劉向華，德 偉，劉志軍，郭 靜，張愛(ài)萍 (南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生化與分子生物學(xué)系， 南京 009;江蘇省捷達(dá)軟件工程有限公司)

信息技術(shù)的高速發(fā)展已經(jīng)對(duì)我國(guó)教育觀念和教學(xué)改革產(chǎn)生了深刻的影響。因此積極推進(jìn)現(xiàn)代教育技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)數(shù)字化多媒體輔助教學(xué)，改進(jìn)教學(xué)方法、提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)高校教育教學(xué)改革，已成為現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。為了適應(yīng)醫(yī)學(xué)高等教育現(xiàn)代化的趨勢(shì)，我?！笆濉卑l(fā)展規(guī)劃“五大教學(xué)工程”之一“培養(yǎng)模式創(chuàng)新工程”提出:以學(xué)生為中心、以研究為基礎(chǔ)、以素質(zhì)為導(dǎo)向的教學(xué)理念，以課程體系和教學(xué)方式改革為核心，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，優(yōu)化人才培養(yǎng)方案和培養(yǎng)模式。據(jù)此，我校生物化學(xué)和分子生物學(xué)系在優(yōu)化課程內(nèi)容、嘗試?yán)碚摻虒W(xué)新模式的同時(shí)，也注重創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，其中分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)課程體系的建立取得了有益的經(jīng)驗(yàn)并獲得高校同行的好評(píng)。

1 分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的作用

分子生物學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，是從分子水平探究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子結(jié)構(gòu)、功能的基礎(chǔ)學(xué)科。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)已廣泛應(yīng)用到各類醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)科，成為培養(yǎng)醫(yī)學(xué)研究人員良好的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新思維和實(shí)際科學(xué)研究能力的重點(diǎn)內(nèi)容。我校針對(duì)研究生及高年制學(xué)生開(kāi)設(shè)了分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，主要側(cè)重于分子生物學(xué)技術(shù)及其在醫(yī)學(xué)研究和臨床上的應(yīng)用。多年的教學(xué)摸索表明，分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)作為一門(mén)自然學(xué)科，微觀領(lǐng)域的深入研究不斷揭示各種生命奧秘，因此學(xué)生想了解生命本質(zhì)必須能夠進(jìn)入微觀世界。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段對(duì)微觀世界動(dòng)態(tài)變化的展示顯得無(wú)能為力，現(xiàn)代信息技術(shù)卻提供了這種可能性。隨著虛擬實(shí)驗(yàn)教育的發(fā)展及各院校教育環(huán)境的改善，通過(guò)電腦創(chuàng)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，輔助分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為教學(xué)改革的方向之一［1］。

分子生物學(xué)是生命科學(xué)的前沿學(xué)科，所運(yùn)用的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)也是日新月異，我們也與時(shí)俱進(jìn)地對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和形式進(jìn)行多次改革和探索，致力于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新性。但在實(shí)踐教學(xué)中，分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容難度大、周期長(zhǎng)、成本高，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間、場(chǎng)所、實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)室的管理等方面都有較高的要求。受上述所限，傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)和結(jié)果，學(xué)生在復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)步驟操作中，缺少對(duì)知識(shí)連貫性的理解，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)觀察能力薄弱，不利于獨(dú)立操作能力及科研思維能力的培養(yǎng)，在今后遇到科研課題時(shí)也不能熟練地運(yùn)用這些技術(shù)解決問(wèn)題。隨著學(xué)校數(shù)字化校園、多媒體教室等信息化教學(xué)條件的優(yōu)化和完善，我系自2006年開(kāi)始研制分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，以計(jì)算機(jī)為載體，綜合運(yùn)用多媒體編程技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以大量實(shí)驗(yàn)文字說(shuō)明框、高度寫(xiě)真性素材圖片、微觀性Flash動(dòng)畫(huà)為基本組成單位，構(gòu)造了一個(gè)仿真的人機(jī)交互式的實(shí)驗(yàn)界面。學(xué)生可以在這種高度仿真的環(huán)境下運(yùn)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖動(dòng)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作，通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)中的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的理解，培養(yǎng)科研能力。教學(xué)實(shí)踐表明，分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)不僅可以提高分子生物學(xué)理論教學(xué)的教學(xué)效果，還可與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)良好的互補(bǔ)，有利于學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，以及科研思維能力的培養(yǎng)。

2 分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

2．1 加強(qiáng)創(chuàng)新性教師隊(duì)伍的建設(shè) 傳統(tǒng)的教學(xué)往往以板書(shū)和多媒體PPT課件教學(xué)為主，本校教學(xué)改革中除了保留部分傳統(tǒng)的教學(xué)方法外，凸顯現(xiàn)代教育新技術(shù)的應(yīng)用。如理論教學(xué)上使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程教學(xué)等，而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，如數(shù)碼互動(dòng)教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)碼仿真教學(xué)等均屬于現(xiàn)代教學(xué)手段［2］。因此，作為高校教師理應(yīng)跟上時(shí)代的步伐，掌握現(xiàn)代教學(xué)手段，熟知其操作方法，使現(xiàn)代教學(xué)手段與傳統(tǒng)教學(xué)方法互相滲透，交互使用。分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的研制和試點(diǎn)教學(xué)對(duì)于生物化學(xué)與分子生物學(xué)專業(yè)教師不僅是一個(gè)挑戰(zhàn)，更是一次機(jī)遇。虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的研發(fā)工作十分復(fù)雜，包括實(shí)驗(yàn)軟件的方案設(shè)計(jì)，醫(yī)學(xué)相關(guān)素材整理，軟件腳本修改與審核，拍攝實(shí)驗(yàn)儀器、試劑和耗材，制作虛擬實(shí)驗(yàn)素材，設(shè)計(jì)虛擬界面、搭建框架，制作軟件、組合各種多媒體等。這就要求研發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)的教師除了理論知識(shí)淵博、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、儀器操作與使用熟練之外，還要具備一定的軟件編程能力，從而能夠與計(jì)算機(jī)專業(yè)編程人員順利溝通，完成專業(yè)性實(shí)驗(yàn)?zāi)_本文字向計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的更新，我們不斷調(diào)整分子生物學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和方式，優(yōu)化和升級(jí)相應(yīng)分子生物學(xué)虛擬軟件，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)三者的有機(jī)結(jié)合。在實(shí)踐過(guò)程中逐漸培養(yǎng)出一支優(yōu)秀的創(chuàng)新性教師隊(duì)伍，發(fā)表5篇相關(guān)教學(xué)論文，獲得1項(xiàng)江蘇省研究生教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐課題、1項(xiàng)江蘇省教育廳多媒體課件比賽三等獎(jiǎng)，并完成1項(xiàng)江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃。

2．2 激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新能力 傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是灌輸式教學(xué)，學(xué)生被動(dòng)接受，注重知識(shí)的傳授，卻忽視了實(shí)際操作中觀察、比較、分析、綜合等科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。由于實(shí)驗(yàn)原理的抽象性、實(shí)驗(yàn)步驟的不熟悉和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不可控，學(xué)生容易在操作實(shí)驗(yàn)中頻繁出錯(cuò)。限于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)周期長(zhǎng)、成本高，往往沒(méi)有條件再次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，不僅打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，更限制了其求知欲望，不利于嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)作風(fēng)和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。通過(guò)分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，增加了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)間的靈活性，在課前可以發(fā)揮預(yù)實(shí)驗(yàn)的作用，學(xué)生通過(guò)模擬性實(shí)驗(yàn)練習(xí)，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，有效提高了后期實(shí)際操作的成功率。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段有益補(bǔ)充，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、步驟、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的掌握和理解，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)課后，學(xué)生還可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)獨(dú)立、自主、反復(fù)地進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作，增強(qiáng)對(duì)所學(xué)分子生物學(xué)知識(shí)的理解，更可以在不斷學(xué)習(xí)、思考的過(guò)程中激發(fā)科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新的能力。在我們的試點(diǎn)教學(xué)中，研究生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容自主設(shè)計(jì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，并在導(dǎo)師的指導(dǎo)下付諸科研實(shí)踐;也激勵(lì)了大批學(xué)生利用寒暑假及課余時(shí)間積極參與感興趣的課題研究工作，完成基礎(chǔ)階段的科研訓(xùn)練。

2．3 改革實(shí)驗(yàn)室管理模式，開(kāi)展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的重要手段，是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。因此，加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的投入，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室管理，對(duì)實(shí)驗(yàn)課的順利開(kāi)展和教學(xué)質(zhì)量的保證都是十分必要和重要的。但現(xiàn)實(shí)中，由于人力資源的相對(duì)不足，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，任課教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員常常分身乏術(shù):首先，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室所需儀器和試劑種類繁多，價(jià)格昂貴，易損耗，需要人員對(duì)研究平臺(tái)進(jìn)行建立、維護(hù)和更新。其次，為保證教學(xué)效果，教師要進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決，并做好實(shí)驗(yàn)記錄，為學(xué)生的正式實(shí)驗(yàn)提供可靠依據(jù)。再者，由于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)操作步驟比較復(fù)雜，周期長(zhǎng)，為保證時(shí)間的完整性和實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性，維持正常的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，有時(shí)教師必須提前做好相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，甚至提前完成一部分的實(shí)驗(yàn)操作。最終，在有限的課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)間中，教師要講授實(shí)驗(yàn)原理、示范操作方法、配置臨時(shí)試劑、指導(dǎo)儀器使用及解決分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的種種問(wèn)題等。而對(duì)于實(shí)驗(yàn)真正的操作者的學(xué)生而言，在短時(shí)間內(nèi)常常無(wú)法消化復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及準(zhǔn)確掌握精密儀器的使用，大部分時(shí)間只是機(jī)械性操作，沒(méi)有自己獨(dú)立思考、判斷和創(chuàng)新意識(shí)，造成學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏整體性、系統(tǒng)性和連貫性的理解，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差。分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立有效緩解了以上問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)的原理學(xué)習(xí)和操作不再拘泥于傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，師生只要打開(kāi)電腦中的軟件，便可在短時(shí)間內(nèi)直接開(kāi)展分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)了教師高效率地組織教學(xué)，并培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，從而進(jìn)行自主、探究式地學(xué)習(xí)。高度仿真的分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的建立有效優(yōu)化了教學(xué)模式，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理制度向靈活多變的方向轉(zhuǎn)變。教師可以靈活地安排虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的場(chǎng)所和時(shí)間，在傳統(tǒng)操作實(shí)驗(yàn)課中便可將更多的精力用來(lái)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)本身設(shè)計(jì)思路和反應(yīng)規(guī)律的理解上;學(xué)生也可以利用課余時(shí)間，通過(guò)趣味性的虛擬實(shí)驗(yàn)先預(yù)覽環(huán)環(huán)相扣的實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)有系統(tǒng)性的理解，從而在真正動(dòng)手實(shí)踐操作中，順利完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程的同時(shí)，更能集中精力觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析思考實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有利于科研思維能力的培養(yǎng)。

3 分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用前景

分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)不僅可作為傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的一部分，結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟、注意事項(xiàng)等內(nèi)容的講解，預(yù)先演示實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)流程，增加課堂效果，還可供學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之余自學(xué)，隨時(shí)復(fù)習(xí)或預(yù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣及科研創(chuàng)新能力。我們將該套虛擬軟件經(jīng)典實(shí)驗(yàn)部分上傳到學(xué)校E-learning網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，全面開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)，使微觀的醫(yī)學(xué)教育更直觀，也使教學(xué)形式更加機(jī)動(dòng)靈活。同時(shí)，增加網(wǎng)上留言互動(dòng)等功能，加深學(xué)生與教師之間的溝通和交流，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，不斷促進(jìn)分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的完善，為目前分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了新的思路與范本，也使廣大臨床醫(yī)學(xué)院校本科學(xué)生及部分特色專業(yè)，如生物技術(shù)、藥學(xué)本科等專業(yè)學(xué)生也可由此獲得學(xué)習(xí)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的結(jié)合，系統(tǒng)性、自主性、設(shè)計(jì)性地開(kāi)展分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，可充分鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，將為今后學(xué)生科研選題或從事科研工作，包括疾病的診斷和治療打下良好基礎(chǔ)。

［1］ 德偉，王子杰，陳雅，等．探討分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建要素［J］．南京醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版，2013，13(2):73 －75．

［2］ 王迎偉，韓群穎，朱學(xué)江，等．基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)范要求與改革趨勢(shì)［J］．山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào):基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育版，2009，11(4):457 －460．