虛擬實驗論文：生化仿真實驗運用探究
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本文作者：梁亦龍盧利平范歡曾垂省張繼承作者單位：重慶郵電大學生物信息學院
驗證性實驗強調證明科學事實、概念、理論的活動，通過完整的實驗框架和實驗過程的完成，重新驗證實驗結果是否達到原理所描述，目的重在使學生理解和掌握這個實驗，以達到熟悉生物相關原理的目的。一般常規是通過介紹相關原理，回顧重要的概念，再介紹實驗步驟分析實驗結果，提出注意事項，或針對學生普遍容易出現錯誤的實驗操作進行示范，最后引導學生科學結論驗證。
(1)驗證性虛擬實驗網頁組成驗證性虛擬生物化學實驗室的網頁頁面由圖1所示。(2)實驗例證基因體外擴增技術(PCR實驗)①原理:先圖示或動畫PCR原理、過程和應用，并解釋相關概念，包括引物、DNA聚合酶、核苷酸、模板等基本概念。②樣品、材料準備:包括相關試劑、PCR儀、手套、無菌操作臺、槍、槍頭等，并配上相關圖片。③PCR擴增:包含PCR過程、結果，用動畫和圖片，充分讓學生了解其原理和過程。④PCR結果檢測:對出現的結果分別進行分析。有單一條帶是表明PCR是特異性擴增，無條帶可能是什么原因，條帶不單一可能是什么原因，每一結果都用不同的圖片來顯示給實驗者，讓學生在虛擬情況下就能分析實驗結果。用虛擬PCR儀代替傳統儀器來進行數據處理，觀察和分析實驗結果，結合實驗圖片或動畫將每個步驟的過程展現給實驗者，把每個步驟中容易出錯的部分給標記出來，并對實驗的不同結果進行分析，這樣能有效地幫助學生理解問題并對錯誤操作有感性認識。
綜合性虛擬實驗教學組成
虛擬實驗室也可增加綜合性實驗。在虛擬實驗室中，嘗試用已有的報道的研究資料作為綜合實驗的來源。將生物實驗研究的學習置于探究的背景下，將綜合性實驗已有報道看成“問題是什么”，“用何種實驗能回答這個問題”，“如何設計實驗進行驗證”，也就是“What?How?Why?”從而重視在探究過程中獲得綜合素質的提高，使科學知識能在不斷的設問中得到升華。(1)綜合性虛擬實驗網頁組成本實驗室所作的綜合性實驗網頁如圖2所示。其中研究文獻包括本實驗的研究報告及相關文獻。綜合性實驗還可通過讓學生自由選題，設定實驗方案后，利用虛擬儀器進行實驗，并作出結果預測，從而來提高學生的創新和科研能力。(2)實驗例證研究干旱對植物抗氧化酶的影響［6］。①寫出本實驗的研究背景，研究目的。首先闡明植物受不良外因影響后，會出現的各種現象。研究干旱地方植物抗旱生理生化狀況，對干旱地方植被恢復奠定良好的理論基礎。開展植物抗旱的生理抗(耐)性機理能為植物物種栽培提供依據。②列出實驗的假設，并據此設計實驗過程。植物在不良環境，會出現相應生理生化變化，測定相應氣體交換參數，測定相關的抗氧化酶的活性變化。各種抗氧化酶在生物體中的作用，并分別寫出相關酶的測定方法。③結果分析。對不同狀態下的結果進行分析。④后續實驗的進一步完善。對實驗證明不完善的地方加以分析，并提出完善的方法，運用多種實驗方法加以改進研究。本實驗則可以在測定生理生化變化后，進一步進行基因表達的研究，檢測不同條件下基因表達的變化。再將相關的文獻附上［7－9］，即可讓學生明白研究具體課題的一個基本步驟，為其今后的科研打下良好的實驗基礎。本實驗室的綜合性實驗包括植物的抗氧化酶研究、內生菌的抗菌物質提取、多糖的抗腫瘤研究等8個實驗。這些實驗，通過選取不同的實驗材料，采用不同的實驗方法，讓學生對科學研究的過程有一個深入的了解，能彌補簡單的獨立實驗不足，對學生今后的更進一步的深造打下堅實基礎，效果顯著。學生普遍反映對其生物化學知識有了深入的了解，并對科研論文有了基本認識，提高了學生畢業設計的實驗設計能力與實際動手能力。
虛擬實驗視頻
實驗視頻是通過現場錄制，展示實驗所需儀器、操作過程、實驗要點。通過視頻，教師進行詳細講解并作出示范，可給學生直觀認識，并在視頻中詳細指出實驗過程中易錯之處，對出現的不同結果進行分析實驗。大型精密儀器也可以在虛擬實驗室中全面展現，諸如基因測序儀、細胞流式儀、核磁共振等。學生還可掌握生物醫學中前沿實驗技術如酵母雙雜交技術和蛋白質雙向電泳。通過虛擬的過程了解其原理、操作條件、操作過程，在無消耗的情況下可節省資源、節約時間、節省場地，并可加深實驗認識，開拓視野，增強學生的動手能力。
虛擬實驗反饋
反饋系統由在線答疑、討論和測試等組成。以BBS的形式為學生提供答疑和學習討論、學習心得交流園地，在線測試可根據每個實驗設計不同的試題，通過在線提交，并及時反饋實驗信息，并要求學生提交后續實驗的設想。虛擬生物化學實驗建立在一個虛擬的實驗環境中，注重的是實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性。它可以有效緩解很多高校在經費、場地、儀器等方面面臨的困難和壓力。而且開展網上虛擬實驗教學能夠改變傳統實驗對時空要求的限制，在任何地點，只需聯網，都可以自由、進入虛擬實驗室，操作儀器，進行各種實驗［10］，有助于提高實驗學生對實驗掌握，提高教學質量，還可以減輕實驗室管理的壓力，方便異地協作和資源共享。虛擬實驗室這種教學方式必將受到愈來愈多得重視和青睞，成為改革實驗教學手段、強化實驗室建設的一個重要發展趨勢。
