李冬民，蔣小英，張 林，蔣叢珊,2，李海韻，孫 莎，鄭 芳，武麗濤，楊旭東

1.西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)系， 西安 710061；2.西安市兒童醫(yī)院 西安交通大學(xué)附屬兒童醫(yī)院， 西安 710003

“蛋白質(zhì)表達純化及其結(jié)構(gòu)解析”虛擬仿真實驗課程2018年開始建設(shè)運行，2020年獲首批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程，因“課程設(shè)計有突出特色”入選虛擬仿真實驗教學(xué)創(chuàng)新聯(lián)盟2021年實驗教學(xué)百門應(yīng)用示范課程。

蛋白質(zhì)是生物大分子，約占細胞干重的40%，是生命活動的主要承擔(dān)者，在體內(nèi)具有催化、運輸和貯存、運動、免疫防護、傳遞信息、調(diào)節(jié)代謝和基因表達等重要功能[1]。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的功能，結(jié)構(gòu)異常則可導(dǎo)致其活性的降低或喪失，進而導(dǎo)致鐮刀形紅細胞貧血癥、Alzheimer’s癥等多種疾病的發(fā)生。解析蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)，并揭示其結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，不但對于闡明疾病發(fā)病機制、基于蛋白結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)新藥物及新疫苗等具有非常重要的理論及臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用價值[2]，也是生物化學(xué)的重要研究內(nèi)容。然而，由于蛋白質(zhì)純化及其結(jié)構(gòu)解析所需的儀器設(shè)備(如全自動蛋白純化系統(tǒng)、X-射線儀、核磁共振等)成本高，試劑耗材昂貴(高成本、高消耗)，再加上教學(xué)時數(shù)不足，此類實驗“很難或根本不可能”在醫(yī)學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程“生物化學(xué)”實驗教學(xué)中為本科生開設(shè)。

隨著計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(vir- tual reality，VR)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技的迅猛發(fā)展，仿真技術(shù)與VR技術(shù)相結(jié)合的虛擬仿真技術(shù)已成為繼科學(xué)實驗、數(shù)學(xué)推理之后人類了解、發(fā)現(xiàn)自然界客觀規(guī)律的第三類基本方法，它也是一種獲取信息和知識的新媒體[3]。虛擬仿真通過創(chuàng)建與人類感官系統(tǒng)交互的虛擬空間，克服現(xiàn)實世界的空間和物理約束，為學(xué)習(xí)者提供一種身臨其境的交互體驗，在教育、醫(yī)療等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

為此，筆者利用VR、3D仿真技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了 “蛋白質(zhì)表達純化及其結(jié)構(gòu)解析”虛擬仿真實驗教學(xué)軟件，建設(shè)新時代中國金課，并將其應(yīng)用于“生物化學(xué)”實驗教學(xué)，為“卓越拔尖”人才培養(yǎng)貢獻力量[4-5]。學(xué)生通過交互式操作，切身體驗實驗室場景、儀器設(shè)備和實驗材料，探索不同實驗參數(shù)設(shè)置和實驗技術(shù)選擇對實驗結(jié)果的影響。通過完成該虛擬仿真實驗，既能有效調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性、主動性，又能激發(fā)學(xué)生舉一反三、全面思考、勇于創(chuàng)新的激情與熱情；使學(xué)生掌握蛋白質(zhì)表達純化及其空間結(jié)構(gòu)解析的研究思路、關(guān)鍵技術(shù)的原理、用途及基本操作流程，了解全自動蛋白質(zhì)分離純化系統(tǒng)等相關(guān)儀器的操作說明及注意事項；進而提升學(xué)生對所學(xué)知識和技術(shù)的理解與應(yīng)用，極大地提高學(xué)生解決實際問題和復(fù)雜問題的綜合能力。

1 虛擬仿真實驗課程介紹

1.1 虛擬仿真實驗課程的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)及安全要求

該虛擬仿真實驗的有效鏈接網(wǎng)址為http://pe- psa.ilab.xjtu.edu.cn/home/；支持50個學(xué)生同時在線并發(fā)訪問和請求；Windows 7及以上的客戶端計算機操作系統(tǒng)均可；對用戶計算機或其他計算終端特殊外置硬件(如可穿戴設(shè)備等)無要求；支持火狐、Google、edge等64位瀏覽器，不需要特定插件，不要求其他計算終端非操作系統(tǒng)軟件配置。項目系統(tǒng)已完成二級國家信息安全等級保護。

1.2 虛擬仿真實驗課程的實驗內(nèi)容、原理及其操作說明

“蛋白質(zhì)表達純化及其空間結(jié)構(gòu)解析”虛擬仿真實驗以凝血因子Ⅷ(分子量大于100 kDa，適用于X射線衍射晶體學(xué)解析其空間結(jié)構(gòu))為例，包含了從DNA測序鑒定重組質(zhì)粒、真核表達、親和層析法純化目的蛋白(即凝血因子Ⅷ)到X射線衍射晶體學(xué)分析其空間結(jié)構(gòu)的綜合性虛擬仿真實驗，其基本流程如圖1所示。

圖1 蛋白質(zhì)表達純化及其結(jié)構(gòu)解析虛擬仿真實驗的基本流程

1.2.1虛擬仿真實驗課程的實驗內(nèi)容及交互操作步驟

該虛擬仿真綜合性實驗包括DNA測序鑒定重組質(zhì)粒、真核表達重組凝血因子Ⅷ、親和層析法純化目的蛋白(即凝血因子Ⅷ)和分析蛋白空間結(jié)構(gòu)四個模塊，每個模塊的實驗內(nèi)容、交互性操作步驟、培養(yǎng)科研思維的步驟以及學(xué)時分配如表1所示。

表1 該虛擬仿真綜合性實驗的實驗內(nèi)容、交互操作步驟及學(xué)時分配

1.2.2虛擬仿真綜合性實驗的實驗原理和知識點

該虛擬仿真綜合性實驗所涉及的實驗原理和知識點包括：①DNA測序(雙脫氧法)的原理、用途和基本操作流程；②表達載體的種類及特點；③Flp-FRET技術(shù)的原理和真核表達的操作過程；④親和層析技術(shù)純化蛋白質(zhì)的原理、用途和操作流程；⑤X射線衍射結(jié)晶學(xué)技術(shù)分析蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的原理、用途和操作流程；⑥冷凍電鏡三維重構(gòu)技術(shù)分析蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的原理、用途和操作流程(后期規(guī)劃建設(shè))；⑦核磁共振波譜解析蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的原理、用途和操作流程(后期規(guī)劃建設(shè))。

1.2.3虛擬仿真綜合性實驗的操作說明

進入虛擬實驗程序場景后，首先出現(xiàn)實驗室場景界面，界面有提示菜單項，學(xué)生點擊菜單項提示即可進行實驗操作。例如，點擊“設(shè)備介紹”菜單按鈕，學(xué)生即可對設(shè)備的名稱及其功能特點進行學(xué)習(xí)，熟悉DNA測序等仿真實驗中所要用到的主要儀器設(shè)備(如高速離心機、純水儀、PCR儀、DNA測序儀等)及試劑等(如圖2所示)。

圖2 “虛擬仿真實驗中所用的主要儀器設(shè)備簡介”界面截屏

點擊“設(shè)備觀察”菜單按鈕，可任意點擊“設(shè)備”“試劑”進行360°不同角度翻轉(zhuǎn)觀察，了解設(shè)備構(gòu)成及其工作原理。待熟悉設(shè)備后，點擊“我要做實驗”菜單按鈕，然后按照操作實驗指引即可進行DNA測序鑒定重組質(zhì)粒等模塊的相關(guān)實驗操作。

2 虛擬仿真實驗課程的實施

2.1 虛擬仿真實驗課程的軟件系統(tǒng)

該軟件系統(tǒng)由課程實驗仿真平臺和虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)兩部分組成：實驗仿真平臺采用虛擬技術(shù)仿真實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境；虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)提供全方位的虛擬實驗教學(xué)輔助功能，包括實驗前的預(yù)習(xí)、實驗的開課管理、實驗教學(xué)安排、實驗過程指導(dǎo)、實驗結(jié)果批改、實驗成績統(tǒng)計查詢等功能，為實驗教學(xué)環(huán)境提供服務(wù)并開展應(yīng)用。

2.2 虛擬仿真實驗課程的實施目的

該虛擬仿真實驗旨在建立一個既有利于學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)，又便于線上線下混合教學(xué)，并可對學(xué)習(xí)效果進行評估的虛擬仿真實驗軟件系統(tǒng)，希望通過該軟件系統(tǒng)可以增強學(xué)生學(xué)習(xí)的靈活性、積極性、主動性，并及時解決學(xué)習(xí)中的問題，最終提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。

2.3 虛擬仿真實驗課程的實驗教學(xué)方法

該虛擬仿真實驗采用“學(xué)生自主學(xué)習(xí)與過程考核相結(jié)合、拓展任務(wù)導(dǎo)向的小組協(xié)作學(xué)習(xí)(RBL/TBL)與形成性評價相結(jié)合”的教學(xué)方法，目的是調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性，自主學(xué)習(xí)延伸拓展的“生物化學(xué)”實驗教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和效果；同時，通過學(xué)生合作式、探究式學(xué)習(xí)完成相關(guān)任務(wù)，培養(yǎng)其舉一反三、學(xué)以致用、解決復(fù)雜問題的綜合能力及團隊協(xié)作精神。

①學(xué)生自主學(xué)習(xí)與過程考核相結(jié)合線上設(shè)置有簡介視頻、操作引導(dǎo)視頻、各仿真實驗的實驗指導(dǎo)(包括實驗原理、用途以及基本操作流程等)、虛擬仿真實驗交互操作、自測題、拓展學(xué)習(xí)資料等。學(xué)生利用碎片時間可預(yù)先自主學(xué)習(xí)該仿真實驗的簡介視頻、操作引導(dǎo)視頻、實驗指導(dǎo)等，每學(xué)完一個仿真實驗的實驗指導(dǎo)并提交后，可獲一定得分；然后交互操作每一個仿真實驗，完成提交，可獲一定得分；最后通過自測題(主要為選擇題)檢驗其自主學(xué)習(xí)效果。拓展學(xué)習(xí)資料包含一些儀器設(shè)備使用說明、注意事項、相關(guān)的教學(xué)參考書、實驗指導(dǎo)書等，拓展學(xué)習(xí)部分不計入實驗成績。

該虛擬仿真實驗不但延伸了“生物化學(xué)”實驗教學(xué)內(nèi)容的深度及廣度、拓展了學(xué)生實驗操作的時間和空間；另一方面，線上均由學(xué)生自主安排學(xué)習(xí)、仿真操作、自測等的時間，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。同時，對學(xué)生線上實驗指導(dǎo)、仿真交互操作、自測等進行過程考核，可以督促學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)，促使其學(xué)習(xí)由被動變主動，并充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性。因此，線上的過程考核督導(dǎo)了學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)的全過程，不僅保證了自主學(xué)習(xí)效果，而且促進學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。

②拓展任務(wù)導(dǎo)向的小組協(xié)作學(xué)習(xí)(RBL/TBL)與形成性評價相結(jié)合對于應(yīng)用與拓展能力培養(yǎng)方面，筆者采用拓展任務(wù)導(dǎo)向的小組協(xié)作學(xué)習(xí)模式，即RBL(research based learning)、TBL(team-based learing)教學(xué)法。教師圍繞該仿真實驗，提前2周布置小組學(xué)習(xí)任務(wù)，如“選擇感興趣的蛋白質(zhì)，根據(jù)其特點，撰寫解析該蛋白質(zhì)的研究方案”或“選擇近三年發(fā)表的解析某個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究論文，總結(jié)文中解析該蛋白質(zhì)的研究思路、流程等”；要求同班4～5名學(xué)生組成一個學(xué)習(xí)小組，每組可任選一題，小組成員分工合作進行資料查閱、探究、討論、撰寫研究報告并提交。教師根據(jù)研究報告展示的情況，評價每組學(xué)生的應(yīng)用與拓展成績。

RBL教學(xué)法是以研究或探究為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)；TBL教學(xué)法則強調(diào)的是以團隊為基本單位，以學(xué)生為主體，教師主要起引導(dǎo)作用的醫(yī)學(xué)教學(xué)模式。采取RBL、TBL教學(xué)法充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心、以教師為引導(dǎo)的教育思想，主要是讓學(xué)生能對所學(xué)的虛擬仿真實驗舉一反三、學(xué)以致用，拓展其所學(xué)的知識和技術(shù)。

2.4 虛擬仿真實驗課程的評價體系

2.4.1評價體系的組成、考核內(nèi)容、分值及評分說明

“蛋白質(zhì)表達純化及其結(jié)構(gòu)解析”虛擬仿真實驗的評價體系采取“過程考核+形成性評價”的評價體系?！斑^程考核”由5個考核過程構(gòu)成，共計100分。其中，預(yù)習(xí)20分，實驗操作40分，實驗報告10分，研究報告10分，自測題20分。

2.4.2虛擬仿真實驗課程的成績記錄

①虛擬仿真實驗成績的記錄方式及導(dǎo)出學(xué)生每完成一個學(xué)習(xí)或操作任務(wù)后，系統(tǒng)會自動統(tǒng)計并顯示各過程得分；在網(wǎng)站導(dǎo)航欄里點擊“虛擬仿真實驗成績”即可看到各過程完成情況及成績(如圖3所示)。目前，該虛擬仿真實驗課程的成績記錄由技術(shù)支持人員從后臺導(dǎo)出。

圖3 虛擬仿真實驗成績單截屏

②虛擬仿真實驗成績的應(yīng)用該虛擬仿真實驗成績按“百分制”登記。各應(yīng)用高校可根據(jù)學(xué)校的實際情況，按不同權(quán)重計入相關(guān)課程(如“生物化學(xué)”“分子生物”“結(jié)構(gòu)生物學(xué)”等)的總成績。例如，該虛擬仿真實驗成績占西安交通大學(xué)“生物化學(xué)”課程總成績的10%，并在試卷裝訂中裝訂全班學(xué)生的“蛋白質(zhì)表達純化及其結(jié)構(gòu)解析虛擬仿真實驗”成績記錄單。

3 虛擬仿真實驗課程的應(yīng)用與效果

該虛擬仿真實驗課程于2018年開始建設(shè)運行，截至2022年5月30日，國家ilab-x.com實驗空間網(wǎng)站統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：實驗瀏覽量為47 878人次；做實驗人數(shù)2784人；其中，優(yōu)秀2766人，達標(biāo)9人，不達標(biāo)9人。校內(nèi)外應(yīng)用情況具體如下：

3.1 虛擬仿真實驗課程在西安交通大學(xué)的應(yīng)用情況

該虛擬仿真實驗作為學(xué)校“生物化學(xué)”教學(xué)的一部分，自2018年開始建設(shè)運行以來，已在學(xué)校臨床(規(guī)培)、法醫(yī)、預(yù)防、口腔、藥學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床藥學(xué)、宗濂醫(yī)學(xué)實驗班等專業(yè)2018—2019學(xué)年(579人)、2019—2020學(xué)年(589人)、2020—2021學(xué)年(638人)、2021—2022學(xué)年(898人)的第二學(xué)期開展了蛋白質(zhì)表達純化及其結(jié)構(gòu)解析虛擬仿真實驗，合計2704人。

隨著虛擬仿真實驗的開展實施，學(xué)生“生物化學(xué)”成績有了明顯提升，尤其是70～89分段學(xué)生人數(shù)明顯增加。另外，學(xué)生的實驗操作能力、動手能力、分析問題、解決問題，以及創(chuàng)新能力明顯提高。學(xué)生參加“全國大學(xué)生基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新論壇暨實驗設(shè)計大賽”等比賽的人數(shù)及成績逐年提高。例如：2018年西安交通大學(xué)2名學(xué)生分別榮獲“第五屆全國大學(xué)生基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新論壇暨實驗設(shè)計大賽”創(chuàng)新類和實驗類一等獎；2019年學(xué)校由6名學(xué)生組成的醫(yī)學(xué)部代表隊經(jīng)過線上答題和線下操作兩輪比賽，以總分位列第一名的好成績(共23支隊伍參賽)獲得“全國大學(xué)生基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗技能邀請賽”一等獎。

3.2 該虛擬仿真實驗課程共享應(yīng)用情況

截至2022年5月30日，國家ilab-x.com實驗空間網(wǎng)站統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：共有31所高校的學(xué)生使用過該虛擬仿真實驗課程，其中雙一流高校10所(C9學(xué)校5所)，其他高校21所。

4 總結(jié)與展望

虛擬仿真技術(shù)是人類發(fā)展史上的一個里程碑，它用以前不可能的方式來表達思想概念，而且也正在全力發(fā)展成為人類認識客觀規(guī)律、改造和創(chuàng)造客觀世界的一項具有通用性、戰(zhàn)略性的技術(shù)[3]。虛擬仿真實驗教學(xué)運用計算機打造虛擬可視化仿真實驗環(huán)境，并對虛擬實驗設(shè)備實施操控，實現(xiàn)虛擬仿真實驗操作[6]，這種虛擬仿真實驗教學(xué)教學(xué)方式不僅極大地延伸了生物化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容的深度及廣度，也拓展了實驗操作的時間和空間；培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，促進其養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。

“蛋白質(zhì)表達純化及其結(jié)構(gòu)解析”虛擬仿真實驗運行應(yīng)用以來，取得了一定的成績，但還存在以下不足：比如學(xué)生交互操作的步驟還不夠多；在虛擬實驗環(huán)境下，仿真操作實驗中缺乏練、考環(huán)節(jié)；學(xué)生成績不能按需求導(dǎo)出。另外，從上述數(shù)據(jù)可以看出，完成該虛擬仿真實驗課程所有教學(xué)環(huán)節(jié)的主要是西安交通大學(xué)的學(xué)生，陜西省境內(nèi)其他高校學(xué)生完成實驗部分的學(xué)生人數(shù)較多，而外省市其他高校只完成小部分實驗的人數(shù)較多。這也提示與其他企業(yè)或高校形成常態(tài)化課程共享機制非常重要。

今后，筆者計劃將“蛋白質(zhì)表達純化及其結(jié)構(gòu)解析”虛擬仿真實驗更新為V2.0版本，增加學(xué)生交互操作步驟，在虛擬實驗環(huán)境的仿真操作實驗中增加練、考環(huán)節(jié)；學(xué)生成績可由課程負責(zé)人或教學(xué)支持人員按需求自主導(dǎo)出；線上開課，能對所學(xué)課程進行認定，頒發(fā)修課證書。希望在后期的建設(shè)中，對于該虛擬仿真實驗課程成績可單獨作為選修課計分。

2020年的新冠肺炎疫情迫使線下教育無法正常開展，在線教育的普及向前推進了5～10年，在線教育模式逐漸為大眾所接受[7]。2019年教育改革方案中強調(diào)“通過互聯(lián)網(wǎng)促進教育公平”，讓偏遠地區(qū)的孩子可以享受到大城市一樣公平而有質(zhì)量的教育?！暗鞍踪|(zhì)表達純化及其結(jié)構(gòu)解析”虛擬仿真實驗課程對用戶計算機或其他計算終端特殊外置硬件(如可穿戴設(shè)備等)、計算終端非操作系統(tǒng)軟件配置均無特殊要求，也不需要特定插件，支持Windows 7 及以上的操作系統(tǒng)，以及常規(guī)的64位瀏覽器(如火狐、Google、edge等)。因此，借助“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的方式更容易線上推廣應(yīng)用[8-9]，借助升級后的國家ilab-x.com實驗空間、慕課西行-同步課堂等平臺將會使更多學(xué)生從中受益。

同時，西安交通大學(xué)非常重視國際化課程建設(shè)，為滿足教育部MBBS來華留學(xué)生、政府獎學(xué)金留學(xué)生，以及其他英語為母語人員的學(xué)習(xí)要求，筆者將對“蛋白質(zhì)表達純化及其結(jié)構(gòu)解析”虛擬仿真實驗課程資源進行全面優(yōu)化、提質(zhì)，升級課程內(nèi)容，增加英文版本，以使課程更好地服務(wù)于國內(nèi)、國際學(xué)生，為世界各國大學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的在線課程資源[10]。