李 斌 桂 雄 甘建華
(廣西科技大學(xué)醫(yī)學(xué)部生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室,廣西 柳州 545006)
隨著新技術(shù)、新方法在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用,培養(yǎng)高水平技能型人才對(duì)教學(xué)、科研及臨床檢驗(yàn)工作越來越重要。生物化學(xué)是醫(yī)藥、生命科學(xué)等相關(guān)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課,在醫(yī)藥類技能型人才的培養(yǎng)中具有重要作用,其主要研究生命系統(tǒng)的物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律,以及這些規(guī)律在有機(jī)體中的應(yīng)用[1]。生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是通過層析、比色、電泳等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù),研究蛋白質(zhì)、酶、糖、脂、核酸等物質(zhì)及代謝過程,從而驗(yàn)證生物化學(xué)的基本理論知識(shí),同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生初步的實(shí)驗(yàn)操作能力與科研習(xí)慣[2]。但是生物化學(xué)理論知識(shí)相對(duì)抽象,實(shí)驗(yàn)操作步驟煩瑣且技術(shù)要求高,在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中往往會(huì)遇到一些問題,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗,而且學(xué)生一般沒有足夠的時(shí)間重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程,從而不能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果[3-6]。學(xué)生如何提高實(shí)驗(yàn)操作技能,提升實(shí)驗(yàn)成功率,并深刻掌握理論知識(shí),是目前生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中亟待解決的問題[7]。
基于上述原因,在以課件和示教操作為主要教學(xué)手段的常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下,本研究實(shí)施了將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)引入生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué),并通過調(diào)研問卷及考試成績(jī)等方式來測(cè)評(píng)教學(xué)效果,同時(shí)利用專業(yè)心理學(xué)量表評(píng)估虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的影響[8-11]。一方面,從理論上分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及可行性;另一方面,從實(shí)踐中探討虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用效果及評(píng)價(jià)方法。本研究通過對(duì)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課中運(yùn)用虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的混合教學(xué)法的分析,探討“虛擬+現(xiàn)實(shí)”方法在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的可行性,旨在為醫(yī)學(xué)院校培養(yǎng)高水平醫(yī)藥類技能型人才提供不同的策略。
隨機(jī)選取廣西科技大學(xué)醫(yī)學(xué)部2021級(jí)藥學(xué)專業(yè)83名本科生(具有相同專業(yè)背景、相同學(xué)情),并隨機(jī)分為兩組:進(jìn)行傳統(tǒng)常規(guī)授課的常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組(共42人,分成7隊(duì))和采用“虛擬+現(xiàn)實(shí)”模式教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組(共41人,分成7隊(duì))。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組以“實(shí)驗(yàn)空間——國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)”作為虛擬仿真練習(xí)平臺(tái)。全部實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中除虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組采用虛擬仿真練習(xí)平臺(tái)外,兩組采用統(tǒng)一的教學(xué)大綱、教材、PPT等實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料;選用相同環(huán)境實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)器械與試劑耗材等實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件;授課教師相同并且授課過程中保持教學(xué)與情感能力一致;全部實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中學(xué)生對(duì)教學(xué)研究均知情。據(jù)此,保證本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革探索具有科學(xué)意義。
根據(jù)生物化學(xué)課程教學(xué)大綱,生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課主要包括血清蛋白測(cè)定及電泳、堿性磷酸酶Km值測(cè)定、胰島素及腎上腺素對(duì)血糖濃度的影響、DNA提取及分子克隆等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。本文僅以分子克隆的實(shí)驗(yàn)章節(jié)為例,闡述虛擬仿真對(duì)現(xiàn)實(shí)教學(xué)的影響。
常規(guī)的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)模式是課堂上進(jìn)行PPT講解(或課前觀看實(shí)驗(yàn)操作視頻),然后通過教師示范,再由學(xué)生自己獨(dú)立操作實(shí)驗(yàn)。而虛擬仿真輔助現(xiàn)實(shí)的教學(xué)模式是讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)前在虛擬仿真練習(xí)平臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)操作,隨后再對(duì)學(xué)生進(jìn)行常規(guī)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué),實(shí)驗(yàn)課后,學(xué)生可繼續(xù)利用虛擬仿真練習(xí)平臺(tái)練習(xí)實(shí)驗(yàn)操作,并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)。
1.2.1 常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組教學(xué)模式
常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組學(xué)生在開課前按要求進(jìn)行1個(gè)學(xué)時(shí)的視頻觀摩及理論預(yù)習(xí)。正式實(shí)驗(yàn)開始時(shí),由教師在課堂上講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)方法與步驟等,實(shí)驗(yàn)主要涉及PCR產(chǎn)物的酶切與連接、質(zhì)粒轉(zhuǎn)化及藍(lán)白斑篩選等。教學(xué)過程中,對(duì)于特定酶等試劑,教師均會(huì)強(qiáng)調(diào)用途與劑量,并且通過課堂提問的方式增強(qiáng)學(xué)生的記憶。對(duì)于實(shí)驗(yàn)步驟中的重點(diǎn)、難點(diǎn)、細(xì)節(jié)及注意事項(xiàng),均做出標(biāo)記。講解結(jié)束后,學(xué)生開展實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)全程教師均進(jìn)行答疑并糾正學(xué)生的不當(dāng)操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生須完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析呈現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告里。
1.2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組教學(xué)模式
相比常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組的學(xué)生除了常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)外,還需提前在線上進(jìn)行1個(gè)學(xué)時(shí)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作練習(xí),在虛擬仿真操作過程中,每個(gè)學(xué)生至少重復(fù)5次~6次虛擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過虛擬仿真練習(xí),對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟甚至試劑的作用進(jìn)行系統(tǒng)性學(xué)習(xí),熟悉實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)及實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié);同時(shí),實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)內(nèi)容均出現(xiàn)在模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中,并以提問的方式促進(jìn)學(xué)生掌握細(xì)節(jié)。除此之外,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組教學(xué)模式保持一致(見圖1)。
圖1 生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組的教學(xué)模式對(duì)比
1.3.1 實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范率及實(shí)驗(yàn)成功率對(duì)比分析
本次分子克隆實(shí)驗(yàn)的大致步驟如下:質(zhì)粒構(gòu)建,酶切及連接酶連接,純化質(zhì)粒,將質(zhì)粒導(dǎo)入感受態(tài)大腸桿菌中,再將收集的工程菌涂布于加有抗生素與IPTG的平皿,隨后常規(guī)培養(yǎng)12 h~16 h,即可觀察藍(lán)白斑菌落。
在該分子克隆實(shí)驗(yàn)中,將以下操作作為實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范率評(píng)估標(biāo)準(zhǔn):(1)移液器加取微量溶液時(shí),是否懸空或者加在管壁;(2)Trans 5α感受態(tài)細(xì)胞與酶連接體系的熱激時(shí)間是否顯著不足或超過90 s;(3)涂布平皿是否規(guī)范;(4)無菌操作是否規(guī)范。并對(duì)兩組學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范率進(jìn)行對(duì)比分析。
對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言,學(xué)生實(shí)驗(yàn)的成功率是評(píng)估教學(xué)效果的最直接指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中,出現(xiàn)的白色菌落代表轉(zhuǎn)染的菌落,藍(lán)色菌落代表沒轉(zhuǎn)染的菌落。平皿中出現(xiàn)藍(lán)白斑,即表示實(shí)驗(yàn)成功。因此,每組的成功率=每組出現(xiàn)藍(lán)白斑的平皿數(shù)/每組總平皿數(shù)。最后,對(duì)兩組學(xué)生實(shí)驗(yàn)成功率進(jìn)行對(duì)比分析。
1.3.2 實(shí)驗(yàn)理論測(cè)試成績(jī)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)對(duì)比分析
依據(jù)教學(xué)大綱要求,對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行打分,同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)理論相關(guān)習(xí)題測(cè)試。針對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,主要評(píng)估實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的結(jié)果分析及對(duì)重難點(diǎn)的掌握情況。實(shí)驗(yàn)理論習(xí)題測(cè)試內(nèi)容主要包括本實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)試劑用途、實(shí)驗(yàn)儀器使用等,評(píng)估學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)的掌握情況。實(shí)驗(yàn)報(bào)告與實(shí)驗(yàn)理論測(cè)試打分均采用百分制,并對(duì)兩組學(xué)生成績(jī)進(jìn)行對(duì)比分析。
1.3.3 問卷調(diào)查及學(xué)習(xí)主動(dòng)性評(píng)估
實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)束后,以問卷調(diào)查等方式,評(píng)估學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握程度,并讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程難易程度進(jìn)行評(píng)分。同時(shí)通過專業(yè)的心理學(xué)量表評(píng)估學(xué)生對(duì)課程的興趣度。所有的評(píng)估均采用無記名問卷形式開展,并對(duì)兩組學(xué)生的調(diào)查問卷與心理學(xué)量表進(jìn)行對(duì)比分析。
采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)資料分析,實(shí)驗(yàn)計(jì)量數(shù)據(jù)以(x±s)表示。采用t檢驗(yàn),以P<0.05作為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范率及實(shí)驗(yàn)成功率結(jié)果如表1所示。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組的實(shí)驗(yàn)成功率高達(dá)95.12%,而常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組只有80.95%,兩者差異明顯。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范率也明顯高于常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組,例如,常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組規(guī)范熱激時(shí)長(zhǎng)比率只有42.86%,而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組高達(dá)100.00%,說明虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用有助于學(xué)生強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能。
表1 實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范率及實(shí)驗(yàn)成功率的比較
兩組學(xué)生實(shí)驗(yàn)理論測(cè)試成績(jī)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)的結(jié)果如表2所示。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組學(xué)生實(shí)驗(yàn)理論測(cè)試成績(jī)?yōu)椋?1.2±5.8)分,高于常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組學(xué)生的(88.3±6.7)分。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)?yōu)椋?2.6±3.2)分,高于常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組學(xué)生的(82.7±5.2)分,二者差異顯著具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。因此,引入虛擬仿真技術(shù),將虛擬實(shí)驗(yàn)室作為開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái),不僅能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解,還能促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)的掌握。
表2 兩組學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)對(duì)比(平均值±誤差,分)
分別從學(xué)生的課前學(xué)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)過程中操作情況及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)實(shí)驗(yàn)的反思方面對(duì)問卷進(jìn)行設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)束后,采用無記名投票的方式,讓學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)情況進(jìn)行反饋,共發(fā)放問卷83份,回收83份,并對(duì)學(xué)生的反饋情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),反饋結(jié)果如表3所示。其中,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組學(xué)生參與虛擬仿真進(jìn)行開放實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練,有多人在課前參與訓(xùn)練。對(duì)“課前查閱相關(guān)問題”和“課前有實(shí)驗(yàn)疑惑的人”的調(diào)查顯示,在常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組中,有5人存在疑惑,但只存在2個(gè)問題,而在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組中有高達(dá)15個(gè)問題,共18人提出了關(guān)于實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的問題,而通過在課堂內(nèi)的講解,這些問題均得到有效解決。這說明進(jìn)行虛擬仿真訓(xùn)練,可以讓學(xué)生真實(shí)感受實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展,在仿真實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題。在實(shí)驗(yàn)過程中存在疑惑的人數(shù),常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組(27人)明顯高于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組(11人),這表明通過虛擬仿真訓(xùn)練能提高學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)困惑與問題的能力。這也使得在“教師觀察時(shí)感覺緊張的人數(shù)”一項(xiàng)中,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組僅有26人感受到緊張,明顯低于常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組的35人。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,在常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組中,希望重復(fù)該實(shí)驗(yàn)的人數(shù)高達(dá)30人。經(jīng)了解發(fā)現(xiàn),這些學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)失敗的主要原因是操作問題,希望通過再次實(shí)驗(yàn)來解決這些問題。課后查閱相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料的人數(shù),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組也高于常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組,說明虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能夠提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。另外,實(shí)驗(yàn)完成后,常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組的部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)記憶不深刻,甚至已經(jīng)忘記實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié),而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組學(xué)生通過虛擬仿真訓(xùn)練,對(duì)實(shí)驗(yàn)的記憶較深刻,所以就有更強(qiáng)烈的查閱相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料的訴求。對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程,學(xué)生整體上比較滿意,但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組學(xué)生的滿意率達(dá)到97.56%,明顯高于常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組的78.57%,且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組中超過60%的學(xué)生再次上線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,這說明針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組的實(shí)驗(yàn)授課效果更好,而且該組學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力有明顯提升。
表3 兩組學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)參與感受的反饋調(diào)查問卷結(jié)果
在傳統(tǒng)的生物化學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生常因?qū)嶒?yàn)操作煩瑣枯燥、實(shí)驗(yàn)技術(shù)難度較高以及缺乏足夠多的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練機(jī)會(huì),導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳。本研究結(jié)果顯示,相比常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,基于虛擬仿真技術(shù)的開放實(shí)驗(yàn)室與線下教學(xué)結(jié)合模式具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)。
(1)有利于實(shí)驗(yàn)室開放。本科生的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),常受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)器械與試劑以及實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制,實(shí)驗(yàn)無法隨時(shí)開展或者重復(fù)開展。而基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn),能夠有效解決以上問題,給學(xué)生提供足夠多的實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間與機(jī)會(huì)。
(2)有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性及學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門相對(duì)抽象且枯燥的課程,其實(shí)驗(yàn)過程較長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)步驟煩瑣。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)過程游戲化,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)操作的體驗(yàn)感,可使學(xué)生從中獲得更多的實(shí)驗(yàn)樂趣,增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意愿從而提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組中有多人在課前參與訓(xùn)練2次以上且實(shí)驗(yàn)結(jié)束后超過60%的學(xué)生再次上線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。
(3)有利于提升實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)課程的課前預(yù)習(xí)與課后復(fù)習(xí)可視化,將抽象的實(shí)驗(yàn)方法具體化,減少了線下實(shí)驗(yàn)過程中的細(xì)節(jié)問題,提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)成功率、實(shí)驗(yàn)理論掌握程度,以及實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量,如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組學(xué)生實(shí)驗(yàn)理論測(cè)試成績(jī)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)均顯著高于常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組(P<0.05),并且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范率及實(shí)驗(yàn)成功率均高于常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組。
綜上,基于虛擬仿真技術(shù)的開放實(shí)驗(yàn)室具有開放性、趣味性等特點(diǎn),通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助現(xiàn)實(shí)教學(xué)模式,可以提高學(xué)生生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)操作能力、提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力以及提高生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[12-15],這種教學(xué)模式在實(shí)際教學(xué)中具備較強(qiáng)的可行性。更重要的是,該研究為利用虛擬仿真技術(shù)提高醫(yī)藥類技能型人才的操作水平,促進(jìn)技能型人才的培養(yǎng),提供了一定的理論支持。