丁小麗

摘 要： 分子生物學(xué)是生命科學(xué)一門重要的基礎(chǔ)課程，實驗教學(xué)是分子生物學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。開展虛擬實驗，運用新興虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，解決傳統(tǒng)分子生物學(xué)實驗教學(xué)中的種種矛盾和難題，提高和完善分子生物學(xué)實驗。

關(guān)鍵詞： 虛擬實驗 分子生物學(xué) 應(yīng)用研究

分子生物學(xué)是人類從分子水平上真正揭開生物世界奧秘的基礎(chǔ)學(xué)科，是生命科學(xué)的前沿科學(xué)，對于大學(xué)生而言是一門非常重要的基礎(chǔ)學(xué)科[1]。同時，分子生物學(xué)又是一門實驗性非常強的學(xué)科，實驗教學(xué)是分子生物學(xué)教學(xué)的重點。但傳統(tǒng)分子生物學(xué)實驗教學(xué)由于實驗周期長、成本高、教學(xué)難度大等因素，限制其在高校的普遍開展。虛擬實驗技術(shù)依托“虛擬現(xiàn)實”[2]技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展起來的一種實驗?zāi)Ｊ?，起源?0世紀末。現(xiàn)在高?；酒占傲诵@網(wǎng)，基于校園網(wǎng)構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)，師生可以共享一個虛擬空間。在增強實驗教學(xué)效果、增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力和想象力等方面有顯著效果。

1.分子生物學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

（1）成本高，實驗版本低：分子生物學(xué)發(fā)展迅速，新方法、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但是新技術(shù)需要的設(shè)備、試劑耗材等非常昂貴，動輒幾十萬，普通高校無法開展相關(guān)實驗，只能多年如一日，開展老式分子生物學(xué)實驗，學(xué)生無法學(xué)到新方法，了解不了生物學(xué)前沿知識和技術(shù)。

（2）效率低，耗時長：分子生物學(xué)實驗的特點是耗時長，步驟間隔時間長。以PCR實驗為例，前期學(xué)生將引物、酶、dNTP、DNA、水等加上后，PCR儀器設(shè)定好，接下來就是幾個小時的等待時間。等PCR結(jié)果出來才能進一步電泳檢測，而電泳也是費時不少。所以，幾乎每一個分子實驗都是操作等待再操作的過程，效率很是低下。

（3）直觀感受太少，學(xué)生興趣不足。分子生物學(xué)實驗的另一大特點就是微觀操作比較多，例如，PCR反應(yīng)、酶切酶連、瓊脂糖電泳等實驗，都是微觀世界的改變，對學(xué)生而言完全沒有直觀觀察效果，學(xué)生根本無法親眼見到整個實驗的反應(yīng)過程，提不起學(xué)習(xí)興趣。

（4）實驗安全性欠缺：分子生物學(xué)涉及很多有毒有害甚至致癌的藥物試劑，學(xué)生進行實驗操作時稍不注意就會傷害自身安全，而且每個實驗均涉及有毒有害物質(zhì)的排放，將對環(huán)境產(chǎn)生不小的污染。

2.虛擬實驗可以彌補分子生物學(xué)實驗的種種不足

（1）成本低，易開展：與分子生物學(xué)實驗所需的動輒幾十萬的儀器相比，虛擬實驗室的構(gòu)建成本相當?shù)停液笃诰S護成本小，沒有器材、耗材試劑材料等的消耗。

（2）效率高：傳統(tǒng)實驗室由于種種原因，會造成儀器臺件數(shù)不足，一個班同學(xué)分成幾組操作實驗，而且學(xué)生只能在實驗室操作學(xué)習(xí)，難以反復(fù)訓(xùn)練。分子生物學(xué)實驗的特點是等待時間過長，整個過程冗長費時。虛擬實驗室解決了這些問題，即可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多人同時進入，而且在電子產(chǎn)品日益普及的今日，大學(xué)生大部分都擁有自己的電腦，讓學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)程度，任何時間都可以練習(xí)操作，熟練掌握實驗操作要點和內(nèi)容。

（3）趣味性強：虛擬實驗將實驗中肉眼無法見到的微觀世界的種種變化轉(zhuǎn)化成生動有趣的動畫模式，讓學(xué)生非常直觀地了解實驗過程到底發(fā)生了什么，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。再加上現(xiàn)在學(xué)生對電子、網(wǎng)絡(luò)等非常有興趣，虛擬實驗室的建立正迎合了學(xué)生的趣味。

（4）安全性高，對師生無傷害，對環(huán)境零污染：虛擬實驗室完全避免了化學(xué)試劑對學(xué)生身體的傷害和對環(huán)境的污染，符合中國現(xiàn)階段的發(fā)展需要。

3.分子生物學(xué)虛擬實驗室成立

根據(jù)目前普通高校的狀況，一般學(xué)校都能滿足要求，只要在實驗室原有基礎(chǔ)上購進最基本的儀器（電腦、數(shù)據(jù)采集卡等）與配套軟件，甚至可以多學(xué)科聯(lián)合，開發(fā)相應(yīng)的虛擬儀器，建立分子生物學(xué)虛擬實驗室。

4.分子生物學(xué)虛擬實驗室的應(yīng)用

（1）首先，培訓(xùn)教師熟練掌握軟硬件的操作，從而把分子生物學(xué)知識形象、生動地展現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生理解理論知識，掌握實驗操作要領(lǐng)。

（2）其次，學(xué)生可以隨時運行虛擬實驗室軟件，對整個分子生物學(xué)實驗課程進行多次復(fù)習(xí)，這樣學(xué)生對相關(guān)儀器的操作、實驗關(guān)鍵步驟的操作都能得到反復(fù)練習(xí)，從而熟練掌握整個實驗技能。并且整個虛擬實驗室氛圍安全無毒，提高安全防護意識，避免學(xué)生實際操作時手忙腳亂，造成安全隱患。并且，現(xiàn)在大學(xué)生對電子信息、網(wǎng)絡(luò)等非常熱衷，如果我們的實驗室界面設(shè)計得非常人性化和友好，那虛擬實驗肯定會最大限度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生積極主動學(xué)習(xí)的能力。

5.存在的問題及展望

（1）專業(yè)合作及技術(shù)上的問題：分子生物學(xué)和虛擬技術(shù)是兩個完全不同的研究方向，必須加強兩個不同學(xué)科研究及教學(xué)人員之間的合作和交流，才能更好地服務(wù)于虛擬實驗室。并且虛擬技術(shù)尚處于發(fā)展階段，從軟件的復(fù)雜度到運行計算機的性能要求高等都是亟待解決的問題。

（2）學(xué)生和教師必須改變學(xué)習(xí)、教學(xué)方式，改變思考問題的方式，才能適應(yīng)虛擬實驗環(huán)境。必須加強對使用者的能力培訓(xùn)，使師生都能更好更正確地操作軟件。

（3）虛擬實驗不能完全取代現(xiàn)實實驗。虛擬實驗雖然有趣、安全性高，但畢竟跟現(xiàn)實操作不一樣。兩者各有利弊，實際教學(xué)過程中應(yīng)該堅持“實際操作為主，虛擬實驗為輔”的原則。

參考文獻：

[1]朱玉賢，李毅.現(xiàn)代分子生物學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社，2002：1-3.

[2]李科峰.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在教學(xué)中的應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與用，2007（2）：73-74.