霍颖异，王君晖，史 影，王国强，吴 敏

（1.浙江大学 国家级生物实验教学示范中心，浙江 杭州 310058；2.浙江大学 生命科学学院，浙江 杭州 310058）

“遗传学及实验”是生物科学、生态学、农学、生物工程和生物医学等生命科学相关专业的一门重要基础课程，在培养学生的科学思维、创新精神和实践能力方面发挥重要作用，其教学内容应侧重应用并紧跟时代发展和社会需要[1]。CRISPR/Cas 系统是一种近年来快速发展的基因编辑技术，已广泛应用于细菌、真菌、植物和动物的基因编辑[2]。CRISPR/Cas9 系统是其中研究最深入、应用最成熟的一类，已成功在多种植物中实现了定点基因组编辑[3]。根据“双一流建设”和创新型人才培养需要，浙江大学生命科学学院对“遗传学”和“遗传学及实验”等课程开展了系列改革，积极将科研成果转化为教学案例，更新传统教学内容，增加前沿性和创新性实验项目，将近年来快速发展并广泛应用的CRISPR/Cas9 基因编辑技术引入实验教学中。

近年来，随着现代信息技术的快速发展，虚拟仿真技术已成功应用于高校生物学实验教学，并且获得了显著的教学效果[4-6]。虚拟仿真实验教学可以突破实体教学局限，拓展实验教学的广度和深度，延伸实验教学时间和空间，有效推进教学改革并提升实验教学质量[7]。为实现基因编辑综合性实验体系的教学实践，依托浙江大学生命科学学院人才培养特色和国家级生物学实验教学示范中心实验教学优势，本文构建了拟南芥CRISPR/Cas9 基因编辑虚拟仿真实验系统，以弥补实体实验教学的局限，促进学生综合实验能力的培养。

1 传统实验教学存在问题

拟南芥CRISPR/Cas9 基因编辑相关实验课程自开设以来，深受学生欢迎，然而因实体实验开展存在一些困难，目前仅开设了拟南芥基因编辑突变体鉴定的实验教学特色专题，完整的系统性实验难以在实体实验教学中完全实现，主要困难表现为：

（1）实验整体综合性强且耗时长，相关教学实践难以系统性安排完整实验技术流程，学生缺乏对该综合性实验体系的系统性认识和掌握。

（2）实验技术性强且难度大，如电击转化和花序转染实验，学生实验成功率难以保证，课时所限又难以安排多次重复实验，影响实际教学质量和效果。

（3）实验时间不固定，拟南芥种植周期长，过程长达2～3 个月，且需在水分、光照、温度、病虫害等方面进行养护管理，需占用学生较多课外时间。

（4）实验时效性强，例如花序转染法对植株生长时期有一定要求，其时效性强增加了实验教学安排和实验指导的难度。

2 虚拟仿真实验内容设计和建设

拟南芥IAA2（Indole Acetic Acid 2）基因是转录抑制蛋白Aux/IAA 家族中的一员[8]。前期科研成果表明，拟南芥野生型和IAA2 突变体在生长素敏感性和根向地性等方面具有明显的表型差异[9]。基于前期科研成果，本文设计并构建利用CRISPR/Cas9 技术获得并鉴定拟南芥IAA2 突变体的综合性虚拟仿真实验系统。系统主要包括实验原理、实验材料、实验操作等主要模块，紧紧围绕实验中“做什么、为什么做、怎么做”开展。学生可以随时通过浏览器进入网页并打开实验系统，自主学习相关理论知识和实验过程，而后进行虚拟实验操作和知识巩固，学习使用CRISPR/Cas9 技术基因编辑拟南芥，从而掌握利用CRISPR/Cas9 技术获得并鉴定突变体的方法。

2.1 引导短视频

虚拟仿真实验系统以一段“绪论式”短视频作为引导，视频简要介绍CRISPR/Cas 技术的来源、发展历程、科学意义和社会意义。“绪论式”短视频一方面帮助学生认识相关技术的科学性和前沿性以及实验教学的必要性，激发学生学习实验原理和技术的欲望；另一方面，引导学生主动独立思考和讨论相关问题，例如CRISPR/Cas 技术的迅速发展过程、该技术给科学界带来的变革、该技术引发社会广泛关注的伦理问题等。

2.2 实验原理

实验原理包括原核生物CRISPR/Cas9 系统结构和功能、CRISPR/Cas9 系统基因编辑工作原理、突变体鉴定原理等部分。学生通过图片和动画学习实验涉及的CRISPR/Cas9 系统组成、原核生物CRISPR/Cas9系统功能、T7 核酸内切酶酶切法鉴定突变体原理、PAGE 法鉴定突变体原理等相关知识点；通过三维建模和视频动画形象展示难懂的CRISPR/Cas9 基因编辑工作原理（如图 1 所示），帮助学生深刻地理解利用CRISPR/Cas9 技术开展基因编辑的工作原理。

图1 三维建模原理动画

2.3 实验材料

实验材料部分包括对模式植物拟南芥、靶点基因和基因编辑载体的介绍。学生通过对实验材料的学习，掌握拟南芥的遗传学特点、靶点基因IAA2 的功能、基因编辑载体的结构，深入理解实验意义、实验原理、实验过程和实验结果。

2.4 实验操作

实验操作是虚拟仿真实验系统的核心模块，包括拟南芥种植栽培、电击法转化农杆菌、花序转染法获取转基因植株、CTAB 法提取拟南芥基因组、PCR 法扩增靶点基因片段、靶点基因片段变性复性、T7 核酸内切酶酶切法检测突变、PAGE 法检测突变、野生型与突变体表型差异观察。学生通过虚拟仿真实验“教学模式”“练习模式”和“考核模式”3 个模式的递进式学习，掌握采用CRISPR/Cas9 基因编辑技术构建并鉴定突变体的方法。实验过程中，学生须掌握实验仪器和用具使用、实验步骤和注意事项等相关知识和技能。考虑到部分虚拟仿真实验较难充分展示操作细节的情况，特地为这部分实验加入实体实验操作视频，学生可配合实体操作视频的观看和学习，加强对实验的实体感性认识。

3 实验教学设计

拟南芥CRISPR/Cas9 基因编辑实验教学可采用“线上线下、虚实结合”的混合式教学模式[10]，如图2 所示。

图2 拟南芥CRISPR/Cas9 基因编辑实验教学设计

3.1 课前自行学习和练习

课前学生通过虚拟仿真实验系统了解实验目的和实验材料，通过动画视频、图片和文字形式学习相关原理知识；自主开展虚拟仿真实验操作学习，结合实体操作教学视频，通过多次反复练习相关实验操作，初步掌握相关实验技能，并在达到一定熟练程度后，完成线上考核。

3.2 课堂实体实验教学

实体实验课堂上，教师先组织学生进行讨论交流，并对学生有疑问的部分开展重点讲解；组织学生开展部分内容的实体实验，主要为突变体鉴定相关实验，包括拟南芥基因组提取、PCR 扩增靶基因、基因片段产物变性复性、PAGE 法鉴定突变体等。

3.3 课后巩固和评价

课后学生进行线上知识回顾和操作巩固，撰写实验报告；教师结合学生线上考核成绩和线下考核成绩进行综合评价，实现虚拟实验与实体实验在教学过程和教学评价方面的相互结合和补充。

4 实验系统的特色

4.1 依托教研结合，增强学生实践和创新能力

结合实验教学的实际经验和需求，围绕科学前沿并利用学科优势，以前期科学研究成果为依托，将前沿性科研成果转化为典型教学案例，本文设计并建设了兼具科学性和先进性的拟南芥CRISPR/Cas9 基因编辑虚拟仿真综合性实验教学系统。该系统促进了科研与教学的有机融合，拓展了实验教学内容的广度和深度，加强了学生知识技能与科学研究之间的衔接，有利于培养学生的科研实践能力和综合创新能力，符合实验教学和人才培养的需求。

4.2 注重兴趣引导，激发学生求知欲和科研兴趣

本实验系统改变了传统教学中学生被动接受的学习方式，通过启发学生思维，调动学生学习的主动性和自觉性，让学生在学习过程中独立思考，从而融会贯通地掌握知识，提高分析问题和解决问题的能力。本实验系统通过课前“绪论式”短视频启发学生对本实验科学性和前沿性的认识，激发学生求知欲；通过三维模拟动画和图片，将教学中晦涩难懂的原理变为条理清晰的视频图像，帮助学生深入理解相关知识要点；运用虚拟仿真技术，给学生接近真实的实验操作体验，充分发挥学生自主学习的主观能动性，提高学生科研兴趣和能力；配合课堂讨论和实体实验操作，进一步引导学生深入思考，培养学生科研实践能力，提升实验教学质量。

4.3 强调虚实结合，构建全面知识系统和技能体系

本实验系统注重将虚拟实验和实体实验有机融合，构建虚实结合的实验教学模式[11]。虚拟实验体现教学资源的综合性，学生通过随时随地的线上学习获得完整的知识体系并体验系统化的实验流程。实体实验侧重教师引导和实际操作体验，学生在教师指导下完成部分实体实验（图2）。虚实的有机配合有利于学生构建完整的知识体系和开展全面系统的实验训练，从而达到实验教学和科研训练的培养目标。此外，对于部分虚拟仿真实验较难充分展示操作细节的情况，在虚拟仿真实验系统中加入直观、真实的实体实验操作视频，使学生在虚拟实验过程中加强实体感性认识，进一步强化虚实结合。

5 结语

拟南芥CRISPR/Cas9 基因编辑虚拟仿真实验基于前期科研成果和实验教学经验构建，解决了遗传学实验实体教学中因其综合性强、技术性强、耗时长、难度大、时效性强而难以完全开展的困难，在提高教学质量和学生实践创新能力方面发挥重要作用。所构建的实验系统兼具科学性和前沿性，可为高校生命科学相关专业实验教学、科研训练以及相关技术部门实验培训提供优质教学资源。后续将进一步优化和完善实验内容和软硬件条件，提高共享能力并扩大共享范围，助力本领域综合创新型专业人才培养。