基于虚实结合的分子生物学实验教学初探及成效研究

1、基于虚实结合的分子生物学实验教学初探及成效研究摘 要：随着我国虚拟实验建设工作的开展，如何将虚拟仿真技术应用到教学中，已成为一个重要的研究课 题。以华中师范大学生物学国家级虚拟仿真实验教学中心在分子生物学实验的虚实结合教学应用研究为例， 从教学内容安排、教学过程设计两方面阐述了虚实结合实验教学体系的构建方法；并采用定量评估和定性评 估相结合的方法，探讨了 “虚实结合的教学效果、“学生对虚实结合教学体系的评价”问题。研究结果显示 虚实结合的教学方式提升了学生的学习兴趣和学习主动性，对教学效果有积极的影响。关键词：分子生物学；虚拟仿真；实验教学；教学效果评估Preliminary explorat

2、ion and effectiveness study of molecular biologyexperimental teaching based on combination of virtualization and realityAbstract: With the development of virtual experiment construction in China，how to apply virtual simulation experiment to teaching becomes an important research topic. Taking the ap

3、plication of molecular biology experiment teaching based on combination of virtualization and reality in Virtual Simulation Experiment Teaching Center for Biology of Central China Normal University as an example，this study introduces how to arrange the teaching content and design the teaching proces

4、s to build the experimental teaching system combining virtualization with reality. Using the quantitative evaluation and qualitative evaluation methods，we investigated the problems like the teaching effect of the combination of virtualization and reality，and the students feedback on the teaching sys

5、tem of combining virtualization with reality ( . The results show that the teaching method with the combination of virtualization and reality can enhance students learning interest and initiative，and have a positive impact on the teaching effectiveness.Key words: molecular biology; virtual simulatio

6、n; experimental teaching; teaching effectiveness evaluation1研究课题的背景虚拟仿真技术起源于国外学者Jaron Lanier在上 世纪80年代提出的“虚拟现实(virtual reality)”概念， 是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统E。 虚拟仿真实验则是指在以网络技术、计算机技术以及 其它辅助设备为支撑所开发的虚拟实验组件上，模拟 li和再现真实的实验场景和实验过程的一种实验方式它可以轻易地实现真实世界中由于距离远、 操作危险、难以观察、难以重复、成本高昂、空间局促, 或者根本不可能开展的各种实验。随着信息技术 的发展，国内

7、外一流大学已经建成相当大规模的虚拟 实验室，应用于包括生物、建筑、航空、国防等多个学 科领域的实践教学当中凿（。分子生物学作为一门 科学性强、技术先进、实验难度高的学科,对一些实验 环节进行虚拟化改造也提出了需求。近年来，教育部在东北师范大学、华中师范大 学、四川大学、扬州大学、西北农林大学等高校的生 物类专业,设立了国家级虚拟仿真实验教学中心,并 开展了相关建设工作。华中师范大学生命科学学院 作为首批设立的生物学国家级虚拟仿真实验教学中 心,积极开展生物学虚拟仿真实验室建设工作，根据 人才培养方案和真实实验教学对开设虚拟实验的需 求,在充分调研的基础上，建成了包括分子生物学、 生物形态学、动

8、物生理及人体解剖学等在内的多个 虚拟仿真模块3刃。大批优秀的虚拟实验资源被 开发出来，然而，如何将虚拟仿真实验应用在教学之 中,更好地发挥其优越性，同传统教学方式进行优势 互补，是一个亟需探索的问题。本文将介绍华中师 范大学生命科学学院团队近两年来在分子生物学虚 实结合教学应用上进行的探索和思考，并分析虚实 结合教学模式下的教学成效，以期对虚拟仿真建设 及高校实验教学改革有所促进2分子生物学虚实结合实验教学体系的构建2.1教学内容安排“分子生物学实验”课程教学旨在帮助学生理 解分子生物学实验技术原理，熟悉实验操作,领会分 子生物学实验技术在科学研究中的实际应用，进而 学习如何通过分子生物学实验

9、技术解决科学问题和 揭示生命现象。在教学内容安排上，我们根据研究 型分子生物学实验教学大纲、学习目标、学生基础及 课时安排,以任峰等编著、华中师范大学出版社出版 的分子生物学实验教程教材为参考，依托生物学 国家级虚拟仿真实验教学示范中心一分子生物学虚 拟实验平台，精选分子生物学实验内容11项，包含 DNA提取、PCR技术、DNA分子凝胶电泳技术、大 肠杆菌感受态细胞制备、大肠杆菌转化、重组克隆筛 选与鉴定、质粒提取、质粒酶切分析、DNA凝胶回收 等关键分子生物学技术。每个实验内容均对应有实 体实验操作和虚拟仿真实验项目（如表1所示），所 有实验内容环环相扣，形成一个连续性的实验体系， 帮助学生

10、系统性地训练分子生物学实验技能和培养 基本的科研素养。表1虚实结合实验内容安排方案序号实体项目虚拟项目1植物组织DNA片段提取及纯化植物DNA提取2PCR克隆目的基因PCR扩增EGFP编码序列3PCR产物琼脂糖凝胶电泳PCR产物琼脂糖凝胶电泳4目的片段与载体的连接DNA连接5E. coli DH5a感受态细胞制备大肠杆菌感受态细胞制备6连接产物转化大肠杆菌重组质粒和转化大肠杆菌7阳性克隆的筛选与鉴定阳性克隆的筛选鉴定?重组质粒的提取重组质粒提取9质粒酶切质粒双酶切鉴定10电泳分析酶切产物琼脂糖凝胶电泳11DNA凝胶回收切胶回收2.2虚实结合的教学模式设计验课堂教学的基础上，为学生提供大量与实验

11、项目3分子生物学“虚实结合教学候式是仕头价头相关的电子资源、虚拟仿真实验等在线资源，以方便卷面评分60%实验报告 里分卷面评分60%实验报告 里分20如学生通过互联网自主进行实验的预习、复习以及过 程性实验考核评价。学生通过电子资料以及虚拟仿 真平台，熟悉实验仪器的使用方法、实验技术原理以 及在现实中的应用策略;利用真实实验操作验证实 验方法并解决实际问题;使用虚拟仿真平台复习实 验内容并训练实验技能（如图1所示）。在这一过 程中，学生的学习能力、动手能力和思考问题、解决 问题能力将得到有效的锻炼与提高限制性准入课堂前课堂内通过虚拟实验操作，复习实验 MU限制性准入课堂前课堂内通过虚拟实验操作

12、，复习实验 MU考实验中出现的问题教师检查预习结果,确认学习 难点，并在授课时着重讲解学生分组完成实验项目验和虚掀实验菌卖验结果，撰写实验报告.学生注册 .教师批准.预习课木、电子资料 虚拟实验操作图1虚实结合教学模式流程图虚实结合教学模式的实施步骤如下。2.2.1 限制性准入课程开始前，学生访问国家级生物学虚拟仿真 平台，注册个人账号，管理员教师审核通过后，学生 即可登录学习虚拟仿真资源。2.2.2课前预习教师提前12周发布与实验内容相关科学问 题，学生通过预习教材和电子资料，分析和思考问题 的解决思路，并给出解决方案。之后,在线完成指定 虚拟实验项目内容,针对之前的科学问题，进行验证 性、

13、设计性操作（如图2所示）。在此过程中，教师 可全面监控学生虚拟实验的完成情况，并通过虚拟 仿真平台对学生进行个性化指导。学生通过自主性 在线学习，充分理解实验原理和相关实验技术方法, 熟悉实验仪器使用步骤,为实际实验项目做好准备。图2虚拟仿真实验操作画面情况，依据学生的反馈意见以及虚拟平台错误记录 确定当次实验项目重难点，并在教课时着重进行讲 解。随后,学生以小组或个人为单位完成实验，通过 小组讨论的方式解决在实验中遇到的问题。课后巩固学习学生完成实验课堂的实践操作后，结合实际实 验操作过程中的问题，带着问题再次完成虚拟实验 操作，通过复习来加深对实验技术和实验原理的掌 握，反思实验过程中的错

14、误，加强对实验结果的分析 能力。最后，学生依据实体和虚拟实验内容,完成实 验报告的撰写，报告包含实验目的、实验原理、实验 步骤、实验结果、结果分析、思考题、实验感触等多方 面内容。考核课程结束后，依据虚拟仿真操作占比10%、实 体实验课堂表现占比10%、实验报告评分占比20% 以及卷面考试占比60%的计算准则,综合评比出学 科成绩。3分子生物学虚实结合实验教学效果的评估为了科学地检验分子生物学虚实结合教学模式 在实验教学实践中是否有成效，检查学生对基本实 验技能的掌握情况和运用理论知识的能力及科学思 维能力培养的情况，同时帮助实验教师更深入地认 识虚拟仿真的优势，积极改进教学方法，提高教学和

15、管理水平。本研究参考了国内外学者对特定教学方 法进行效果评估的方法1011,进行了定量和定性 评估。3.1定量评估为对虚实结合教学模式的教学效果有一个客观 的评价，研究采用前后测的评价方法,即在相等的课 时内，通过纸质试卷考核，比较传统和虚实结合这两 种教学方法的教学效果差异。3.1.1实验对象的选择“分子生物学实验”课程是生物专业的专业必 修课,面向大学二年级学生开设。实验选取的对象 是华中师范大学生命科学学院2015级本科师范生 班级的两个平行自然班。开课前三周，学生通过教 务处的选课平台进行选课，选课时学生看到的信息 仅上课时间段不同，随机分配的虚实结合教学组 （VR教学组）有28位学生

16、，授课时间为每周二第 14节课,传统教学组有30位学生，授课时间为每 周五第1114节课。2.2.3课堂实践操作3.L2前后测试卷的编写教师通过课堂提问或者自由讨论检查学生预习为了摸清学生的初始水平，实验课教师从细胞图4学生在线完成虚拟实验的时间分布上时间段（如图4所示）。图4学生在线完成虚拟实验的时间分布上时间段（如图4所示）。*、壬欠皿瑟Y廿女皿赧Y生物学、遗传学、分子生物学、生物化学等多门专业 课抽取知识点编入试题库，经计算机随机选取15 题,作为前测统一试卷。随后,依据分子生物学实验 课前5次实验内容，抽取知识点编写成后测统一试 卷，同样为15题。3.1.3实施方法第1次实验课上，VR

17、教学组和传统教学组当 堂完成前测试卷。经过4周的差异性教学，即在第 25次实验课上，对传统教学组采用传统的实验课 教学方式（课前预习一课堂学习一实验报告撰写）， 对VR教学组则采用虚实结合的教学模式（参见 2. 2）,在第6次实验课上完成后测试卷。3.1.4考试成绩统计分析传统教学组（CIT）和VR教学组（VRIT）的前后测 考试成绩通过SigmaStat软件进行统计学分析，依据数 据是否符合正态分布，来采用I检验或者Mann-Whitney Rank Sum检验，统计学结果如图3所示,*表示 30.05,N表示班级人数,bar值表示标准误差。前测数据分析显示VR教学组学生成绩相对于 传统教学

18、组显著偏低，该结果意味着VR教学组学 生的生物背景比传统教学组薄弱。这是由于人为不 可控的分班不均匀，导致传统教学组与VR教学组 学生的初始学科水平不一致（如图3A所示）o通过 区别性的教学手段对待，原本水平较差的VR教学 组学生成绩能够赶超传统教学组班级（如图3B所 示）!这暗示虚实结合的教学模式相对于传统的教 学模式,有一定优势，能够提高学生的学习效果，对 提高学生的成绩有积极的作用。图3传统教学组和VR教学组前测后测成绩统计图过虚拟仿真实验平台网站后台，监测各个虚拟实验 项目学生的学习数据，包括学生学习进度、学习成 绩、学习时间等。我们统计了综合型虚拟仿真实验 “真核细胞高效表达系统的构

19、建与应用”（该综合型 实验包括了表1中虚拟仿真项目2、3、4、9、10、11的 内容）的学习数据，统计发现,学生确实利用了一周 中的各个时段进行学习，一天中学习的高峰期为晚统计学生对虚实结合教学体系的调查问卷发 现,大多数学生认为现有的虚拟仿真实验资源丰富、 场景真实度高、画面设计生动形象、操作流畅性高, 其综合体验满意度达69.5%（如图5A所示）o此 外，统计还发现，大多数学生认为虚实结合的教学模 式能够提高他们的学习兴趣，对于帮助他们把握实 验原理、解决实际实验问题、熟悉实验器材、培养独 立操作能力等有促进作用（如图5B所示）o这与虚 实结合的教学初衷相一致，也同之前关于虚拟仿真 技术有助于提高学生学习体验的研究结果相一一 致口2-$4。同时,学生对现有的虚拟仿真实验也提出 了几点建议:需增加关键操作步骤的解释说明或提 示框，加深对实验原理的理解;需在实验中以及实验 结束后加入测试环节，帮助学生对知识点进行查漏 补缺;改变实验中部分文字的大小及颜色增加辨识 度等等。这些建议为后续虚拟仿真实验的建设与完 善提供了依据。总之，从定性评估的结果来看，通过 在线虚拟实验，学生能更积极主动的学习，对知识点 和技能的掌握更加牢固。图5图5虚实结合教学方式的学习体验反馈3.2定性评估教学效果评估除了定量化的方法，还需要使用 问卷调查的方式来进行定性评估，来获得学生对虚 实结合教学的体