馬 騁 宮彩霞

（1）浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院蛋白質(zhì)平臺，杭州 310050；2）浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院老年醫(yī)學(xué)科，杭州 310050；3）浙江省增齡與理化損傷性疾病診治研究重點實驗室，杭州 310050）

隨著信息技術(shù)、智能技術(shù)的提升，虛擬仿真已經(jīng)成為教學(xué)、科研、工業(yè)、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域中的潮流，尤其在高校的實驗教育項目中，其通過信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合，實現(xiàn)了傳統(tǒng)實驗各環(huán)節(jié)的遠(yuǎn)程在線操作［1］，極大地節(jié)省了人力和成本。美國新媒體聯(lián)盟（new media consortium，NMC）發(fā)布的《國際教育信息化地平線報告》認(rèn)為，虛擬仿真教學(xué)將成為國內(nèi)外教育界改革傳統(tǒng)教學(xué)模式、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要方向，是引領(lǐng)現(xiàn)代教育的重要手段之一。

國外的虛擬仿真研究起步較早，應(yīng)用也較為廣泛。國外已有多所高校開展了虛擬仿真實驗教學(xué)，如英國開放大學(xué)實驗室構(gòu)建了具有3D沉浸式環(huán)境，可支持遠(yuǎn)程控制、虛擬儀器、交互式多媒體實驗以及在線分析與研究活動的實驗和研發(fā)平臺。美國耶魯大學(xué)、亞利桑那州立大學(xué)等高校通過平板電腦進(jìn)行分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)等實驗課程的教學(xué)等［2］。國外醫(yī)院以及研究機構(gòu)也搭建了眾多虛擬仿真教學(xué)平臺，多數(shù)用于醫(yī)學(xué)、護(hù)理等專業(yè)的教學(xué)和練習(xí)，例如，斯坦福大學(xué)建立了虛擬仿真手術(shù)系統(tǒng)用于模擬顯微鏡下毛細(xì)血管和神經(jīng)的縫合，德國卡爾斯魯厄?qū)嶒炇医⒘宋?chuàng)手術(shù)虛擬仿真練習(xí)系統(tǒng)，加拿大國家研究委員會研發(fā)了腦外科手術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)等［3-4］。

國內(nèi)的虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用相比于國外略晚。但是，從2013年開始，國內(nèi)各院校就開展了虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，隨著硬件環(huán)境建設(shè)的逐步落成，國家將重心逐漸轉(zhuǎn)向內(nèi)容建設(shè)，先后開展了在線開放課程（慕課）建設(shè)、虛擬仿真實驗項目建設(shè)，并于2019年全面進(jìn)入“金課”建設(shè)。教高廳〔2017〕4號文件《教育部辦公廳關(guān)于2017~2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》明確提出，深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平，在高校實驗教學(xué)改革和實驗教學(xué)項目信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，于2017~2020年在普通本科高等學(xué)校開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作［5］。此文件的發(fā)布代表著國家對虛擬仿真實驗教學(xué)模式的認(rèn)同，并對其應(yīng)用起到了良好的推動作用［6-7］。此后，虛擬仿真項目在教學(xué)中的應(yīng)用如火如荼［8-9］。

生命科學(xué)研究的實驗性很強，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)存在危險性高、成本高、周期長等問題，因而虛擬仿真實驗技術(shù)在生命科學(xué)研究領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景［10］。其中，蛋白質(zhì)科學(xué)又是生命科學(xué)研究領(lǐng)域的一個重點和熱點，蛋白質(zhì)的分離純化是對蛋白質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步研究的前提條件，熟練掌握蛋白質(zhì)分離純化技術(shù)，對于生命科學(xué)/蛋白質(zhì)科學(xué)的研究具有重要意義。利用虛擬仿真進(jìn)行蛋白質(zhì)分離純化的教學(xué)，具有節(jié)約成本、降低實驗安全隱患等諸多益處。然而，目前國內(nèi)外對于生命科學(xué)實驗的虛擬教學(xué)還處于起步階段，已經(jīng)開展的生命科學(xué)方面的虛擬仿真教學(xué)更多局限于讓學(xué)生身臨其境地“看”，但互動操作的則較少，也罕有專門針對蛋白質(zhì)分離純化的虛擬教學(xué)平臺。為了促使學(xué)生能夠通過虛擬仿真軟件的學(xué)習(xí)，熟練掌握蛋白質(zhì)分離純化技術(shù)，本文設(shè)計并開發(fā)了蛋白質(zhì)純化系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)平臺，詳細(xì)介紹了蛋白質(zhì)層析的全過程及各種注意事項，并開展了相關(guān)虛擬仿真的實驗教學(xué)實踐。

此項目研究成果的推廣，可以幫助學(xué)生以及對蛋白質(zhì)純化領(lǐng)域感興趣的學(xué)者快速掌握相關(guān)知識和技能，短期內(nèi)獨立開展相關(guān)實驗；亦能節(jié)約教學(xué)成本、提高教學(xué)效率及質(zhì)量，為本科生、研究生及各行各業(yè)從業(yè)人員的教學(xué)及培訓(xùn)提供助力；同時也可以為從事蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能研究的課題組提供極大地助力，加快蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能等研究的進(jìn)度，在基礎(chǔ)科研領(lǐng)域乃至生命健康領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。

1 特色介紹

虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計、搭建以及項目結(jié)題驗收時，有一些建議必須滿足的要求，如當(dāng)前操作步驟須有文字提示、關(guān)鍵參數(shù)和操作細(xì)節(jié)須有高亮顯示、必須有配音、配音咬字清晰且語速不宜過快、操作和練習(xí)過程中每步或者每個階段均可隨時回退、須有考核和評分體系等，因為國內(nèi)的虛擬仿真系統(tǒng)都會滿足這些指標(biāo)，所以，在此主要討論教學(xué)內(nèi)容上的異同與特色。本文的虛擬仿真平臺具有以下特色：

a.重點關(guān)注蛋白質(zhì)層析技術(shù)及其操作，知識點更加聚焦，結(jié)合線上考核，保證學(xué)生快速掌握基本知識和技能?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺已有的虛擬仿真，多數(shù)以“蛋白質(zhì)純化”或“蛋白質(zhì)組學(xué)”為內(nèi)容，涉及樣本的前處理（如制備與提?。┡c后處理（如其他檢測），內(nèi)容涵蓋廣泛，學(xué)生可以了解實驗的整體流程和關(guān)鍵節(jié)點，然而聚焦欠缺，詳細(xì)的細(xì)節(jié)、注意事項、案例等無法面面俱到。本課件以大型儀器為核心，內(nèi)容上并未涉及樣本前期后期的處理，僅聚焦蛋白質(zhì)層析技術(shù)和操作，因此可以盡可能地面面俱到，將相關(guān)知識、要點、操作細(xì)節(jié)講解到位，幫助學(xué)生快速掌握該技術(shù)，以期其短期內(nèi)可以獨立使用儀器設(shè)施并開展相關(guān)實驗。

b.以蛋白質(zhì)層析實驗中另一種常用的設(shè)備（NGC discover蛋白質(zhì)層析系統(tǒng)）為核心，其具有自己獨特的優(yōu)勢和特征，是對現(xiàn)有蛋白質(zhì)純化相關(guān)的虛擬仿真教學(xué)［11］（AKTA pure系統(tǒng)為主）的一個全新補充。本文所搭建的虛擬仿真平臺，其核心設(shè)備是NGC discover蛋白質(zhì)層析系統(tǒng)。和AKTA系列的設(shè)備相比，它們的原理、應(yīng)用方向是一致的，所以具有相似的操作流程和操作規(guī)范，但是又存在一定的不同。首先，NGC discover蛋白質(zhì)層析系統(tǒng)的多波長檢測器可以同時檢測4個波長，以滿足特定的實驗需求，然而為保證檢測的穩(wěn)定性，通常光源需提前預(yù)熱，AKTA系列的多波長檢測器可以同時檢測3個波長，其光源不需提前預(yù)熱。其次，NGC和AKTA系統(tǒng)均配有“超壓降流”的機制。設(shè)定后，NGC系統(tǒng)每次超過限定壓力的80%（默認(rèn)，可調(diào)）則流速減半，直至流速降低至0.125 ml/min后停止，所以在多次超壓降速之間，其流速是保持恒定的；AKTA系統(tǒng)每次超過限定壓力后，流速會略微降低，壓力降低至許可范圍后，流速又回升至設(shè)定流速，所以AKTA系統(tǒng)在選定“超壓降流”后，流速是波動的。二者沒有明顯優(yōu)劣的區(qū)分，主要取決于實驗的需求，即“操作方便”還是必須“恒定流速”。再次，NCG和AKTA的操作系統(tǒng)完全不同。NGC的所有操作可以在流路圖中雙擊對應(yīng)的組件完成，可視化效果更好；AKTA的所有操作主要通過命令調(diào)取的形式完成，雖然也可以在流路圖中進(jìn)行操控，然而其界面設(shè)置的便利性略低于NGC。從日常的教學(xué)中也可以看出，NGC系列的操作界面，可視化更好，上手更容易，受到那些沒有蛋白質(zhì)純化基礎(chǔ)和經(jīng)驗的學(xué)生們的偏愛；AKTA上手較難但操控嚴(yán)謹(jǐn)，受到有蛋白質(zhì)純化經(jīng)驗或者對儀器設(shè)備更加了解的學(xué)生們的偏愛。還有，NGC系列設(shè)備配有操作屏，所有的操作命令均可在此操作屏完成（圖1b），而無需在外接電腦上進(jìn)行；AKTA系列設(shè)備主機上僅有2個操作按鍵（開始、暫停），其他操作命令必須借助外接電腦下達(dá)。在冷庫這類實驗室搭建時，需要設(shè)備（放置于冷庫）和外接電腦（放置于常溫的電腦間）分處不同的房間，這時NGC系統(tǒng)的操作優(yōu)勢便顯現(xiàn)出來。

c.完全再現(xiàn)了現(xiàn)實實驗室（浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院蛋白質(zhì)平臺）中儀器設(shè)施的搭建模式，并將實驗細(xì)節(jié)和注意事項也體現(xiàn)在虛擬平臺中，使得虛擬仿真與實際實驗操作無縫銜接（圖1）。

d.添加了全新的實驗教學(xué)內(nèi)容：熒光檢測聯(lián)用的分子排阻層析（FSEC）。該技術(shù)由Toshimitsu Kawate和Eric Gouaux［12］開發(fā)拓展，將熒光檢測器與蛋白質(zhì)層析系統(tǒng)聯(lián)用（本文系統(tǒng)搭建采用的是島津RF20A熒光檢測器），從而實現(xiàn)微量蛋白質(zhì)的檢測，在多種實驗場景中甚至無需事先對目的蛋白進(jìn)行純化。經(jīng)過多年的發(fā)展，該技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于重組蛋白質(zhì)表達(dá)、純化、儲存等條件的篩選和優(yōu)化［13-14］，極大加快了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能研究、蛋白質(zhì)或多肽類制劑生產(chǎn)優(yōu)化等方面的進(jìn)程。在教學(xué)與科研實踐中，F(xiàn)SEC為研究生的課題推進(jìn)，尤其是為產(chǎn)量低、純化難度大的膜蛋白、蛋白質(zhì)復(fù)合物的制備工藝優(yōu)化提供了助力。因此將此項內(nèi)容加入虛擬仿真教學(xué)，可以滿足更廣泛的學(xué)習(xí)需求，這部分內(nèi)容是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺已有的虛擬仿真項目尚未涉及的。

2 總體設(shè)計

蛋白質(zhì)層析技術(shù)以及層析儀器設(shè)備的相關(guān)知識，是蛋白質(zhì)純化教學(xué)中的一個難點，卻又無法避開（圖2）：蛋白質(zhì)層析理論涉及方面較廣，層析種類繁多，每一類層析技術(shù)又都有各自必須掌握的重要知識點；即使學(xué)生能夠熟練掌握理論知識，和實際的生產(chǎn)與科研也有一定的脫節(jié)。對蛋白質(zhì)層析相關(guān)儀器設(shè)備及操作的教學(xué)，雖然主要的指導(dǎo)原則不多，但是因為操作細(xì)節(jié)和注意事項繁多，學(xué)生亦難以快速掌握。因此，本文虛擬仿真教學(xué)平臺的設(shè)計宗旨即是，即使學(xué)生足不出戶，也可以掌握蛋白質(zhì)層析純化的操作細(xì)節(jié)和注意事項。

基于此，為蛋白質(zhì)純化虛擬仿真教學(xué)設(shè)計了以下3個模塊：

2.1 設(shè)備介紹

該模塊介紹了實驗中需要用到的各種設(shè)備，具體包括：蛋白質(zhì)層析儀、島津RF20A熒光檢測器、全自動組分收集器、真空過濾裝置、層析柱等。

2.2 實驗流程

實驗流程分為基礎(chǔ)操作和進(jìn)階操作兩部分?；A(chǔ)操作包含了蛋白質(zhì)層析實驗中必不可少的操作流程（圖3），即：準(zhǔn)備階段、系統(tǒng)清洗階段、層析柱裝卸、上樣階段、程序運行階段和實驗結(jié)束階段。進(jìn)階操作則是為有特殊需求的用戶準(zhǔn)備，內(nèi)容涵蓋了大體積樣本上樣（樣品泵的使用方法），在線緩沖液配置（緩沖液預(yù)配閥-Q閥的使用方法）以及熒光檢測關(guān)聯(lián)的分子排阻層析（熒光檢測儀的使用-FSEC［12］）等方面。

2.2.1 準(zhǔn)備階段

該階段主要涉及試劑、樣本的準(zhǔn)備。蛋白質(zhì)層析通常對試劑和樣本中的顆粒物、溶氣量有較高的要求，因為顆粒物以及溶液因降壓后溶出的氣泡會損傷層析填料且影響檢測結(jié)果。所以在該階段設(shè)計了對實驗過程中涉及的所有溶液進(jìn)行過濾（通常0.22μm濾膜）和超聲脫氣的操作。

2.2.2 系統(tǒng)清洗階段

包括系統(tǒng)的清洗順序、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定以及對系統(tǒng)進(jìn)行排氣操作等幾個方面。主要指導(dǎo)原則是去除且不要引入顆粒物、氣泡。舉例來說：多數(shù)情況下，儀器和層析填料都是長期保存于20%乙醇（或其他有機溶液）中，而正式實驗中，緩沖液通常是無機鹽溶液。操作規(guī)范中建議有機溶液和無機鹽溶液不能直接混合，因為無機鹽有可能在有機溶液中析出，而這些析出的顆粒物又會對層析填料造成損傷，所以實際操作中，會在這兩類溶液置換之間添加一步超純水的清洗或平衡的步驟。這些指導(dǎo)原則以及對應(yīng)的操作細(xì)節(jié)，均在虛擬仿真教學(xué)的這一階段有所體現(xiàn)。

2.2.3 層析柱裝卸

主要內(nèi)容包括流速、系統(tǒng)壓等參數(shù)設(shè)定，層析柱的安裝順序，層析柱的平衡順序等。操作中，在2.2.1和2.2.2節(jié)提到的注意事項基礎(chǔ)上，還需注意不能超過壓力上限。這里的“壓力上限”一方面是指儀器所能達(dá)到的最大壓力，另一方面，也是更重要的，是指層析填料所能耐受的最大壓力。

將兩類蛋白質(zhì)層析中較為常用的、有代表性的案例融入其中：第一類是柱體積為24 ml的層析柱，以分子排阻層析的Superose 6 increase 10/300（Cytiva，原GE）等為代表；第二類是柱體積為5 ml的層析柱，以Hitrap Q HP（Cytiva，原GE）等為代表。通過對實際案例的學(xué)習(xí)、操作和練習(xí)，學(xué)生可以將這些操作習(xí)慣、參數(shù)設(shè)定無縫銜接至實際的生產(chǎn)和科研中。

2.2.4 上樣及程序運行

內(nèi)容包括上樣環(huán)的清洗與準(zhǔn)備、樣品加載、上樣至層析柱、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定及操作、樣本收集以及數(shù)據(jù)保存與導(dǎo)出等幾個方面。此部分，主要講解最常用且最簡單的操作，即“使用上樣環(huán)上樣”和“手動（以非編程的方法）完成層析并收集樣本”，目的是確保學(xué)生可以盡快掌握基本操作并進(jìn)行一些簡單的蛋白質(zhì)純化實驗。

2.2.5 實驗結(jié)束階段

實驗流程和2.2.2和2.2.3正好相反，主要內(nèi)容包括層析柱清洗、層析柱的拆除、上樣環(huán)清洗、系統(tǒng)清洗等。主要指導(dǎo)原則和細(xì)節(jié)如前文所述，均虛擬仿真教學(xué)中有所體現(xiàn)。

2.2.6 進(jìn)階操作

包括樣本泵進(jìn)樣，針對有大體積樣本的實驗場景；熒光檢測器使用，針對有分子排阻層析與熒光檢測聯(lián)用（FSEC）技術(shù)需求的實驗場景；緩沖液預(yù)配閥（Q閥）的使用，針對需要高通量嚴(yán)格篩選緩沖液配比的實驗場景等。

FSEC策略比較簡單，即通過為蛋白質(zhì)層析系統(tǒng)搭載外置熒光檢測器（本案例中為島津RF20A熒光檢測器），從而達(dá)到在層析過程中實時檢測樣本熒光的效果；其應(yīng)用和拓展十分廣泛：最基本的應(yīng)用是在目標(biāo)蛋白的一端融合熒光標(biāo)簽（如GFP），通過檢測GFP熒光，間接地指示目標(biāo)蛋白的產(chǎn)量、聚合狀態(tài)、穩(wěn)定性等指標(biāo)［15］，尤其適用于產(chǎn)量低、表達(dá)困難的膜蛋白及復(fù)合物［14］（如GABAA受體［16］、尼古丁乙醯膽鹼［17］等）的表達(dá)和純化工藝優(yōu)化；亦可以通過對目標(biāo)蛋白內(nèi)源熒光（如色氨酸熒光）的檢測，計算目標(biāo)蛋白的融解溫度（Tm）［15］；本實驗室也對FSEC的應(yīng)用進(jìn)行了一定的拓展，即通過篩選和使用熒光探針，特異性標(biāo)記目標(biāo)蛋白，在無需融合熒光標(biāo)簽的情況下，實現(xiàn)基于FSEC技術(shù)的蛋白質(zhì)制備工藝優(yōu)化；也可以結(jié)合定量計算，實現(xiàn)相互作用的蛋白質(zhì)之間的結(jié)合率測定。

FSEC的教學(xué)設(shè)計，則以實用性和普適性為導(dǎo)向，主要側(cè)重如何操作儀器設(shè)備完成實驗檢測。教學(xué)中需要體現(xiàn)一些關(guān)鍵操作節(jié)點，如檢測器需提前開機預(yù)熱（20 min以上，以保證檢測值穩(wěn)定）；檢測波長設(shè)定（單一波長激發(fā)并檢測單一發(fā)射波長，或雙波長激發(fā)并檢測兩個發(fā)射波長）；確保系統(tǒng)流路設(shè)定正確等。

2.3 實驗考核

此模塊是為了評價學(xué)生的學(xué)習(xí)程度而設(shè)立的。學(xué)生通過對前兩個模塊（設(shè)備介紹和實驗流程）的學(xué)習(xí)，可以在該模塊練習(xí)和考核。

3 功能實現(xiàn)

3.1 設(shè)備介紹

該模塊展示了本實驗系統(tǒng)中所需的主要設(shè)備，旨在讓初學(xué)者快速認(rèn)識蛋白質(zhì)層析實驗中的儀器設(shè)備和附件。所有設(shè)備都配以3D模型，可以全方位旋轉(zhuǎn)，學(xué)生亦可通過鼠標(biāo)點擊儀器模型的各個部位，進(jìn)一步學(xué)習(xí)該設(shè)備的組件構(gòu)成（圖4）。

3.2 實驗流程

該模塊對真實實驗場所及設(shè)備進(jìn)行了模擬，使用者如同置身真的實驗場景中。學(xué)生可以通過4個鍵W、S、A、D控制前后左右移動，并且可以通過長按鼠標(biāo)左健并拖動來轉(zhuǎn)換視角，以及點擊鼠標(biāo)左鍵選擇物體（圖5a）。每一步驟同時配有語音提示、字幕提示、目標(biāo)物體光標(biāo)閃爍，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗（圖5b）。選擇錯誤、順序錯誤或者參數(shù)設(shè)定錯誤均有報警提示，從而保證使用者可以快速掌握此類實驗的標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，亦可從操作錯誤中吸取教訓(xùn)。此外，該模塊加入了兩個最為常用的層析案例，層析柱的選擇和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定是嚴(yán)格關(guān)聯(lián)的，方便使用者注意到關(guān)鍵步驟及參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，而這些常用的參數(shù)設(shè)置也可以直接使用或借鑒至生產(chǎn)和科研中（圖5c）。為了方便操作，在虛擬仿真系統(tǒng)的右上角引入了小地圖（畫中畫），通過點擊小地圖，學(xué)生可以直接進(jìn)入至電腦操作界面

3.3 實驗考核

該模塊的場景和實驗流程部分的基礎(chǔ)操作一致，但沒有任何文字和語音提示（圖6），對所有關(guān)鍵操作細(xì)節(jié)進(jìn)行了量化，制定了考核要點及評分標(biāo)準(zhǔn)（表1）?？己藭r，可以點擊每一階段的評分菜單，看到具體評分細(xì)則和得分情況（圖6）。實驗流程環(huán)環(huán)相扣，每步失誤都會影響最終實驗結(jié)果；實際實驗中，關(guān)鍵步驟的錯誤，甚至?xí)斐蓛x（圖5c）。此模塊完全再現(xiàn)了真實實驗的過程，包括需要注意的細(xì)節(jié)、參數(shù)設(shè)定等，確保學(xué)生獲得真實實驗教學(xué)的體驗。器或者層析填料的損壞，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此虛擬仿真練習(xí)和考核時，低于80分，認(rèn)定為實驗步驟丟失或錯誤過多，考核失??；80~90分，建議學(xué)生還需要多次練習(xí)；90分及以上，可以認(rèn)為該學(xué)生已比較熟練地掌握蛋白質(zhì)純化系統(tǒng)的知識點，根據(jù)以往的教學(xué)考核數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，這些學(xué)生進(jìn)入實驗室后，很快就可以獨立操作蛋白質(zhì)純化系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)的實驗。

Table 1 Key points and scoring criteria for on-site teaching and exams of protein purification system

4 應(yīng)用前景

傳統(tǒng)的教學(xué)模式，主要是現(xiàn)場教學(xué)和視頻教學(xué)。雖然現(xiàn)場教學(xué)的效果好，學(xué)生和教師、儀器有互動，對知識點掌握較為快速，但是有諸多限制：實驗室必須配備這類儀器設(shè)備，需要較大的經(jīng)費投入；實驗室場地本身大小限制了參與教學(xué)的人數(shù)，而且現(xiàn)場教學(xué)演示中，參與人數(shù)過多，也會極大影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果；隨著近幾年冷凍電鏡領(lǐng)域的發(fā)展，越來越多的教授、學(xué)生希望掌握蛋白質(zhì)純化相關(guān)技術(shù)，但因為現(xiàn)場教學(xué)對師資的利用效率較低（消耗教師的教學(xué)時間多、每場教學(xué)的師生比例低），而且?guī)熧Y有限，因而很多學(xué)習(xí)需求難以滿足。視頻教學(xué)雖然可以解放教師資源，提高師資的利用效率，但是因為缺乏互動性，學(xué)生通過視頻學(xué)習(xí)所掌握的，和實際實驗操作之間仍有代溝，還需更多的練習(xí)和教師的現(xiàn)場指導(dǎo)。

和傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，基于虛擬仿真的蛋白質(zhì)純化實驗教學(xué)則有諸多優(yōu)勢。第一，真實、直觀、可互動。仿真場景和現(xiàn)實實驗室中的儀器設(shè)備的操作高度關(guān)聯(lián)，學(xué)生在虛擬仿真平臺學(xué)習(xí)、練習(xí)后，可以快速掌握真實實驗環(huán)境中的儀器操作。第二，知識點更加系統(tǒng)、更加聚焦。虛擬仿真平臺將蛋白質(zhì)層析技術(shù)中瑣碎的知識點和細(xì)節(jié)完整地梳理串聯(lián)，結(jié)合詳細(xì)的評分細(xì)則，學(xué)生可以隨時隨地在線上和線下多種平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)，加深對瑣碎知識的記憶與理解。第三，節(jié)約成本。成本的節(jié)約體現(xiàn)在許多方面。a.儀器、耗材、場地的成本節(jié)約：蛋白層析儀以AKTA Avant、AKTA pure、NGC discover或NGC quest為例，單臺儀器在35~80萬元不等，配備外置檢測器（如熒光檢測器、視差檢測器、多角度動態(tài)光散射檢測器等），價格10~150萬元不等；為教學(xué)或科研配備的蛋白質(zhì)層析填料或預(yù)裝柱，800（脫鹽填料）~40 000元/根不等，還有其他試劑耗材的需求，如蛋白質(zhì)標(biāo)樣、緩沖液、注射器等；儀器放置所需場地建設(shè)、層析柜等；而在虛擬仿真平臺搭建包含這些儀器設(shè)備的實驗室并模擬實驗，無需這些花費。b.練習(xí)所需的機時成本節(jié)約：實驗室配備的蛋白層析儀等大型儀器設(shè)備，除了面向教學(xué)外，也會面向生產(chǎn)、科研服務(wù)；在虛擬仿真平臺進(jìn)行練習(xí)，可以節(jié)約真實實驗室中的儀器機時，將寶貴的機時分配至生產(chǎn)和科研。c.儀器損耗、能源損耗的節(jié)約：儀器和檢測器均有固定的使用壽命（例如，通常紫外燈的壽命為8 000~10 000 h），而在虛擬仿真平臺上模擬實驗，則不會產(chǎn)生這種損耗。d.人力資源的節(jié)約：隨著儀器采購、實驗室建設(shè)以及教學(xué)培訓(xùn)的開展，必然伴隨著管理人員、教學(xué)人員的增加以及時間、精力投入的增長。而虛擬仿真平臺的使用，無需投入更多的人力，且學(xué)習(xí)和練習(xí)均以自學(xué)自練為主，極大程度地節(jié)約了人力成本。第四，教學(xué)和學(xué)習(xí)效率大幅提高?，F(xiàn)場教學(xué)，如果學(xué)生人數(shù)多，則近距離觀察不便，且會影響每個學(xué)生實際操作的機會和時間，最終影響學(xué)習(xí)效果；如果學(xué)生人數(shù)少，則整體教學(xué)效率太低。虛擬仿真平臺可以滿足學(xué)生“近距離”學(xué)習(xí)和互動操作的需求，一人一“機”，可以大幅度提高教學(xué)與學(xué)習(xí)效率。第五，降低實驗安全隱患。虛擬仿真平臺在電腦、手機等終端操作，避免了大型儀器設(shè)備使用中的安全隱患，避免了新手操作可能發(fā)生的故障與實驗事故；通過多次反復(fù)的虛擬仿真練習(xí)，可以加快新手到熟手轉(zhuǎn)變，間接地降低實際實驗時的安全隱患。

以浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院蛋白質(zhì)平臺的蛋白質(zhì)純化儀為例，儀器安裝完成后（2018年），經(jīng)過多年的研究生教學(xué)和技能培訓(xùn)的實踐探索，最終確立了以表1為根本的教學(xué)、考核要點，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了教學(xué)體系。截至2021年底，累計參加這類實驗技能現(xiàn)場教學(xué)/培訓(xùn)的學(xué)生共計287人次，其中參加實驗操作考試者共計82人次，通過考試者82人次，通過率100%；虛擬仿真教學(xué)平臺建成后，通過仿真平臺線上學(xué)習(xí)、練習(xí)的學(xué)生，均通過了現(xiàn)場的儀器實操考核，可以達(dá)到和現(xiàn)場教學(xué)/培訓(xùn)相同的教學(xué)效果。具有儀器獨立使用能力的優(yōu)秀研究生，將該技能應(yīng)用于日常的科研實驗并取得了優(yōu)秀的成果［18-22］。

綜上所述，虛擬仿真在實驗教學(xué)中有著諸多傳統(tǒng)教學(xué)方式無法比擬的優(yōu)勢，在本科生和研究生實驗技能課程中、新生的科研技術(shù)培訓(xùn)和科研課題進(jìn)展中，均取得了較好的反響。本文將蛋白質(zhì)純化系統(tǒng)虛擬仿真作為建設(shè)的第一步，希望在不遠(yuǎn)的未來，能夠建設(shè)一個完整的蛋白質(zhì)實驗室3D虛擬仿真平臺，這將是一個可拓展、多方位、盡可能涵蓋蛋白質(zhì)純化、表征、功能及結(jié)構(gòu)研究相關(guān)技術(shù)與設(shè)備的仿真平臺（圖2）。

5 結(jié) 語

虛擬仿真在實驗教學(xué)中有著傳統(tǒng)教學(xué)方式無法比擬的優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用前景。本文基于以往的教學(xué)經(jīng)驗和學(xué)生需求，設(shè)計了蛋白質(zhì)純化系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。該系統(tǒng)聚焦于蛋白質(zhì)純化這一重要技術(shù)，完整再現(xiàn)了蛋白質(zhì)純化的全過程，涵蓋了實驗注意事項、參數(shù)設(shè)置和操作規(guī)范，同時也整合了常用案例和全新的教學(xué)內(nèi)容（FSEC），保證了教學(xué)內(nèi)容的新穎性和實用性，保證了教學(xué)和實際的生產(chǎn)、科研密切關(guān)聯(lián)。

本文所述虛擬仿真教學(xué)平臺請見網(wǎng)址http://websoftware.veryengine.cn/ProteinPurifier/index.html（不定期更新）。