虚拟仿真实验在抗体工程实验教学中的应用探讨
时间：2023-06-06 11:25:27 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
朱培炜，付欣，邓小亮
(广州医科大学生科院生物学实验中心，广东 广州 511436)
伴随着计算机技术的不断改进和提升，虚拟仿真技术也逐渐成熟和普遍化，该技术以系统技术、相似原理、信息技术和其应用范围内相关的专业技术为本原，以各种物理效应和计算机设备为载体，采用系统模型对遐想中或是现实的系统开展实验探讨的一项综合性技术[1]。虚拟仿真实验依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，弥补传统实验教学模式存在的局限性，将现实中的实验环境和实验对象高度虚拟化，使抽象的内容具体化、形象化和可视化，从而增加实验本身的趣味性，调动了学生学习的积极性和主动性，也使实验教学变得更加多样化，大大提高了教学质量，为教师的教学提供了不少的便利[2]。有文献表明虚拟仿真技术有利于教学质量和学生实验技能的提高，近些年该技术在高校实验教学中得到了广泛的应用，在一定程度上对传统实验教学起到了有效的辅助和补充作用[3]。
随着现代生物技术的发展而不断完善，抗体工程技术已经成为生物技术产业化的主力军，尤其在生物技术制药领域占有重要地位，为新药开发、疾病诊断及防治开拓了新的前景[4]。抗体工程作为生物技术专业学生的一门必修课程，通过理论与实验教学，主要介绍现代抗体制备和应用方面的基础知识和发展趋势，其内容主要有动物免疫、基因工程、蛋白质工程、抗体转基因动物的制备以及各种新型抗体的临床应用等[5]。作为一门对实验实操能力要求较高的课程，抗体工程实验教学介绍了包括细胞生物学、分子生物学及生物化学等多个相关实验技术，如细胞培养、聚合酶链式反应(polymerase chain reaction, PCR)等，是一个典型的综合性实验内容。该课程将多个相对独立的实验技术汇聚到一个完整的实验体系中，能够让学生更形象生动的了解和认识细胞生物学、分子生物学、生物化学以及免疫学，巩固其在理论方面的基本知识，同时也使学生对生物技术有一个更深层次的认识，进而提高其进行科学研究的潜能和不断进行科学探索的兴趣。由此可见抗体工程实验教学在生物技术专业与相关专业的人才培养方面发挥着非常重要的作用。本文通过分析传统抗体工程实验教学的现状与不足，对虚拟仿真实验应用于抗体工程实验教学进行探讨，以期为高校进行虚拟仿真实验教学提供参考。
随着我国现代化教育体制改革的不断完善，生物技术专业在各个高校已经广泛开设，而抗体工程课程作为其中的核心课程也随即成为生物技术专业学生的必修课程，这一课程的开设已成为我国生物技术专业高级人才培养的重要手段之一，但是传统的抗体工程实验教学存在以下一些问题。
1.1 教学模式和方法相对落后
抗体工程实验教学是抗体工程教学体系中比较重要的环节，是抗体工程教学不可或缺的一部分。通过抗体工程实验教学，实现理论与实验相结合，能够促进学生对基础理论知识的理解，锻炼学生基础的实验操作技能，有利于学生形成良好的科学素养和提高分析解决问题的能力。传统的抗体工程课程实验教学中，教师在上课前就帮上课的学生准备好了大多数实验材料，上课时教师对本节课的实验内容进行讲解和演示，老师演示完后学生仅仅是重复演示实验，这种教学模式缺乏多种形式的实验探究，容易造成学生只知其然而不知其所以然，其弊端显而易见。其实抗体工程教学本身的理论比较简单，而实际的实验操作则较为困难，仅仅依靠教师较刻板化的实验步骤和课堂上简单的示教，学生往往很难充分理解实验内容和掌握操作要领，导致其在实验操作过程中容易出现错误，如在细胞培养步骤中因操作不规范出现细胞污染；
同时，由于学生对上课时的实验操作记忆不深刻，因而实践技能掌握程度低，学生对知识的综合应用能力也难以得到提升。
1.2 教学资源短缺，教学效果不理想
近年来随着全国各个高校的招生规模不断扩大，学生人数呈现直线上升的趋势，导致经费、场地、仪器、设备、教师等资源相对匮乏[3]。在这种情况下，往往会出现理论课程教学和实验课程教学难以同步，实验课程先于理论课程开设，导致学生没有学习理论知识而盲目进行实验；
或理论教学的开课时间与实验教学开课时间的间隔过长，导致理论知识与实验无法做到无缝衔接，例如抗体工程课程设置时间一般为高年级学生，但其基础理论课程基因工程、蛋白质工程等往往于低年级阶段已经安排学习。此外，由于师资力量、场地、仪器等方面的限制，导致学生不得不以较多的人数为一组，无法满足每个学生都独立进行实验操作，或有些学生完全依赖其他组员不参与实验等现象，教学效果并不是很理想。
1.3 实验项目开设数量较少，学习深度受限
实验内容直接决定教学效果的好坏。抗体工程的实验教学要求学生掌握抗体制备相关技术，抗体制备技术经历了多克隆抗体、单克隆抗体和基因工程抗体三个阶段[4]。但是部分实验课程耗时较长、难度大，如单克隆抗体的制备就需要分解为实验前准备、细胞观察、动物免疫、细胞融合、选择杂交瘤、检测抗体、杂交瘤细胞的克隆化、冻存以及单克隆抗体的大量生产等几大部分[6]，因此只能选取其中一些相对重要且常用的实验技术，如质粒抽提、细胞培养、免疫荧光检测、生长抑制检测等安排学生在实验教学中动手参与。而这些安排的实验中有些步骤由于课时的限制不得不由老师代做，如细胞培养实验分为细胞复苏、传代、冻存等步骤，但老师课前需要帮学生做细胞复苏，然后再由学生将老师提供的细胞进行培养、传代。这大大降低了实验课程的深度与广度，不利于培养全面的生物技术人才。
2.1 促进教学模式的改革，提高学生学习兴趣
在传统实验教学中，虽然教师布置了课前预习，让学生课前完成实验报告的前半部分包括实验原理和实验步骤，到实验实操课上，教师会对实验流程进行一次演示，但由于课前预习相对抽象，而老师的示教因时间等方面的限制较为简单，部分学生就很难掌握操作要领，导致学生实验过程出现失误而影响实验结果。通过虚拟仿真实验系统，学生课前实验预习、练习不再受时间和空间限制，可随时随地进行虚拟实验操作，熟悉各个实验项目流程，规范操作方法，掌握注意事项，并可将虚拟实验过程中遇到的问题或难题带到实体实验中去验证和解决，这样学生在实际操作中可以减少不必要的失误，提高实验成功率，进而提高学生进行实验的积极性。课后学生可根据自身情况，对自己实操过程中不熟练或自己感兴趣的部分反复练习，加深印象，使自己的实验技能更上一层楼；
同时虚拟仿真实验系统借助多媒体技术、虚拟仿真技术、传感技术，构建了一种高度智能化、现实化的实验教学环境，使学生在进行虚拟实验过程有种身临其境的感觉，实现互动实验教学，如操作错误时会对操作者进行提示，并要在纠正过后才能进入下一步操作流程，这极大限度地增加了学习的趣味性，并提高了学生的学习兴趣。
2.2 节省教学资源，提高学习效率
目前，大部分高校由于扩招，仍然会出现经费紧张，师资力量薄弱，课时不足，实验场地、仪器以及试剂紧缺等问题，每个学生独立完成每一个实验项目的目标难以实现。而虚拟仿真实验系统的应用可在一定程度上解决这样的难题，现在由于网络技术的发达和手机、电脑的普及，学生以手机或电脑为工具，可实现在任何时间、任何地点登陆虚拟仿真实验系统进行实验学习，其打破了时间和空间的限制，可以反复操作且具有共享性。另外，通过虚拟仿真实验系统，可学习仪器的使用，试剂的配制等，如荧光显微镜的使用，并能够进行反复的练习、尝试而不会产生设备、试剂的损耗，同时又可以增加很多单元操作实验，降低教学成本的同时有效地提高了学生的学习效率。
2.3 提高学生自主创新能力，丰富教学内容
创新是科学技术发展的不竭动力，是当代大学生都必须具备的重要能力之一。研究性实验教学是学生在老师的引导下，采取较灵活的学习方式，通过查阅资料等方式自行设计实验对学科问题进行探索。其是锻炼学生创新能力的重要手段，而了解和掌握相应的实验技术才是自行设计实验的基础和前提。虚拟仿真实验平台就能提供各式各样的实验项目供学生进行了解和学习，通过虚拟仿真实验系统，学生可更多的认识和掌握那些因耗时长、开设成本高、难度大而无法开设的实验技术，如使用抗体库技术筛选抗体、质粒构建、抗体纯化等，是提高学生自主创新能力和创造性思维的重要工具；
同时教师结合虚拟仿真实验系统进行实验教学，既丰富了教学内容，也使学生的学习内容更具有深度和广度。
2.4 提高教学质量，促进教师业务素质的提高
虚拟仿真实验教学系统的数据采集系统可对每个学生在平台内的学习情况及实验操作情况进行整理和分析，并将分析结果发送给授课教师，通过虚拟仿真系统后台导出的数据，教师可以清楚地了解学生操作错误率较高的实验项目及操作步骤，在实体实验课上进行有针对性的实验教学，给学生较薄弱的环节增加实操机会，使其更好地掌握实验技能，极大地提高了教学质量；
学生遇到问题并提出问题，老师同学生一起解决问题同样是提高教学质量的重要方式之一。正常来讲，课后教师在固定时间固定地点会有一个答疑时间，而虚拟仿真实验教学平台提供的“在线答疑”功能，能让学生在课下不受时间、地点的限制，对老师进行提问，解决疑难问题；
最后，通过虚拟仿真实验教学，也对教师起到了一定的促进作用。教师在教学过程中，要实时跟进学生在平台内的学习情况，根据学生的学习情况查阅相关资料并随时调整授课内容的重点，这也是教师一个不断学习的过程，从而促进自身业务素质的提高。
尽管虚拟仿真实验教学和传统实验教学比有许多优点，但其也存在一定的局限性，并不能完全取代传统实验教学。虚拟仿真实验毕竟不是真正的实际对象的操作[1]，在感官上和实际操作还是有区别的，仅仅通过电脑或手机操作，学生并无法真正体验到实验操作的实际过程和实验的复杂程度，同时如果完全依靠虚拟仿真实验进行实验教学还会弱化学生基本训练和动手能力的培养；
另外，由于虚拟仿真实验系统智能化特性，学生在进行实验操作过程中如果出现错误，虚拟仿真系统能够对其进行提示，然后其实验结果会按照提前设定的理想实验结果展示给学生。而实体实验中，学生们实验过程中多多少少会遇到各种小的、大的问题，学生会寻找办法解决问题，其应对突发情况的能力就得到了锻炼，相反虚拟仿真系统的智能性就容易造成学生缺少应对突发情况能力的锻炼。
将虚拟仿真实验应用于抗体工程实验教学可以弥补传统实验教学存在的不足，对完善实验教学模式，提高教学质量起到了很好的推动作用；
同时为学生提供一个开放、自主、交互的虚拟实验环境，也在一定程度上克服了硬件方面对实验教学的限制，从而使实验教学内容更丰富，教学质量更高；
学生通过虚拟仿真实验系统可随时随地进行自主学习，形成良好的学习习惯，提高学生的学习兴趣，锻炼自主创新能力；
教师通过虚拟仿真实验可提升教学内容的深度和广度，并促进自身业务素质的提高。但虚拟仿真实验与实体实操之间还是存在一定的差异，毕竟仿真实验是虚拟的，摸不着的，具有失真性，在实验过程中，学生无法真正接触实验器材，对实验操作的各个步骤没有实际的概念，体验不到动手操作的实际过程，同时也缺少应对突发情况能力的锻炼。因此抗体工程实验教学并不能完全依靠虚拟仿真实验而摒弃传统实体实验教学，只是对传统实体实验教学的完善、补充和扩展，只有将虚拟仿真实验教学与传统实验教学的优点有机结合，才更有利于抗体工程实验教学的发展。
