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放射性同位素標(biāo)記核酸雜交實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)與應(yīng)用

2021-09-09 06:27龔思穎許文亮鄧靈福秦麗瑋
實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2021年8期
關(guān)鍵詞:核酸雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)

龔思穎, 許文亮, 胡 原, 鄧靈福, 秦麗瑋, 李 兵

(華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物學(xué)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,武漢430079)

0 引 言

為加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源的建設(shè)與應(yīng)用,促進(jìn)信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合,解決中國(guó)大學(xué)生動(dòng)手能力不足等問(wèn)題,教育部于2013年和2017年分別啟動(dòng)了國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)[1-2]。為加快振興本科教育,全面提高高校人才培養(yǎng)能力,發(fā)揮國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目示范引領(lǐng)作用,2018年教育部就加強(qiáng)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目持續(xù)建設(shè)與應(yīng)用有關(guān)工作做了進(jìn)一步規(guī)范,“淘汰水課,打造金課”正式寫入教育部文件[3]。自2017年教育部開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)開(kāi)始,截至2019年,ilab-x實(shí)驗(yàn)空間上共有2 000+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。

2020年新冠肺炎疫情使得全球許多國(guó)家數(shù)以億計(jì)的大學(xué)生處于停課、停學(xué)、停教的危機(jī)狀態(tài)。中國(guó)成功實(shí)現(xiàn)了“停課不停教、停課不停學(xué)”,截至5月初,我國(guó)1 454所高校開(kāi)展了在線教學(xué)工作。新冠肺炎疫情加速在線教育的發(fā)展,《2020年政府工作報(bào)告》明確作出“推進(jìn)教育信息化”的重要部署,教育部已啟動(dòng)中長(zhǎng)期規(guī)劃和“十四五”規(guī)劃編制工作[4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)正在成為一種新的教學(xué)手段,推動(dòng)高校教育信息化建設(shè),打造虛擬仿真“金課”、建設(shè)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程成為虛擬仿真資源建設(shè)的重要目標(biāo)。

1 項(xiàng)目建設(shè)的意義

生物學(xué)建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,從早期轉(zhuǎn)基因植物研究以來(lái),核酸分子雜交技術(shù)在核酸結(jié)構(gòu)和功能研究、基因表達(dá)調(diào)控和物種親緣關(guān)系研究中發(fā)揮著重要作用[5]。放射性同位素標(biāo)記核酸分子雜交是遺傳學(xué)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)研究中常用的技術(shù)之一,與Realtime PCR技術(shù)及地高辛標(biāo)記相比,放射性同位素由于其靈敏度高,實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好,結(jié)果可靠,在Northern雜交、Southern雜交中廣泛應(yīng)用[6]。但由于安全風(fēng)險(xiǎn)大、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高以及學(xué)生需持“輻射安全與防護(hù)培訓(xùn)合格證”才能進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作等原因,無(wú)法經(jīng)常性大規(guī)模面向本科生開(kāi)展。生物學(xué)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(以下簡(jiǎn)稱“中心”)開(kāi)發(fā)建設(shè)的首批國(guó)家虛擬仿真項(xiàng)目“放射性同位素標(biāo)記核酸分子雜交實(shí)驗(yàn)”,突破了時(shí)空限制和高危實(shí)驗(yàn)環(huán)境制約,彌補(bǔ)了實(shí)體教學(xué)的不足[7]。

2 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

中心圍繞軟件功能開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)模式設(shè)計(jì)、應(yīng)用成效、持續(xù)改進(jìn)與共享等方面,以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、提高實(shí)踐能力為目標(biāo),注重將科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué),寓“教”于“研”[8]。

2.1 教學(xué)軟件功能模塊開(kāi)發(fā)

該項(xiàng)目屬于遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)——轉(zhuǎn)基因植物鑒定與表型分析綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的一個(gè)專題,該教學(xué)軟件由南京萊醫(yī)特電子科技有限公司開(kāi)發(fā),綜合運(yùn)用了ZBrush、3DS MAX、3D-Coat、AE、Unity3d等軟件,教學(xué)時(shí)長(zhǎng)3學(xué)時(shí),包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、課后鞏固、實(shí)驗(yàn)報(bào)告5個(gè)模塊(見(jiàn)圖1)。①實(shí)驗(yàn)?zāi)康哪K:明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及重難點(diǎn),幫助學(xué)生在系統(tǒng)學(xué)習(xí)中快速將所學(xué)內(nèi)容有效聯(lián)系,提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。②實(shí)驗(yàn)原理模塊:展示實(shí)驗(yàn)原理、器材、實(shí)驗(yàn)步驟解析、實(shí)驗(yàn)突發(fā)狀況處理等基礎(chǔ)知識(shí)。③實(shí)驗(yàn)操作模塊:含教學(xué)、考核、演示3種學(xué)習(xí)模式,7個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)體現(xiàn)多路徑和推演性,實(shí)現(xiàn)隨機(jī)交互。④課后鞏固模塊:通過(guò)設(shè)置問(wèn)題,幫助學(xué)生回顧整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和操作要點(diǎn),鞏固學(xué)習(xí)效果。⑤實(shí)驗(yàn)報(bào)告模塊:分前言、材料和方法、結(jié)果、問(wèn)題與討論、參考文獻(xiàn)5個(gè)部分,鼓勵(lì)學(xué)生以研究論文形式采用英語(yǔ)撰寫,生成個(gè)性化實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊組成

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)操作包括植物RNA提?。?步)、變性RNA電泳(19步)、Northern印跡(轉(zhuǎn)膜)(7步)、預(yù)雜交(5步)、探針的制備與雜交(8步)、洗膜(4步)和放射自顯影壓片(4步)等7個(gè)模塊,共54個(gè)交互性實(shí)驗(yàn)步驟,每個(gè)模塊含實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器和試劑、實(shí)驗(yàn)方法與步驟、注意事項(xiàng)4個(gè)方面,既自成體系,又環(huán)環(huán)相扣(見(jiàn)圖1)。

采用“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)形式(見(jiàn)圖1),其中RNA濃度測(cè)定、質(zhì)量檢測(cè)、變性膠電泳和轉(zhuǎn)膜等內(nèi)容采用實(shí)體實(shí)驗(yàn)和虛擬操作相結(jié)合的方式學(xué)習(xí),探針合成、雜交、放射自顯影等風(fēng)險(xiǎn)性較大的操作可在虛擬實(shí)驗(yàn)中反復(fù)體驗(yàn),綜合運(yùn)用問(wèn)題式、探究式、討論式學(xué)習(xí)方法,幫助學(xué)生掌握核酸分離與電泳、虹吸印跡法轉(zhuǎn)移RNA、探針合成與雜交、放射自顯影等生物學(xué)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

2.3 “線上+線下”混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)操作模塊設(shè)有教學(xué)、演示和考核3種模式。教學(xué)模式按實(shí)驗(yàn)流程依次呈現(xiàn)7個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K,并設(shè)置包含基礎(chǔ)理論及核心操作在內(nèi)的提問(wèn)、在線幫助和討論環(huán)節(jié)。學(xué)生可通過(guò)考核模式隨機(jī)進(jìn)入教學(xué)模式中的任意模塊開(kāi)始實(shí)驗(yàn),通過(guò)演示模式觀看實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作錄像,掌握規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作方法,起到課前預(yù)習(xí)、課后鞏固的作用。

學(xué)生根據(jù)需要自主選取任一教學(xué)模式,采取“線上+線下”混合式學(xué)習(xí)方式。課前“線下”預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理,進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)室熟悉相關(guān)儀器,了解實(shí)驗(yàn)流程和關(guān)鍵操作,通過(guò)演示模式“線上”操作;課堂教學(xué)中采取“線上+線下”混合學(xué)習(xí),選取教學(xué)模式操作,期間進(jìn)行小組討論和演練(4人一組),操作結(jié)束后,進(jìn)入大組(全班)討論環(huán)節(jié);課后以考核模式進(jìn)行“線上”操作,后臺(tái)記錄所有虛擬操作過(guò)程,綜合實(shí)驗(yàn)過(guò)程和考試結(jié)果自動(dòng)量化評(píng)分(見(jiàn)圖2)。

圖2 “線上+線下”混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)

2.4 考核方式及標(biāo)準(zhǔn)

考核注重過(guò)程性評(píng)價(jià)和考試評(píng)價(jià)的有機(jī)整合,確保評(píng)價(jià)的全面、客觀,如表1所示,涉及5個(gè)考核方面。 過(guò)程性評(píng)價(jià)以虛擬實(shí)驗(yàn)操作為載體,在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前完成提問(wèn)環(huán)節(jié)(圖3a),進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面完成所有實(shí)驗(yàn)步驟并提交,之前實(shí)驗(yàn)操作會(huì)被記錄(圖4b),系統(tǒng)根據(jù)操作次數(shù)、練習(xí)題答案、操作步驟正誤等因素,自動(dòng)評(píng)分并解析錯(cuò)誤詳情(圖3c,3d,3e),幫助學(xué)生自我評(píng)估學(xué)習(xí)效果。任課老師根據(jù)軟件的評(píng)價(jià)反饋、學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和考試結(jié)果(圖3f),綜合評(píng)定成績(jī)。

表1 虛擬實(shí)驗(yàn)考核方式及標(biāo)準(zhǔn)

圖3 實(shí)驗(yàn)操作及系統(tǒng)評(píng)分(虛擬仿真實(shí)驗(yàn)部分截圖)

3 應(yīng)用成效

項(xiàng)目面向校內(nèi)生物科學(xué)、生物技術(shù)專業(yè)、化學(xué)-生物學(xué)交叉培養(yǎng)班等在校本科生免費(fèi)開(kāi)放,通過(guò)ilab-x實(shí)驗(yàn)空間面向全國(guó)高校免費(fèi)共享使用,目前實(shí)驗(yàn)瀏覽量達(dá)23 489人次(截至2020-10-30)。前期調(diào)查結(jié)果顯示,學(xué)生的滿意度為96.43%,97.84%的學(xué)生認(rèn)為該項(xiàng)目對(duì)實(shí)體教學(xué)很有幫助(截至2017-10-16,2 273人次)。面向2015級(jí)本科生調(diào)研,回收反饋意見(jiàn)175份,綜合分析優(yōu)勢(shì)如圖4所示。

圖4 面向2015級(jí)本科生教學(xué)調(diào)研結(jié)果(N=175)

項(xiàng)目至今接待了新疆師范大學(xué)、四川大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)、湖北省實(shí)驗(yàn)室研究會(huì)會(huì)議代表等院校領(lǐng)導(dǎo)專家來(lái)訪和交流;受邀參加全國(guó)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)、學(xué)校信息化教學(xué)成果展、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)校園開(kāi)放日等活動(dòng)。抗疫期間組建教學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)服務(wù)2個(gè)團(tuán)隊(duì),為校內(nèi)外的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)用戶進(jìn)行在線答疑或指導(dǎo),并解決虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)的問(wèn)題。5年來(lái),項(xiàng)目組和相關(guān)專業(yè)師生通過(guò)虛實(shí)結(jié)合、實(shí)踐創(chuàng)新,以項(xiàng)目為依托取得了一系列成果,先后獲得全國(guó)大學(xué)生生命科學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎(jiǎng)項(xiàng)2項(xiàng)、湖北省大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能競(jìng)賽一等獎(jiǎng)4項(xiàng);全國(guó)生物與食品類高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、湖北省自制儀器設(shè)備一等獎(jiǎng)1項(xiàng);獲批省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目1項(xiàng)、大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2項(xiàng)、軟件著作權(quán)1項(xiàng),發(fā)表教改論文3篇。

4 改進(jìn)與發(fā)展

隨著信息技術(shù)發(fā)展和人才培養(yǎng)新要求,中心以項(xiàng)目持續(xù)改進(jìn)與共享為目的,結(jié)合用戶反饋及疫情期間調(diào)研情況,從軟件功能、知識(shí)內(nèi)容、信息技術(shù)、評(píng)價(jià)體系、共享應(yīng)用等方面持續(xù)優(yōu)化,探索更符合教育部要求有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的虛擬仿真“金課”[9-10]。

4.1 軟件優(yōu)化升級(jí),修復(fù)軟件使用中出現(xiàn)的問(wèn)題

避免使用中因軟件本身、管理平臺(tái)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(帶寬)、終端設(shè)備配置等因素造成的操作卡頓、不靈活等問(wèn)題。對(duì)管理平臺(tái)進(jìn)行漏洞檢查和服務(wù)器功能升級(jí);與國(guó)家ilab-x.com平臺(tái)技術(shù)接口實(shí)行完全對(duì)接,便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回傳和采集。采用實(shí)時(shí)云渲染技術(shù),解決軟件首次下載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、兼容性不夠和實(shí)驗(yàn)卡頓等問(wèn)題,顯著提高程序運(yùn)行流暢度。

4.2 科教融合,提升高階性、突出創(chuàng)新性、增加挑戰(zhàn)度

注重學(xué)科前沿性和技術(shù)實(shí)用性,緊貼實(shí)驗(yàn)課程體系、教學(xué)大綱,增加研究性、創(chuàng)新性、綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。知識(shí)內(nèi)容拓展和延伸,如引入Realtime PCR技術(shù)、生物素標(biāo)記核酸雜交、DNA雜交、原位雜交、microarray、蛋白質(zhì)雜交等技術(shù),從實(shí)驗(yàn)原理、步驟、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍等方面與同位素標(biāo)記核酸雜交技術(shù)比較學(xué)習(xí)。

增加“知識(shí)應(yīng)用”模塊,引導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)與科研、應(yīng)用聯(lián)系起來(lái),如將核酸雜交實(shí)驗(yàn)用于動(dòng)植物轉(zhuǎn)基因的鑒定、拷貝數(shù)分析等實(shí)驗(yàn)過(guò)程,讓學(xué)生體驗(yàn)“跳一跳才能夠得著”的學(xué)習(xí)挑戰(zhàn),增強(qiáng)學(xué)生經(jīng)過(guò)刻苦學(xué)習(xí)獲得收獲的成就感,提高學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

4.3 集成最新信息技術(shù)手段,豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等技術(shù),提高交互的隨機(jī)性和智能化。增加多種情形設(shè)置、可變量和對(duì)應(yīng)結(jié)果,便于差異化學(xué)習(xí)。提高場(chǎng)景還原的逼真度,如人操作移液器時(shí),移液器移動(dòng),場(chǎng)景背景不動(dòng),減少眩暈感;提高三維動(dòng)畫人的真實(shí)感;通過(guò)“半實(shí)半虛”方式,將實(shí)體實(shí)驗(yàn)的圖片、視頻與動(dòng)畫有機(jī)結(jié)合,增強(qiáng)真實(shí)感和沉浸感。

4.4 建立科學(xué)完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)反饋體系

建立包括過(guò)程性評(píng)價(jià)、考試評(píng)價(jià)、增值評(píng)價(jià)和發(fā)展性評(píng)價(jià)的綜合考評(píng)體系,使得評(píng)價(jià)更加真實(shí)合理[11-12]。借助平臺(tái)管理系統(tǒng)對(duì)學(xué)生參與虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程、結(jié)果、研討和意見(jiàn)反饋等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析,作為項(xiàng)目改進(jìn)的依據(jù)。探索適合于全日制本科生、研究生、在職教育碩士等不同學(xué)習(xí)者的有效教學(xué)評(píng)價(jià)體系[13]。

4.5 提高資源共享效率

以構(gòu)建完善的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系為目標(biāo),整合優(yōu)質(zhì)資源,探索高校間跨專業(yè)跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)資源共享的新模式。推動(dòng)優(yōu)質(zhì)資源在中西部高校開(kāi)放共享,鼓勵(lì)教師多模式應(yīng)用、學(xué)生多形式學(xué)習(xí),形成學(xué)習(xí)者人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)的泛在化學(xué)習(xí)新環(huán)境[14]。

5 結(jié) 語(yǔ)

該項(xiàng)目緊密圍繞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)基因植物鑒定與表型分析,綜合運(yùn)用Unity3d等技術(shù)還原放射性同位素標(biāo)記核酸雜交實(shí)驗(yàn)過(guò)程,突破高危環(huán)境限制,幫助學(xué)生快速掌握核酸提取步驟、探針制備原理與方法、同位素防護(hù)與安全使用規(guī)范等知識(shí)點(diǎn),通過(guò)教學(xué)、演示、考核3種學(xué)習(xí)模式自由切換和“線上線下”混合式教學(xué)模式探索,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。但在信息技術(shù)手段更新、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)和形式創(chuàng)新、多元化教學(xué)評(píng)價(jià)體系建設(shè)等方面仍需不斷完善。需進(jìn)一步探索混合教學(xué)模式下虛擬仿真資源研發(fā)和運(yùn)用的新思路,對(duì)于適應(yīng)后疫情時(shí)代全球高等教育的新變化,推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和高校信息化建設(shè),培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)變化的研究型、創(chuàng)新型人才具有重要意義[15-17]。

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