吴 宁, 胡 欣, 吴遵秋, 刘 华, 孙见飞

(贵州医科大学 基础医学院, 贵州 贵阳 550025)

基于虚拟仿真平台引入综合性设计性实验项目

吴 宁, 胡 欣, 吴遵秋, 刘 华, 孙见飞

(贵州医科大学 基础医学院, 贵州 贵阳 550025)

以科研项目“雪莲果汁对高脂模型大鼠的降脂作用及其机制探讨”为案例,依托虚拟实验教学平台,让学生设计相应在线虚拟实验项目,实现科研成果转化为教学实验。用虚拟实验平台开设综合性设计实验,易于操作、节约成本、学生参与度高,能提高学生的学习兴趣,训练其实验操作技能,增强其科研能力和探索精神。

实验教学； 虚拟实验； 设计性实验

1 构建设计性虚拟实验项目的意义

医学是一门实践性很强的学科,实验和实习贯穿整个教学过程,实验教学是学好这门课程的关键环节[1]。就目前部分高校医学实验开展情况来看,多为经典的验证性实验,由于实验周期长、成本高、教学难度大、实验操作复杂等因素,很难在本科生中普遍开展设计性实验[2]。随着虚拟实验教学的发展,通过网络创建虚拟学习环境开展此类实验已逐渐纳入实验教学体系,并进行合理规划,激发学生的学习兴趣，启发学生的创新意识和思维方式，培养了学生的实验操作技能，提高了学生分析问题、解决问题的能力和创新能力。因此,在医学教育中加入虚拟实验对学生的学习有很大的帮助[3]。

目前,虚拟仿真技术的发展得到了国家科技和教育部门的重视,科技部和教育部曾经联合要求高校建立网上合作研究中心采用先进的科技手段建立虚拟实验室。我国下一代互联网相关的重大研究计划也包括了虚拟实验室、实时操作系统和系统仿真等相关内容。可以说,虚拟仿真技术的推广和虚拟实验的发展,是我国高等教育改革尤其是实验教学改革的重要内容和必然趋势[4]。

2 实验项目设计思路

我校以实际已完成的科研项目“雪莲果汁对高脂模型大鼠的降脂作用及其机制探讨”为例,模拟设计性虚拟实验项目建设过程,即作为虚拟实验的研究背景,通过给出相应的选题内容、实验原理、目的以及设计性实验的基本原则等,引导学生完成本实验,并通过对结果的统计学分析,得出结论，培养学生的实验技能和创新精神。

2.1 明确实验目的

首先明确实验目的。借助虚拟平台,通过具体实验案例,要求学生必须熟悉和掌握的知识点及相关实验技能,并将这一理念贯穿于整个虚拟脚本的设计中。以本实验为例,通过其操作,让学生掌握以下技能：

(1) 思维模式的构建——学习和掌握实验设计的要求和基本原则、实验结果的分析方法；

(2) 造模学习——学习高脂大鼠模型的造模；

(3) 实验技能训练——掌握血清中甘油三酯、总胆固醇含量测定方法,RNA的提取方法、纯度分析、凝胶电泳技术以及PCR原理和使用方法、蛋白质免疫印迹技术(western blot)等。

2.2 科学逻辑思维的引导

设计性实验又称探索性实验,系指采用科学的逻辑思维配合实验方法和技术,对拟定研究的内容(或问题)进行的一种有明确目的的探索性研究[5]。

以本实验为例,首先给出研究对象的基本信息——雪莲果的降血脂功效[6-7]以及脂肪代谢相关知识——腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和乙酰辅酶A羧化酶(Acetyl carboxylase ,ACC)的作用[8]，进而引发学生对二者之间关联性的思考。

在下一模块通过让学生选择实验设计方案的正确实施顺序,使其掌握实验方案设计的基本要素,同时使学生掌握科研立题的方法和原则。

2.3 学习虚拟实验操作

2.3.1 高脂模型大鼠的造模和灌胃

高脂饲料饲喂法是最常用的造模方法之一,大鼠自主采食,更接近正常的生活状态,几乎无刺激,且与人类高脂血症形成过程较为相似[9]。通过测定血清总甘油三脂(TG)和测定总胆固醇(TC)含量,比较高脂模型组和空白对照组血清脂质水平,判定造模是否成功,判定造模成功后进行分组及灌胃处理。这2个关键步骤耗时较长,但通过虚拟实验,能大大节省时间。为考察学生对对照原则和重复原则等一些实验中基本原则的掌握,在分组时设置相关题目,如实验分组的设立、造模实验分组中大鼠只数设计等。在界面中另设提示框,当学生选择错误时,能提供一定的分析指导。通过本项操作,学生还可以自主学习到动物实验中一些基本操作手法,如大鼠的捉拿、灌胃、眼眶采血等。

2.3.2 指标检测

此模块涉及相关生物化学和分子生物学实验、机能学实验的内容,以本实验为例,即是在证明雪莲果汁确切降脂作用后对降脂机制的初步探究。将标准管法测血清TG和TC含量、肝组织RNA的提取等常规生化实验引入虚拟平台的同时,又引入qPCR、Western blot等耗时长、成本高、难以在本科生教学中大规模开展教学的分子生物学实验,检测AMPK及ACC的表达及蛋白量,充分训练学生实验操作技能。

此外,由代谢、酶、基因作为切入点,可引导学生对降脂机制的思考,从而展开深入的探究。秉承“采用学生能掌握的实验方法探究其感兴趣的问题”的思想,借助虚拟实验平台完成创新型的实验教学。

因此,通过本模块,学生能整合自己所学的机能学、生化、形态学等相关知识探究科学问题,加深对知识点的理解,又能在短时间内,经虚拟仿真界面的逐步操作,学习平时不易实际操作的实验技能,为以后开展相关实验打下基础。

2.3.3 实验结果分析

对实验结果的分析是学生科研思维和分析能力的综合体现,还要求学生具备一定的统计学知识,因此本模块的设计遵循循序渐进的原则——由统计图表和电泳图的展示,结合相关题目的设置,让学生自行分析,最终得出结论。考虑到不同层次的学生能力上的差异,为辅助有困难的学生分析实验结果,在界面中设置相关提示,阐明实验结果要点和统计学知识点。

3 效果反馈

虚拟实验虽然建立在一个虚拟仿真平台之上,但注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性,它的出现将有效缓解实验经费、场地、器材等方面普遍面临的困难和压力,而且开展网上虚拟实验教学能够突破传统实验“时、空”的限制,无论是学生还是教师,都可以自由地、随时随地登录[10]，进行相关实验或研究。

3.1 学生使用后的评价

依托虚拟实验教学平台,建设综合性设计性实验项目,经学生使用学习后,有较好的反馈。课后学生的反馈信息表明,本项虚拟实验充分调动了学生学习的积极性和主动性。通过认真了解选题背景、自主学习实验原则、选择实验设计顺序、操作虚拟界面等实验步骤,根据结果得出结论。这一系列较为完整的步骤,不但能促进学生更好地掌握理论知识,锻炼学生的实验操作能力,还培养学生的创新思维和初步的科研能力，学生普遍感觉收获颇丰。

3.2 有利于构建形成性评价体系

目前,我国部分高校的实验教学评价体系中更注重终结性评价而忽视了形成性评价。形成性评价有利于及时反馈教学效果,提供教学改进意见[11]。本实验全程有多项指标客观评价学生参与实验情况,打破以往只重实验结果、轻实验过程的评价体系,建立以培养学生实践能力、创新能力为标准的实验教学评价体系。

3.3 虚拟实验教学的实用性

对于设计性实验,若只是教师进行单一的讲解,较为抽象。通过虚拟实验的完整操作,学生能了解到实验设计的关键要素、实验运作的流程和实验分析的方法。

在实验“雪莲果汁对高脂模型大鼠的降脂作用及其机制探讨”中,巧妙地将设计性实验与虚拟仿真实验结合起来,缓解了因实验器材和教师人力的短缺使得实验无法大范围开展的问题,很大程度上辅助了传统教学。

本实验运用了大量的提示框,在关键操作步骤及难度较大的题目选择时可引导学生学习。在可视化图形界面中适量加入实验说明框,使整个虚拟实验的内容更加丰满,实现理论教学和实验操作较为完美的结合。

同时,本实验涉及学科的重要知识,学生在进行实验设计及操作的过程中须联系相关的知识并作深入的分析,才能充分运用所学知识解决实验中的科学问题。因此,本实验综合考察了学生对课内知识的掌握程度及分析解决问题的能力。

4 展望

自行开发的虚拟仿真实验教学系统目前在教学中实际应用得较少；虚拟仿真实验供教师上课演示的较多,供学生实际操作的少；虚拟仿真实验中验证性实验较多,设计性和创新性实验较少；虚拟实验以作业方式应用的较多,单独开设实验课程的很少[12]。因而,依托学校虚拟仿真实验教学中心的资源,构建设计性实验的创新型教学模式,是对实体实验教学有效的补充。

4.1 运用典型性案例构建综合性实验项目,启发科研思维

科研能力和创新能力的培养是一个循序渐进的过程,因为很多本科生从未接触过科研,对他们来说科研是一新鲜事物,学生从了解科研、在教师指导下完成科研、再到独立进行科研,需要逐步完成[13]。

在虚拟仿真实验平台中,用上述的设计性实验案例能作为培养学生科研思维的“敲门砖”,方便教师教学,使学生快速入门。虽然实验的数量是有限的,但通过这些实验,能为学生构建一种科学严谨的思维方式,当学生在今后遇到类似问题时,可能找到借鉴的方法,从而达到举一反三的效果。

4.2 虚拟实验与传统教学相结合

虽然虚拟实验具有众多优势,但毕竟是人机交互,若要了解学生的学习程度,还是需要一定的交流讨论。因此在教学中可以考虑“线上独立完成,线下交流讨论”的模式,即：学生通过虚拟实验平台自学以后,可分小组讨论,还可考虑用PPT汇报等方式将其所学进行交流。这样教师也可从学生的汇报中了解到学生的掌握程度并对遗漏的知识进行补充讲解,充分提高实验的利用率。

5 结语

虚拟实验教学系统可以用来辅助传统的实体实验教学,借助虚拟实验教学平台,构建综合性设计性虚拟实验项目模块,是本科实验教学的有利补充,是培养学生科学研究思维及创新能力的重要途径。

References)

[1] 葛岩,杨 雪.虚拟实验在医学教育中的应用[J].中国教育技术装备，2012(33)：134-135.

[2] 德伟,王子杰,陈雅，等.探讨分子生物学虚拟实验的构建要素[J].南京医科大学学报(社会科学版)，2013(2):166-168.

[3] 王宁萍,周娅,王琦，等.设计性实验在医学微生物学实验教学中的实践与探索[J].白求恩军医学院学报，2006(4)：45-46.

[4] 严钰锋,张惠琴,王见之，等.虚拟实验在功能学实验教学中的应用[J].中国高等医学教育，2012(12):1-3.

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[6] 李卓亚.雪莲果化学成分及其药理作用的研究进展[J].食品与药品,2007,9(6):41-43.

[7] Yang Z M,Bu Y Q,He R G. Recent advances on biological effects and safety of fruetooligo-sacchrides[J]. Life SciRes,2004,8(4):122-125.

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[9] 朱竟赫,赵金明,秦文艳.高脂血症实验动物模型研究概述[J].实验动物科学,2012,29(2):48-52.

[10] 徐晓丽,姜卫,韩志敏,等.局部解剖学虚拟实验系统的设计与开发[J].计算机与数字工程,2013,48(3):414-417.

[11] 闻德亮.医学教育中的形成性评价方法[J].高校医学教学研究,2011,1(1):36-38.

[12] 文福安.虚拟实验教学系统的研究与应用[J].中国教育信息化 ,2008(21):37-39.

[13] 李金莲,杨静,张慧,等.机能学设计性实验教学的现状及对策研究[J].西北医学教育,2010,18(5):1008-1011.

Introducing comprehensive designing experimental projects based on virtual experimental teaching platform

Wu Ning, Hu Xin, Wu Zunqiu, Liu Hua, Sun Jianfei

(College of Basic Medicine,Guizhou Medical University, Guiyang 550025, China)

Taking the “Effect and Mechanism of Smallanthus Sonchifolius in Lowing Lipid of Hyperlipidemia Rats Models” project as a case, based on the virtual experimental teaching platform, the students design the corresponding online virtual experimental project and transform a scientific research into a teaching experiment so that students could learn by themselves on the virtual experimental teaching platform. Setting up comprehensive designing experiment through the virtual experimental teaching platform can simplify the preparation of experiment,cut down the cost,improve the students’ involvement and learning interests, thus in turn it can train their experimental operative skill and enhance the ability of scientific research as well as the initiative of scientific exploration.

experimental teaching; virtual experiment; designing experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.002

2016-12-02

2014年贵州省本科教学工程建设项目支持

吴宁(1974—),女,硕士,副教授,贵州医科大学化学与生物化学实验室主任,主要从事特色中草药防治疾病分子机制的研究.

E-mail：1638210715@qq.com

TP391.9；G642.423

A

1002-4956(2017)4-0006-03