韓寧，何熹，郝魯江，張靜

摘要：基因工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的核心，其實(shí)驗(yàn)課程所涵蓋的技術(shù)體系是生命科學(xué)研究領(lǐng)域及現(xiàn)代生物技術(shù)公司高端從業(yè)人員必備技能。但因?qū)嶒?yàn)內(nèi)容多，實(shí)驗(yàn)原理比較抽象、實(shí)驗(yàn)操作煩瑣復(fù)雜，周期長(zhǎng)等因素，在有限的課時(shí)內(nèi)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成功率偏低，教學(xué)任務(wù)完成質(zhì)量較差。為此本研究將虛擬仿真技術(shù)（VR）引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)模擬真實(shí)的試驗(yàn)場(chǎng)景，學(xué)生能夠體會(huì)全新的、身臨其境實(shí)驗(yàn)授課方式，并通過(guò)在線軟件支持學(xué)生課后在任意時(shí)間地點(diǎn)反復(fù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作。通過(guò)問(wèn)卷、采訪以及實(shí)際運(yùn)用等方式證明了VR技術(shù)在基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了預(yù)期的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：VR;基因工程;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）01-0252-03

VR（Virtual Reality），即虛擬現(xiàn)實(shí)，在20世紀(jì)80年代初提出來(lái)的，是指借助計(jì)算機(jī)及最新傳感器技術(shù)創(chuàng)造的一種嶄新的人機(jī)交互手段[1，2]。而基于VR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，營(yíng)造一個(gè)以學(xué)生為主體，激發(fā)主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣，高度互動(dòng)、動(dòng)手實(shí)作、虛擬實(shí)驗(yàn)、過(guò)程可視的新穎教學(xué)環(huán)境，體現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)室無(wú)處不在”的理念[3]。能避免傳統(tǒng)教學(xué)中的“試驗(yàn)時(shí)間，場(chǎng)所固定”“實(shí)驗(yàn)儀器和耗材昂貴”“學(xué)生及試驗(yàn)可控性差”“結(jié)果錯(cuò)誤無(wú)法進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)”“學(xué)時(shí)有限無(wú)法完成”等缺點(diǎn)。

基因工程是于20世紀(jì)70年代在分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)綜合發(fā)展基礎(chǔ)上誕生的一門(mén)嶄新的生物技術(shù)科學(xué)[4]。它是利用重組技術(shù)，在體外通過(guò)人工“剪切”和“拼接”等方法，對(duì)各種生物的核酸（基因）進(jìn)行改造和重新組合，然后導(dǎo)入微生物或真核細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行無(wú)性繁殖，使重組基因在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，產(chǎn)生出人類(lèi)需要的生物產(chǎn)品，或者改造、創(chuàng)造新的生物類(lèi)型。該技術(shù)是整個(gè)現(xiàn)代生物工程的核心工程，已成為相關(guān)研究領(lǐng)域及現(xiàn)代生物技術(shù)公司高端從業(yè)人員必備技能。這也是生命科學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)和掌握的關(guān)鍵內(nèi)容。基因工程技術(shù)所涉及的基礎(chǔ)理論課程及實(shí)驗(yàn)課程相當(dāng)多，包括《分子生物學(xué)及實(shí)驗(yàn)》《微生物學(xué)及實(shí)驗(yàn)》《細(xì)胞生物學(xué)及實(shí)驗(yàn)》《生物化學(xué)及實(shí)驗(yàn)》等生物類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課及《基因工程》《高級(jí)生物化學(xué)》等專(zhuān)業(yè)課程。而這些課程根據(jù)認(rèn)知先后開(kāi)設(shè)于不同的學(xué)期比較分散，學(xué)生只能在不同的課程內(nèi)完成所涉及的部分基本技能的學(xué)習(xí)和操作，很難綜合在一起，影響了整體技術(shù)的認(rèn)知和操作訓(xùn)練。另一方面該技術(shù)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(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)只能開(kāi)設(shè)其中幾個(gè)環(huán)節(jié)，還經(jīng)常因儀器和經(jīng)費(fèi)限制只能多人一組，無(wú)法訓(xùn)練學(xué)生的基本操作技能，嚴(yán)重影響到學(xué)生學(xué)習(xí)效果及積極性[4-6]。因此，如何能讓教師更合理地安排教學(xué)內(nèi)容及時(shí)掌握教學(xué)成效，更好提高教學(xué)效率和教學(xué)水平，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，成了需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多所高校已經(jīng)開(kāi)展了以虛擬仿真為主要特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)[7-9]，取得了顯著的成績(jī)，但針對(duì)基因工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐非常少見(jiàn)。本研究以本學(xué)院的實(shí)驗(yàn)中心平臺(tái)為依托，結(jié)合現(xiàn)代的信息技術(shù)制作了基因工程交互性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為探索一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式奠定基礎(chǔ)。

一、基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件簡(jiǎn)介

該實(shí)驗(yàn)以我校數(shù)字網(wǎng)頁(yè)為平臺(tái)（http：//210.44.144.162），由教師將上課的學(xué)生添加到該課程中，這樣學(xué)生就可以通過(guò)自己的賬號(hào)登錄進(jìn)入課程學(xué)習(xí)。制作過(guò)程中由濟(jì)南科明提供技術(shù)支持，版權(quán)為齊魯工業(yè)大學(xué)所有。根據(jù)技術(shù)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(dá)鑒定（圖1）。學(xué)生點(diǎn)擊其中的實(shí)驗(yàn)?zāi)K就可看到每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K所包含的試驗(yàn)流程圖（圖2），并按照流程圖的試驗(yàn)內(nèi)容點(diǎn)擊進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

VR試驗(yàn)?zāi)７聦?shí)驗(yàn)室真實(shí)場(chǎng)景，學(xué)生進(jìn)入后可以看到實(shí)驗(yàn)室的全景，包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)室儀器等（圖3）。主界面的右上方有實(shí)驗(yàn)步驟、藥品試劑和儀器的工具框，學(xué)生可以從中選本試驗(yàn)項(xiàng)目所需的儀器和試劑，并熟悉本實(shí)驗(yàn)的步驟。界面左上方有幫助欄，學(xué)生可以通過(guò)幫助欄了解本實(shí)驗(yàn)的目的、原理及容易出現(xiàn)的主要問(wèn)題。界面的下方有操作提示對(duì)話框，根據(jù)提示學(xué)生選取實(shí)驗(yàn)中的虛擬試劑、儀器等進(jìn)行操作，如果操作有誤則無(wú)法進(jìn)入下一步。

二、基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)儀器中的應(yīng)用

基因工程實(shí)驗(yàn)中使用的儀器較多，其中有些儀器造價(jià)較貴，臺(tái)套數(shù)較少，多數(shù)學(xué)生不能親自操作，嚴(yán)重影響了學(xué)生的儀器操作能力。為此，本課題組使用VR仿真技術(shù)對(duì)真實(shí)儀器進(jìn)行全方位立體虛擬，學(xué)生可以360度全方位觀察儀器，并能自由操控，多參數(shù)調(diào)節(jié)。

以PCR儀的使用為例，PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）是分子生物學(xué)研究的一種極其重要的工具。它每天都在世界各地的實(shí)驗(yàn)室用于多種多樣的應(yīng)用，例如克隆、基因表達(dá)分析、基因分型、測(cè)序和誘變。PCR儀則是進(jìn)行PCR反應(yīng)必需的儀器，為了讓學(xué)生能熟練掌握PCR儀器的使用我們對(duì)該儀器進(jìn)行了仿真模擬。學(xué)生可以隨時(shí)隨地對(duì)該儀器進(jìn)行真實(shí)模擬操作，包括儀器的開(kāi)關(guān)、樣品的放入、PCR參數(shù)的設(shè)置、PCR儀的運(yùn)行及反應(yīng)結(jié)束后樣品的取出等。通過(guò)全方位模擬真實(shí)操作過(guò)程，增加了學(xué)生與儀器使用之間的交互。

三、基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)操作及成績(jī)?cè)u(píng)定中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)操作即動(dòng)手能力，是通過(guò)學(xué)習(xí)而成的一種合乎規(guī)則操作的活動(dòng)方式。基因工程技術(shù)依賴實(shí)驗(yàn)操作，必須熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作技能，才能更好地從事基因相關(guān)的科學(xué)研究。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常會(huì)有教師講完了，有的學(xué)生卻依然不知道該如何操作，因此我們將實(shí)驗(yàn)操作制作成了演示和操作交互的方式，在每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作中都含有演示與操作部分，學(xué)生在觀看完演示部分之后進(jìn)行操作，在操作中，需要學(xué)生點(diǎn)擊相關(guān)的試劑或儀器進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，如果學(xué)生忘記了該如何操作，可以點(diǎn)擊幫助按鈕，會(huì)提示下一步操作的內(nèi)容是什么。這樣大大降低了學(xué)生操作的錯(cuò)誤率和實(shí)驗(yàn)的失敗率，使學(xué)生能夠在有限的時(shí)間里順利地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并能掌握實(shí)驗(yàn)操作技巧，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。此外各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成會(huì)獲得相應(yīng)結(jié)果。學(xué)生可對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，可以通過(guò)授課教師的實(shí)時(shí)監(jiān)控在線進(jìn)行評(píng)價(jià)及答疑，課后可在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、回答問(wèn)題，最后教師綜合評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

四、基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用反饋

為了進(jìn)一步完善基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生應(yīng)用更加方便有效，利用網(wǎng)絡(luò)問(wèn)卷的形式對(duì)本學(xué)期上課的學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查，反饋結(jié)果如下：本校生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)的兩個(gè)班學(xué)生調(diào)查，有效問(wèn)卷數(shù)57份。在對(duì)是否有必要應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)調(diào)查中，有88%的人認(rèn)為有必要，有93%的人認(rèn)為該軟件能夠解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的困難。在應(yīng)用該軟件的優(yōu)點(diǎn)調(diào)查中，使課程生動(dòng)形象比例占80%;使原理、方法清晰易懂比例占60%;實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到加強(qiáng)占40%;實(shí)驗(yàn)?zāi)芡瓿?0%以上占50%;在實(shí)驗(yàn)軟件需要改進(jìn)的地方調(diào)查中，26.76%的人認(rèn)為需要開(kāi)發(fā)手機(jī)App功能，24.02%的人認(rèn)為增加闖關(guān)積分，可以用積分來(lái)評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī);21.46%的人認(rèn)為應(yīng)加增加其他評(píng)價(jià)機(jī)制，如中間可以插入問(wèn)答題等，增加學(xué)生與教師之間的交互功能。通過(guò)以上的調(diào)查結(jié)果說(shuō)明基因工程仿真軟件的應(yīng)用增加了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣，而且其中的實(shí)驗(yàn)原理、方法更清晰易懂、極大地降低了實(shí)驗(yàn)中的錯(cuò)誤率，鼓舞了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的熱情，讓他們更加有信心和興趣去學(xué)習(xí)和探索生命的奧秘。

五、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中優(yōu)勢(shì)及展望

（一）能合理掌控試驗(yàn)成本及時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

基因工程實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)主要存在兩個(gè)問(wèn)題：

（1）用到的有些儀器及試劑，價(jià)格相當(dāng)昂貴，在教學(xué)公共平臺(tái)中不能完全保證每個(gè)學(xué)生都能親自操作;（2）實(shí)驗(yàn)步驟煩瑣，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)過(guò)程環(huán)環(huán)相扣，前一步驟結(jié)果錯(cuò)誤就無(wú)法進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。鑒于課時(shí)及試劑經(jīng)費(fèi)限制，一般中間環(huán)節(jié)試驗(yàn)失敗的學(xué)生不可能重新再做，使得他們的后續(xù)試驗(yàn)參與度降低。以上問(wèn)題嚴(yán)重降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，也讓指導(dǎo)教師在試驗(yàn)安排時(shí)較少地選擇綜合性強(qiáng)的試驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果無(wú)法保障[4，5]。

而利用仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以以信息技術(shù)營(yíng)造一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)、過(guò)程可視的新穎教學(xué)環(huán)境，軟件可以在Windows、Linux、Android或Mac Os等操作系統(tǒng)下的PC機(jī)、平板電腦上運(yùn)行，支持學(xué)生課后在任意時(shí)間地點(diǎn)反復(fù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。能充分體現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)室無(wú)處不在”的理念[10，11]。較好地避免了傳統(tǒng)教學(xué)中的“試驗(yàn)時(shí)間，場(chǎng)所固定”“學(xué)生及試驗(yàn)可控性差”“結(jié)果錯(cuò)誤無(wú)法進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)”“學(xué)時(shí)有限無(wú)法完成”等缺點(diǎn)，能明顯提高基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（二）提高學(xué)生試驗(yàn)預(yù)習(xí)效果

為了提高實(shí)驗(yàn)效果及實(shí)驗(yàn)成功率，任課教師會(huì)要求學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。學(xué)生一般通過(guò)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)來(lái)完成預(yù)習(xí)?；逎y懂的實(shí)驗(yàn)原理及煩瑣的實(shí)驗(yàn)步驟讓很多學(xué)生無(wú)法理解及想象，學(xué)生預(yù)習(xí)熱情不高。而且基因工程實(shí)驗(yàn)經(jīng)常應(yīng)用一些有毒的試劑及材料，例如氯仿、溴化乙啶等。在教學(xué)中需要嚴(yán)格要求學(xué)生按照操作規(guī)則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如果處理不當(dāng)往往會(huì)造成對(duì)環(huán)境及周?chē)说膫?。而通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件學(xué)生可提前對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行真實(shí)的可視化預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)效果比單純看文字說(shuō)明更能帶動(dòng)學(xué)生的預(yù)習(xí)熱情，不僅能提前掌握安全操作，而且還熟悉了試驗(yàn)步驟，這樣學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)就不至于盲目操作，不僅降低安全隱患，也能提高實(shí)驗(yàn)成功率。

總之，基因工程實(shí)驗(yàn)操作煩瑣，周期長(zhǎng)，操作細(xì)節(jié)關(guān)乎成敗。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)中，提供給學(xué)生逼真、生動(dòng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容和先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而且反復(fù)操作不必?fù)?dān)心實(shí)驗(yàn)失敗。因此，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為輔助，能起到事半功倍的效果，同時(shí)利于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新，充分發(fā)揮學(xué)生主體的積極性、主動(dòng)性，較好地保障了教學(xué)質(zhì)量?？梢哉f(shuō)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)信息技術(shù)與教育教學(xué)融合給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)改革與創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳萍，周會(huì)超，周虛.構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，（3）.

[2]文福安.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)教育信息化，2008.

[3]王衛(wèi)國(guó).虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，（12）.

[4]遲彥，許崇波.基因工程設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].中國(guó)科技信，2008，（13）.

[5]齊鳳慧，孔德強(qiáng)，詹亞光，陳思齊，曾凡鎖，范桂枝.交互性Flash在基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2017.

[6]詹亞光，齊鳳慧，曾凡鎖，等.基因工程開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，（5）.

[7]戚國(guó)強(qiáng)，周玉巖，陳紅偉.基于虛擬模式的大型儀器開(kāi)放共享平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，（11）.

[8]張鵬，邱曉剛，孟榮清，等.仿真資源共享機(jī)制與一體化的仿真資源服務(wù)[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2013，（1）.

[9]胡今鴻，李鴻飛，黃濤.高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)放共享機(jī)制探究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，（2）.

[10]王培俊，羅大兵，李琳，等.建設(shè)虛擬設(shè)計(jì)與制造創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多層次培養(yǎng)創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，（3）.

[11]杜月林，黃剛，王峰，等.建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，（12）.

Application of Virtual Reality Technology in Experimental Course of Gene Engineering

HAN Ning，HE Xi，HAO Lu-jiang，ZHANG Jing

（School 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