
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基因工程實驗傳統教學主要存在兩個問題：
（1）用到的有些儀器及試劑，價格相當昂貴，在教學公共平臺中不能完全保證每個學生都能親自操作;（2）實驗步驟煩瑣，試驗周期長，試驗過程環環相扣，前一步驟結果錯誤就無法進行后續試驗。鑒于課時及試劑經費限制，一般中間環節試驗失敗的學生不可能重新再做，使得他們的后續試驗參與度降低。以上問題嚴重降低了學生的學習熱情和興趣，也讓指導教師在試驗安排時較少地選擇綜合性強的試驗，因此實驗教學效果無法保障[4，5]。
而利用仿真實驗教學可以以信息技術營造一個虛擬實驗、過程可視的新穎教學環境，軟件可以在Windows、Linux、Android或Mac Os等操作系統下的PC機、平板電腦上運行，支持學生課后在任意時間地點反復進行虛擬實驗操作，只要有網絡的地方就可以動手做實驗。能充分體現“實驗室無處不在”的理念[10，11]。較好地避免了傳統教學中的“試驗時間，場所固定”“學生及試驗可控性差”“結果錯誤無法進行后續試驗”“學時有限無法完成”等缺點，能明顯提高基因工程實驗教學效果。
?。ǘ┨岣邔W生試驗預習效果
為了提高實驗效果及實驗成功率，任課教師會要求學生進行課前預習。學生一般通過閱讀實驗指導手冊來完成預習。晦澀難懂的實驗原理及煩瑣的實驗步驟讓很多學生無法理解及想象，學生預習熱情不高。而且基因工程實驗經常應用一些有毒的試劑及材料，例如氯仿、溴化乙啶等。在教學中需要嚴格要求學生按照操作規則進行實驗，如果處理不當往往會造成對環境及周圍人的傷害。而通過虛擬仿真實驗軟件學生可提前對實驗進行真實的可視化預習，預習效果比單純看文字說明更能帶動學生的預習熱情，不僅能提前掌握安全操作，而且還熟悉了試驗步驟，這樣學生進入實驗室時就不至于盲目操作，不僅降低安全隱患，也能提高實驗成功率。
總之，基因工程實驗操作煩瑣，周期長，操作細節關乎成敗。將虛擬仿真實驗引入教學中，提供給學生逼真、生動的學習內容和先進的實驗設備，不僅擴大了實驗環境，延長了實驗時間，而且反復操作不必擔心實驗失敗。因此，在真實實驗的基礎上，以虛擬仿真實驗為輔助，能起到事半功倍的效果，同時利于學生進行實驗技術創新，充分發揮學生主體的積極性、主動性，較好地保障了教學質量?？梢哉f，虛擬仿真實驗教學通過信息技術與教育教學融合給實驗教學帶來改革與創新。
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Application of Virtual Reality Technology in Experimental Course of Gene Engineering
HAN Ning，HE Xi，HAO Lu-jiang，ZHANG Jing
?。⊿chool of Bioengineering，Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences），Ji'nan，Shandong 250353，China）
Abstract：Gene engineering is the core technology of modern biotechnology，which is necessary for high-end practitioners in the field of life science research and modern biotechnology companies.However，the experimental success rate of students in a limited course is low，and the quality of teaching tasks is poor，for lots of experimental contents，abstract experimental principles，and complex experimental operations，long period etc.Therefore，virtual reality was taken into the experimental course to provide students with a new immersive experimental teaching method.In addition，the online software supports students to conduct repeated virtual experiments at any time and place after class.Through questionnaires，interviews and practical applications，it is proved that VR technology has achieved the expected teaching effect in the experimental teaching of genetic engineering.
Key words：VR;Genetic Engineering;the experimental teaching
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