虚拟仿真技术的高校分子生物学实验教学改革

中图分类号:G642。0文献标志码:A文章编号:1674-9324(2018)19-0107-02

一。引言

近年来,分子生物学进入发展的快车道,许多先进技术相继出现,分子生物学的理论知识已渗透到生物学的诸多领域。由论文网于分子生物学具有微观性和抽象性的特点,在教学过程中须通过实验操作来形象地展示其理论和技术,所以分子实验在该课程教学中具有非常重要的地位[1]。随着计算机。互联网的发展,虚拟仿真技术开始崛起,它是一种人工模拟三维仿真环境的综合性集成技术。由于操作简便。安全性高。成本低及场景逼真生动等优点,虚拟仿真实验已逐步渗透入高校的实验教学。至2013年以来,国家教育部便积极开展了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作[2]。如何将虚拟仿真技术引入分子生物学实验教学,完善现有实验教学的不足,提高学生的积极性和创新能力,增强实验教学效果,已成为高校急需解决的教学课题。

二。传统分子生物学实验教学存在的问题

1。教学内容陈旧。目前,许多分子实验教学内容与前沿分子生物学发展结合性不紧密。陈旧的教学内容让学生失去了学习的兴趣。另外,由于分子生物学实验会用到一些具有危险性的化学试剂和药品,为了学生安全考虑,教师往往选择一些安全性高。容易操作的实验内容。这样容易使学生得不到锻炼,造成教学内容陈旧。资源匮乏。

2。教学方法单一。传统教学方式比较单一,往往是教师逐一讲解实验目的。实验原理。实验方法及实验步骤等。学生只需在课堂上完成相应实验操作,上交实验报告。这种教学方式看似降低了实验操作错误率,提高了教学效率,但是学生主动思考的机会少,容易形成惰性和依赖性,对教学内容只知其然而不知其所以然。

3。成本投入大。随着分子生物学的发展,实验教学涉及的仪器也更加先进昂贵。许多高校在这方面的资金投入不足,无法采购先进高端的实验仪器,相应的分子生物学实验课无法开展,学生因此无法接触到最前沿的分子生物学技术,严重影响了实验教学效果。

4。学生动手能力弱。由于时间限制,教师须在上课前完成材料准备。试剂配制及仪器调试等工作。学生只需按实验步骤将事先准备的试剂按比例添加即可。学生只是在简单地模仿实验部分操作,并没有参与整个实验的操作过程,这会造成学生动手能力差,当遇到问题时无法找到根源所在。

5。受时空限制大。由于教室资源有限,课堂上无法允许每个学生独立进行实验。通常情况下,2―4个学生一组开展实验,这样无法保证每个学生都能动手进行操作。另外,由于课时限制,实验内容只能有选择地进行授课,这会让学生有接触更多分子生物学技术的机会。

三。虚拟仿真实验的优势及在分子实验教学中的应用

1。降低实验危险性。有些分子生物学实验会涉及有毒有害的化学试剂,如果操作不当,容易发生实验安全事故。例如,在DNA提取中会涉及易制毒化学试剂三氯甲烷,这种试剂易燃助燃且易制毒,受公安部门管制,琼脂糖凝胶电泳中涉及具有致癌性的溴化乙锭,蛋白质提取中涉及易制毒易制爆试剂丙酮等。虚拟仿真实验授课不但不用接触危险性化学试剂,还可以通过直观的虚拟仿真实验,对危险化学试剂的操作和使用有更为准确的认识。因此,虚拟仿真实验教学可以降低实验的危险性,同时提高学生的实验理解能力。

2。可视微观性实验。分子生物学实验原理比较抽象,内容非常微观,用到的试剂量非常少。例如,DNA用量以纳克计算,PCR反应的试剂以微升计算。另外,一些实验反应过程是肉眼看不见的。例如,PCR反应中DNA是如何变性。复性和延伸的?DNA重组子的构建实验中,目的DNA片段是如何连接到载体DNA上的?这些都是肉眼看不到的。只有整个实验完成后,通过电泳检测才能判断实验成功与否。为了更为直观地展示实验反应过程或实验原理,我们可以采用虚拟仿真实验进行教学,使之与传统实验操作相结合,不仅可以丰富教学手段,激发学生的学习兴趣,提高学习主动性,还可以使学生对实验原理有更深刻的认识,最终熟练掌握和运用所学的分子生物学知识[3]。

3。缩短实验周期。有些分子实验周期较长,学生在课堂上很难完成。例如Southern杂交,其实验包括基因组DNA制备。DNA限制酶切。DNA消化产物的琼脂糖凝胶电泳。DNA转移。探针标记。杂交和洗膜检测等步骤,每一步都需要很长时间,整个实验过程需要两天甚至几天的时间。虚拟仿真实验则可以避免此类问题的发生。教师可以将这类周期性长的实验设计成虚拟实验,不但可以减少实验等待时间,使实验过程变得清晰紧凑,还可以让学生在实际实验操作过程中有的放矢,进而提高实验教学效率[3]。

4。降低实验成本。有些分子生物学实验会涉及价格昂贵的化学试剂或大型仪器。例如,RT-PCR实验要用到价格很贵的反转录试剂盒,荧光定量PCR实验要用到价格不菲的荧光定量PCR仪。虚拟仿真实验则不需要采购这些价格昂贵的化学试剂和大型仪器,在虚拟实验中,不但可以保证学生接触更先进的分子生物学技术,增加更为丰富的教学资源,还可以大大降低实验资金投入。

5。打破空间限制。虚拟仿真实验不受空间限制,只要有移动终端,学生就可以随时随地进入虚拟仿真实验平台开始实验操作,每位学生都有动手进行实验操作的机会。同时,虚拟仿真实验允许学生多次进行平台重复实验操作,这样既可以加深学生对分子生物学实验的理解,也可以提高学生的创新能力。

6。丰富考核方式。传统分子实验考核方式是学生提交实验报告,最终成绩由考勤率。实验操作表现和实验报告成绩构成。这种考核方式过于单一,不利于学生积极性和创造性的提高,且容易造成学生机械性地完成或相互抄袭实验报告,严重影响实验教学效果。而虚拟仿真实验中的考核方式更具多样化和生动化,教师事先设置好相应的知识障碍“,学生设法解除知识障碍“,并成功完成实验项目后才获得相应的成绩[4]。这种考核方式可以激发学生接受考核的积极性,减少抄袭实验报告的现象,进而提高实验教学效果。

四。结束语

分子生物学实验是高校生物专业学生必修重要课程之一。将虚拟仿真技术引入分子生物学实验教学,不但可以提高学生学习的主动性,加深对分子生物学知识的理解,提高创新能力,而且可以密切联系实际,丰富教学内容和方式,降低教学成本投入,提高教学质量。当然,实验教学中不能放松实际动手操作能力的培养,一定要采取虚拟仿真与实际操作相结合的实验教学模式,只有这样才能更好地提高教学效果,培养出更多的创新性人才。

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