曹穎瑛，張俊平，厲建中，曹 巖，朱臻宇，姜遠(yuǎn)英 (第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院新藥研究中心， 上海 004;第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院生化藥學(xué)教研室;第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院藥物分析學(xué)教研室; 通訊作者)

生物技術(shù)藥物將基因工程、細(xì)胞工程、分子生物等學(xué)科的基本理論和技術(shù)方法與藥物研究有機(jī)結(jié)合起來，用來診斷、治療和預(yù)防疾病的發(fā)生，是藥學(xué)本科和生物技術(shù)本科一門重要的專業(yè)課程。其知識(shí)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，這就要求在教學(xué)過程中，除了注重基礎(chǔ)理論知識(shí)的講授，還需及時(shí)融合相關(guān)技術(shù)的最新進(jìn)展。

而生物技術(shù)藥物實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為整個(gè)課程教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是學(xué)員將基本理論與操作技能、抽象分析與實(shí)例驗(yàn)證相結(jié)合的重要手段，具有很強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性，有利于學(xué)員的觀察能力、動(dòng)手能力和思維能力的培養(yǎng)。因此，如何改進(jìn)生物技術(shù)藥物實(shí)驗(yàn)課程，從而增強(qiáng)該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，是值得我們深入探討的。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的主要問題

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在生物技術(shù)藥物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在一些困難和局限，在一定程度上影響了教學(xué)質(zhì)量。這些困難和局限主要表現(xiàn)在以下方面。

1.1 實(shí)驗(yàn)周期長和課時(shí)少的矛盾突出 學(xué)員在前期課程培養(yǎng)中，相應(yīng)的生物技術(shù)知識(shí)技能培訓(xùn)更多停留在理論層面，致使學(xué)員該方向動(dòng)手能力不足。而大多數(shù)生物技術(shù)藥物實(shí)驗(yàn)步驟多，周期長，在設(shè)置的有限實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)，即使優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也難以使學(xué)員對(duì)實(shí)驗(yàn)基本操作技能達(dá)到熟練掌握的要求。同時(shí)，技能的生疏，可能造成學(xué)員在實(shí)驗(yàn)過程中的失誤，無法完成實(shí)驗(yàn)，也沒有足夠的時(shí)間補(bǔ)做，導(dǎo)致一些操作部分沒有得到鍛煉，也缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)的整體體會(huì)，進(jìn)一步影響實(shí)際教學(xué)質(zhì)量。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件有限，成本高 生物技術(shù)藥物實(shí)驗(yàn)所消耗的材料和試劑價(jià)格較為昂貴，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)相對(duì)緊張，且課程實(shí)驗(yàn)對(duì)教學(xué)設(shè)備、場(chǎng)地、師資等實(shí)驗(yàn)條件的要求也較高，基本的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練開展受到諸多限制。許多儀器如電泳儀、離心機(jī)等往往屬于教學(xué)科研共用，為避免學(xué)員違反操作規(guī)程或操作疏忽而造成的儀器損壞，教學(xué)過程中，采用在老師指導(dǎo)下小組分配使用的模式，甚至由老師固定人員代為操作，使大部分學(xué)員對(duì)該儀器的認(rèn)識(shí)仍停留在抽象和模糊的狀態(tài)。這些因素間接影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，不利于培養(yǎng)學(xué)員發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，產(chǎn)生資金投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾。

1.3 實(shí)驗(yàn)技能復(fù)雜繁多，不易開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)員在理解實(shí)驗(yàn)原理的前提下，能夠靈活運(yùn)用實(shí)驗(yàn)技能，具有消化知識(shí)后在不同情境下舉一反三的能力。而生物技術(shù)藥物實(shí)驗(yàn)處理過程比較復(fù)雜，對(duì)專業(yè)化程度要求高，且相關(guān)技術(shù)和方法發(fā)展更新快，即使研究生也需一定時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)和準(zhǔn)備，才能獨(dú)立完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。僅僅經(jīng)歷少量驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的本科生，一般都難以在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)層面做出合理有效的改進(jìn)，也無法保證實(shí)驗(yàn)的可靠性。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的必要性

如何在現(xiàn)有條件下克服上述困難，是當(dāng)前迫切需要解決的問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要方向，是解決教育資源相對(duì)短缺，幫助學(xué)員更好地理解和掌握重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)，提高技能培訓(xùn)質(zhì)量的有效手段［1］。將虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)引入生物技術(shù)藥物的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)來補(bǔ)充常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就顯得非常必要。

2.1 突破時(shí)間和空間的限制，降低實(shí)驗(yàn)成本 虛擬實(shí)驗(yàn)室基于網(wǎng)絡(luò)，具有良好的開放性，實(shí)現(xiàn)資源共享。師生可隨時(shí)隨地介入，進(jìn)行交流，不受時(shí)間、空間和實(shí)驗(yàn)次數(shù)的限制，給學(xué)生提供一個(gè)全新的學(xué)習(xí)環(huán)境。而且，鑒于生物技術(shù)藥物的特殊性，完整地完成某些實(shí)驗(yàn)一般需要數(shù)天，許多耗時(shí)步驟需老師提前準(zhǔn)備，學(xué)員只是完成其中的關(guān)鍵操作，如在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)員可以獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)課的上課效率，達(dá)到全程體驗(yàn)的目標(biāo)。

虛擬實(shí)驗(yàn)室利用軟件全程模擬仿真實(shí)驗(yàn)，降低學(xué)員對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備的依賴性，節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。同時(shí)，在技術(shù)更新而設(shè)備實(shí)物暫時(shí)無法跟進(jìn)的情況下，可以通過軟件設(shè)計(jì)使虛擬儀器不斷補(bǔ)充，以較小的成本保持實(shí)驗(yàn)課程的先進(jìn)性、全面性、完整性。

2.2 避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可能的風(fēng)險(xiǎn) 生物技術(shù)藥物實(shí)驗(yàn)操作中，不可避免的涉及到部分有毒試劑，如蛋白質(zhì)電泳實(shí)驗(yàn)的必需試劑聚丙烯酰胺，直接接觸皮膚或由呼吸道吸入后具有神經(jīng)毒性。另外，學(xué)員對(duì)一些儀器操作也經(jīng)驗(yàn)不足、注意力不集中，失誤時(shí)有發(fā)生，容易損壞儀器設(shè)備。這些因素都可能對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全和學(xué)生健康產(chǎn)生威脅，有的甚至造成不可逆的嚴(yán)重?fù)p害。僅采用示教或者視頻的方式來取代實(shí)驗(yàn)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)生沒有切身體會(huì)，無法獲得感性認(rèn)識(shí)。通過虛擬實(shí)驗(yàn)室中的模擬操作，在關(guān)鍵位點(diǎn)設(shè)置危險(xiǎn)提示和后果場(chǎng)景，可反復(fù)加深學(xué)員的印象，培養(yǎng)良好實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，從而避免其在實(shí)踐時(shí)手忙腳亂，造成安全隱患。同時(shí)，采用虛擬實(shí)驗(yàn)室，也能降低傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大量廢棄試劑排放所造成的環(huán)境污染［2］。

2.3 給實(shí)驗(yàn)課的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)工作提供了學(xué)習(xí)平臺(tái)生物技術(shù)藥物實(shí)驗(yàn)步驟復(fù)雜，牽涉的知識(shí)點(diǎn)較多，需要學(xué)生通過預(yù)習(xí)來理解實(shí)驗(yàn)原理，熟練實(shí)驗(yàn)方法。傳統(tǒng)通過精讀講義和說明書的預(yù)習(xí)方式，有些專業(yè)表述晦澀難懂，效果欠佳，往往需要老師在實(shí)驗(yàn)前再次強(qiáng)調(diào)。虛擬實(shí)驗(yàn)室可讓學(xué)員在實(shí)驗(yàn)之前有針對(duì)性地體驗(yàn)整個(gè)操作過程，為下一步進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際操作奠定基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)完成后，由于受到主客觀條件的限制，一般難以重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室過程中的疑點(diǎn)往往得不到驗(yàn)證。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以讓學(xué)員進(jìn)行多次的模擬實(shí)驗(yàn)，甚至實(shí)現(xiàn)根據(jù)學(xué)員的意愿調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，從而使學(xué)生看到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件下容易忽略的細(xì)節(jié)，加深在實(shí)驗(yàn)的過程中對(duì)知識(shí)的理解，是較好的鞏固與復(fù)習(xí)的材料。

2.4 寬松的實(shí)驗(yàn)環(huán)境易于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣 虛擬實(shí)驗(yàn)室將圖片、音頻、視頻和動(dòng)畫等融合在一起，再造逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，使學(xué)員沉浸其中，從而產(chǎn)生身臨其境的感受，以第一人稱視點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的“自己”完全控制，通過鼠標(biāo)、鍵盤等下達(dá)不同的動(dòng)作指令并接受反饋信息，完成人機(jī)交互，使操作者產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)中同樣的體驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的這種“沉浸感”和交互性特點(diǎn)使用戶真正成為實(shí)驗(yàn)的參與者，而不是旁觀者。類似于游戲的操作營造一種生動(dòng)活潑、輕松愉快的教學(xué)氛圍，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)員學(xué)習(xí)的興趣，大大提高了學(xué)習(xí)積極性。

2.5 提供學(xué)員參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的可能 在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)員除了熟悉實(shí)驗(yàn)流程和操作技能外，更關(guān)注實(shí)驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)思路，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的疑惑在虛擬平臺(tái)上探討教學(xué)實(shí)驗(yàn)中條件微調(diào)情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)，幫助學(xué)員更好的理解。在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)置一些超出常規(guī)實(shí)驗(yàn)范疇的課題，讓學(xué)生通過個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，使不同水平的學(xué)生都能發(fā)展自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，有助于學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 生物技術(shù)藥物虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的注意事項(xiàng)

3.1 注意虛擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的平衡 虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)手段存在一定的差異，鼠標(biāo)和鍵盤的操作缺乏實(shí)物的操作手感，如離心機(jī)如何調(diào)整平衡等。虛擬實(shí)驗(yàn)也無法全面反映真實(shí)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，盡管虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)熟練了操作流程，一旦虛擬情境中設(shè)定的理想狀態(tài)出現(xiàn)突發(fā)狀況，如實(shí)驗(yàn)試劑不合格，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果異常，學(xué)員可能會(huì)不知所措。必須合理均衡虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)員將虛擬實(shí)驗(yàn)的心得在現(xiàn)實(shí)中通過訓(xùn)練真正做到融會(huì)貫通［3］。

3.2 制作和維護(hù)需多方共同參與 在虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)過程中，軟件制作者沒有相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)，難以完成符合生物技術(shù)藥物學(xué)術(shù)規(guī)范的應(yīng)用程序。因此，需要實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的老師參與腳本的編寫和軟件的調(diào)試，尤其是在虛擬情境中，重演真實(shí)實(shí)驗(yàn)中歷屆學(xué)員的失誤，排查可能存在的安全隱患，模擬條件的改變對(duì)結(jié)果的影響等，起到警示和啟發(fā)的作用。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)室的使用對(duì)象主要是學(xué)員，為提高學(xué)員的認(rèn)可度，可以讓學(xué)員參與體現(xiàn)方式的設(shè)計(jì)，如設(shè)置類似游戲的難度選項(xiàng)等［4］。

3.3 軟件選擇宜大眾化 虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)完成后，應(yīng)具備管理者甚至用戶逐步添加項(xiàng)目的功能。因此，其制作最好選擇小巧，部署方便，實(shí)用的大眾化軟件，便于上手，以提高用戶的參與度。

總之，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為一個(gè)新型的教學(xué)媒體，在不同學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和訓(xùn)練中正在充當(dāng)越來越重要的角色，對(duì)未來教學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著其重要作用。建設(shè)好高水平的虛擬實(shí)驗(yàn)室信息平臺(tái)，其自身強(qiáng)大的教學(xué)優(yōu)勢(shì)和潛能，最終會(huì)在生物技術(shù)藥物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用。

［1］謝雨桐.網(wǎng)上教育:虛擬實(shí)驗(yàn)室［J］.世界科學(xué)，2013，9:10－12.

［2］郭麗娟，曾明，蔣銀燕.淺談虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.科協(xié)論壇:下半月，2011，1:177.

［3］謝煒，居頌光，葛彥，等.虛擬實(shí)驗(yàn)室在免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國教育技術(shù)裝備，2011，36:113 －115.

［4］陶清源，王巖，任浩，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中的應(yīng)用［J］.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2012，14(8):627 －628.