霍穎異，王君暉，史 影，王國強(qiáng)，吳 敏

（1.浙江大學(xué) 國家級生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

“遺傳學(xué)及實(shí)驗(yàn)”是生物科學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)學(xué)、生物工程和生物醫(yī)學(xué)等生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力方面發(fā)揮重要作用，其教學(xué)內(nèi)容應(yīng)側(cè)重應(yīng)用并緊跟時代發(fā)展和社會需要[1]。CRISPR/Cas 系統(tǒng)是一種近年來快速發(fā)展的基因編輯技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于細(xì)菌、真菌、植物和動物的基因編輯[2]。CRISPR/Cas9 系統(tǒng)是其中研究最深入、應(yīng)用最成熟的一類，已成功在多種植物中實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)基因組編輯[3]。根據(jù)“雙一流建設(shè)”和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需要，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院對“遺傳學(xué)”和“遺傳學(xué)及實(shí)驗(yàn)”等課程開展了系列改革，積極將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，更新傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，增加前沿性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將近年來快速發(fā)展并廣泛應(yīng)用的CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

近年來，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已成功應(yīng)用于高校生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并且獲得了顯著的教學(xué)效果[4-6]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以突破實(shí)體教學(xué)局限，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間和空間，有效推進(jìn)教學(xué)改革并提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[7]。為實(shí)現(xiàn)基因編輯綜合性實(shí)驗(yàn)體系的教學(xué)實(shí)踐，依托浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院人才培養(yǎng)特色和國家級生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢，本文構(gòu)建了擬南芥CRISPR/Cas9 基因編輯虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限，促進(jìn)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問題

擬南芥CRISPR/Cas9 基因編輯相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程自開設(shè)以來，深受學(xué)生歡迎，然而因?qū)嶓w實(shí)驗(yàn)開展存在一些困難，目前僅開設(shè)了擬南芥基因編輯突變體鑒定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色專題，完整的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)難以在實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中完全實(shí)現(xiàn)，主要困難表現(xiàn)為：

（1）實(shí)驗(yàn)整體綜合性強(qiáng)且耗時長，相關(guān)教學(xué)實(shí)踐難以系統(tǒng)性安排完整實(shí)驗(yàn)技術(shù)流程，學(xué)生缺乏對該綜合性實(shí)驗(yàn)體系的系統(tǒng)性認(rèn)識和掌握。

（2）實(shí)驗(yàn)技術(shù)性強(qiáng)且難度大，如電擊轉(zhuǎn)化和花序轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)成功率難以保證，課時所限又難以安排多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，影響實(shí)際教學(xué)質(zhì)量和效果。

（3）實(shí)驗(yàn)時間不固定，擬南芥種植周期長，過程長達(dá)2～3 個月，且需在水分、光照、溫度、病蟲害等方面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理，需占用學(xué)生較多課外時間。

（4）實(shí)驗(yàn)時效性強(qiáng)，例如花序轉(zhuǎn)染法對植株生長時期有一定要求，其時效性強(qiáng)增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的難度。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)和建設(shè)

擬南芥IAA2（Indole Acetic Acid 2）基因是轉(zhuǎn)錄抑制蛋白Aux/IAA 家族中的一員[8]。前期科研成果表明，擬南芥野生型和IAA2 突變體在生長素敏感性和根向地性等方面具有明顯的表型差異[9]?；谇捌诳蒲谐晒?，本文設(shè)計(jì)并構(gòu)建利用CRISPR/Cas9 技術(shù)獲得并鑒定擬南芥IAA2 突變體的綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)操作等主要模塊，緊緊圍繞實(shí)驗(yàn)中“做什么、為什么做、怎么做”開展。學(xué)生可以隨時通過瀏覽器進(jìn)入網(wǎng)頁并打開實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，自主學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識和實(shí)驗(yàn)過程，而后進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作和知識鞏固，學(xué)習(xí)使用CRISPR/Cas9 技術(shù)基因編輯擬南芥，從而掌握利用CRISPR/Cas9 技術(shù)獲得并鑒定突變體的方法。

2.1 引導(dǎo)短視頻

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以一段“緒論式”短視頻作為引導(dǎo)，視頻簡要介紹CRISPR/Cas 技術(shù)的來源、發(fā)展歷程、科學(xué)意義和社會意義?！熬w論式”短視頻一方面幫助學(xué)生認(rèn)識相關(guān)技術(shù)的科學(xué)性和前沿性以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)的欲望；另一方面，引導(dǎo)學(xué)生主動獨(dú)立思考和討論相關(guān)問題，例如CRISPR/Cas 技術(shù)的迅速發(fā)展過程、該技術(shù)給科學(xué)界帶來的變革、該技術(shù)引發(fā)社會廣泛關(guān)注的倫理問題等。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理包括原核生物CRISPR/Cas9 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能、CRISPR/Cas9 系統(tǒng)基因編輯工作原理、突變體鑒定原理等部分。學(xué)生通過圖片和動畫學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)涉及的CRISPR/Cas9 系統(tǒng)組成、原核生物CRISPR/Cas9系統(tǒng)功能、T7 核酸內(nèi)切酶酶切法鑒定突變體原理、PAGE 法鑒定突變體原理等相關(guān)知識點(diǎn)；通過三維建模和視頻動畫形象展示難懂的CRISPR/Cas9 基因編輯工作原理（如圖 1 所示），幫助學(xué)生深刻地理解利用CRISPR/Cas9 技術(shù)開展基因編輯的工作原理。

圖1 三維建模原理動畫

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料部分包括對模式植物擬南芥、靶點(diǎn)基因和基因編輯載體的介紹。學(xué)生通過對實(shí)驗(yàn)材料的學(xué)習(xí)，掌握擬南芥的遺傳學(xué)特點(diǎn)、靶點(diǎn)基因IAA2 的功能、基因編輯載體的結(jié)構(gòu)，深入理解實(shí)驗(yàn)意義、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.4 實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)操作是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心模塊，包括擬南芥種植栽培、電擊法轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌、花序轉(zhuǎn)染法獲取轉(zhuǎn)基因植株、CTAB 法提取擬南芥基因組、PCR 法擴(kuò)增靶點(diǎn)基因片段、靶點(diǎn)基因片段變性復(fù)性、T7 核酸內(nèi)切酶酶切法檢測突變、PAGE 法檢測突變、野生型與突變體表型差異觀察。學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“教學(xué)模式”“練習(xí)模式”和“考核模式”3 個模式的遞進(jìn)式學(xué)習(xí)，掌握采用CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)構(gòu)建并鑒定突變體的方法。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生須掌握實(shí)驗(yàn)儀器和用具使用、實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)等相關(guān)知識和技能?？紤]到部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)較難充分展示操作細(xì)節(jié)的情況，特地為這部分實(shí)驗(yàn)加入實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作視頻，學(xué)生可配合實(shí)體操作視頻的觀看和學(xué)習(xí)，加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)的實(shí)體感性認(rèn)識。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

擬南芥CRISPR/Cas9 基因編輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)可采用“線上線下、虛實(shí)結(jié)合”的混合式教學(xué)模式[10]，如圖2 所示。

圖2 擬南芥CRISPR/Cas9 基因編輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 課前自行學(xué)習(xí)和練習(xí)

課前學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)材料，通過動畫視頻、圖片和文字形式學(xué)習(xí)相關(guān)原理知識；自主開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)，結(jié)合實(shí)體操作教學(xué)視頻，通過多次反復(fù)練習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，初步掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能，并在達(dá)到一定熟練程度后，完成線上考核。

3.2 課堂實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)體實(shí)驗(yàn)課堂上，教師先組織學(xué)生進(jìn)行討論交流，并對學(xué)生有疑問的部分開展重點(diǎn)講解；組織學(xué)生開展部分內(nèi)容的實(shí)體實(shí)驗(yàn)，主要為突變體鑒定相關(guān)實(shí)驗(yàn)，包括擬南芥基因組提取、PCR 擴(kuò)增靶基因、基因片段產(chǎn)物變性復(fù)性、PAGE 法鑒定突變體等。

3.3 課后鞏固和評價

課后學(xué)生進(jìn)行線上知識回顧和操作鞏固，撰寫實(shí)驗(yàn)報告；教師結(jié)合學(xué)生線上考核成績和線下考核成績進(jìn)行綜合評價，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程和教學(xué)評價方面的相互結(jié)合和補(bǔ)充。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特色

4.1 依托教研結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力

結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和需求，圍繞科學(xué)前沿并利用學(xué)科優(yōu)勢，以前期科學(xué)研究成果為依托，將前沿性科研成果轉(zhuǎn)化為典型教學(xué)案例，本文設(shè)計(jì)并建設(shè)了兼具科學(xué)性和先進(jìn)性的擬南芥CRISPR/Cas9 基因編輯虛擬仿真綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)促進(jìn)了科研與教學(xué)的有機(jī)融合，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，加強(qiáng)了學(xué)生知識技能與科學(xué)研究之間的銜接，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研實(shí)踐能力和綜合創(chuàng)新能力，符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)和人才培養(yǎng)的需求。

4.2 注重興趣引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生求知欲和科研興趣

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生被動接受的學(xué)習(xí)方式，通過啟發(fā)學(xué)生思維，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和自覺性，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中獨(dú)立思考，從而融會貫通地掌握知識，提高分析問題和解決問題的能力。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過課前“緒論式”短視頻啟發(fā)學(xué)生對本實(shí)驗(yàn)科學(xué)性和前沿性的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生求知欲；通過三維模擬動畫和圖片，將教學(xué)中晦澀難懂的原理變?yōu)闂l理清晰的視頻圖像，幫助學(xué)生深入理解相關(guān)知識要點(diǎn)；運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，給學(xué)生接近真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動性，提高學(xué)生科研興趣和能力；配合課堂討論和實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生深入思考，培養(yǎng)學(xué)生科研實(shí)踐能力，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

4.3 強(qiáng)調(diào)虛實(shí)結(jié)合，構(gòu)建全面知識系統(tǒng)和技能體系

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)注重將虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)有機(jī)融合，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[11]。虛擬實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)教學(xué)資源的綜合性，學(xué)生通過隨時隨地的線上學(xué)習(xí)獲得完整的知識體系并體驗(yàn)系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)流程。實(shí)體實(shí)驗(yàn)側(cè)重教師引導(dǎo)和實(shí)際操作體驗(yàn)，學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成部分實(shí)體實(shí)驗(yàn)（圖2）。虛實(shí)的有機(jī)配合有利于學(xué)生構(gòu)建完整的知識體系和開展全面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研訓(xùn)練的培養(yǎng)目標(biāo)。此外，對于部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)較難充分展示操作細(xì)節(jié)的情況，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中加入直觀、真實(shí)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作視頻，使學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中加強(qiáng)實(shí)體感性認(rèn)識，進(jìn)一步強(qiáng)化虛實(shí)結(jié)合。

5 結(jié)語

擬南芥CRISPR/Cas9 基因編輯虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于前期科研成果和實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建，解決了遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)體教學(xué)中因其綜合性強(qiáng)、技術(shù)性強(qiáng)、耗時長、難度大、時效性強(qiáng)而難以完全開展的困難，在提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力方面發(fā)揮重要作用。所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兼具科學(xué)性和前沿性，可為高校生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研訓(xùn)練以及相關(guān)技術(shù)部門實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)提供優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化和完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和軟硬件條件，提高共享能力并擴(kuò)大共享范圍，助力本領(lǐng)域綜合創(chuàng)新型專業(yè)人才培養(yǎng)。