交互性Flash在基因工程实验教学中的应用

齐凤慧，孔德强，詹亚光，陈思齐，曾凡锁，范桂枝

(东北林业大学 生命科学学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

Flash是由Macromedia公司推出的交互式矢量图和 Web 动画的标准，是一种动画创作与应用程序开发于一身的创作软件，近年来Flash在多媒体教学及交互性动画教学中得以广泛应用。如在化学的理论与概念学习中，Flash动画的应用起到显著的效果[1]；在实验教学中，可以利用Flash软件呈现实验装置的仿真模拟组装[2]，大型仪器的虚拟实验操作[3]，复杂实验的多媒体模拟操作及基础实验中基本操作的交互性Flash动画等[4-5]，使学生能直观、有效地掌握实验的技能。

基因工程是获取、整理、破译、编辑和表达生物体遗传信息的一种操作平台与技术，它以细胞生物学、生物化学、分子生物学等学科为基本理论体系指导，在基因的分离克隆、基因表达调控机制的诠释、基因编码产物的产业化、生物遗传性状的改良乃至基因治疗等方面显示出愈来愈高的实用价值[6]。其方法与技术已经渗透到现代生命科学的各个分支领域，成为生命科学的一门核心技术[7]。基因工程实验与分子生物学和生物化学实验相比较，实验周期更长，综合性更强，涉及的内容以及研究方法更为复杂[8]。

因此，如何能让学生在短期内快速地理解实验原理，更长久地记住所学的知识成了迫在眉睫的关键问题。本文以东北林业大学生命科学学院的实验中心平台为依托，制作了基因工程交互性虚拟仿真实验，并将其应用于实验教学中。通过交互性虚拟实验教学的应用，进行了网上的问卷调查及学生的反馈，显示运用Flash交互性动画授课能在很大程度上提高学生上课的质量，表现在对原理的理解、实验操作的错误率等，同时，Flash交互性动画授课对减少老师的教学压力也有一定的帮助作用，这为探索一种新型实验教学模式奠定基础。

1 基因工程交互性Flash实验简介

该实验以东北林业大学数字东林网页为平台,在基因工程实验网络课程中插入交互性Flash实验内容(https：//mooc1-1.chaoxing.com/mycourse/teacherstudy?chapterId=93469799&courseId=87940225&clazzid=673114),由教师将上课的学生添加到该课程中,这样学生可以通过自己的账号登录进入Flash实验内容的学习。该内容利用Adobe Flash Player 10.1播放，制作过程中由仁捷科技提供技术支持，版权为东北林业大学所有。

Flash虚拟实验内容包括两个模块，在模块一木本植物的遗传转化中共包括4个实验项目：菌种活化；三亲交配法将中间载体质粒导入根癌农杆菌；侵染菌种的敏感性实验；农杆菌介导法的植物遗传转化。在模块二转基因植物的检测与鉴定中共包括6个实验项目：转基因植物基因组DNA提取；转基因植物的多重PCR检测；外源基因DNA甲基化转基因沉默的关系分析；外源基因整合的Southern杂交鉴定；转基因白桦的RT-PCR检测；转基因植物中报告基因表达检测——GUS活性检测。

在虚拟实验的主界面中，左侧有实验目的、实验原理、实验仪器与耗材、实验材料和实验步骤的工具栏，点击相关的工具按钮就可进入到相应的内容学习。按照实验原理的文字描述，我们将它分割成小块做成演示性的Flash动画，可以使学生更直观地理解抽象的原理。在实验步骤界面中，点击进入相应的实验项目操作界面，会出现“开始演示”和“开始测试”两个工具按钮，对于初学者可以先点击“开始演示”按钮进行实验操作的了解，之后再点击“开始测试”按钮进行模拟操作。在实验步骤的操作界面中，左侧一栏是该实验所需要的仪器链接，右侧一栏是该实验所需要的材料与耗材的链接，学生可以根据实验需要点击所对应的仪器和材料，它就会移动到中间的虚拟操作台中进行虚拟操作。如果点错了，仪器不会移动，如果忘记了操作步骤，点击下面的“帮助”按钮，会显示出该步骤中的文字内容进行提示(如图1所示)。

图1 Flash实验步骤界面截图

2 交互性Flash在基因工程实验原理中的应用

基因工程是一门在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，作为高校生物科学学生的专业课，基因工程实验是教学中一个重要实践环节，而实验原理是实验的基础，对实验原理的理解与掌握是研究实验方法和提高学生实验设计能力的有效途径。基于实验原理部分难懂、抽象，文字描述不够直观等问题，本课题组开发了基因工程实验原理的Flash动画，使学生对实验原理部分能够很好地理解并掌握。

以木本植物的遗传转化为例，农杆菌介导法进行转化的实验原理为：植物受伤部位分泌酚类化合物，附着(VirA、VirB)，VirA/G的双组分系统感受受伤信号(signal to A Pi to G)，其他Vir基因的表达，T-DNA链的切出(VirD1+VirD2；Border to Border)，T-complex的形成，运输(从细菌中输出、进入植物细胞、入核)，整合到植物染色体中。即使在讲解中利用图片扩展解释，学生依然觉得比较抽象，每一步都需要展开想象。因此，将这部分原理归为以下4点：

1)Vir基因的诱导表达机制；

2)T-DNA复合物的形成；

3)T-DNA复合物的跨膜转运；

4)T-DNA链整合植物基因组。

对每一点都以动画的形式呈现，比如在Vir基因的诱导表达机制中，左侧是农杆菌，右侧是植物细胞，细胞受伤后分泌的酚类物质用黑色小正方形表示，它会移动到农杆菌Ti质粒的VirA蛋白上，因为VirA蛋白是酚类物质的受体。结合之后导致VirG蛋白磷酸化，这部分在动画中用p表示磷酸化，用散落的斑点到G上表示VirG蛋白活化，移动结合到Vir启动子的特定区域上，成为Vir基因转录的激活因子。这样学生就能很好地理解Vir基因是如何激活的、T-complex是如何形成的，又是如何转运等过程(如图2所示)。

图2 部分实验原理截图

3 交互性Flash在基因工程实验操作中的应用

实验操作又叫动手能力，是通过学习而成的一种合乎规则操作的活动方式。基因工程技术的掌握离不开实验操作，必须熟练掌握实验操作技能，才能更好地从事基因相关的科学研究。在以往的教学中发现，即使教师讲完了有的学生依然不知道该如何操作，因此，我们将实验操作制作成演示和交互式的Flash动画(如图3所示)，在每一项实验操作中都含有演示与测试部分，学生在观看完演示部分之后进行测试，在测试中，需要学生点击相关的试剂或仪器进行模拟实验，如果学生忘记了如何操作，可以点击帮助按钮，会提示下一步操作的内容。通过交互性Flash实验操作的应用，大大降低了学生操作的错误率和实验的失败率，使学生能够在有限的时间里顺利地完成实验内容，并能掌握实验操作技巧，提高了学生的动手能力。

图3 部分实验操作截图

4 交互性Flash在基因工程实验中应用反馈

为了使交互性Flash动画更加完善，使学生应用更加方便有效，利用网络问卷的形式对生物技术专业的2个班学生进行了调查，有效问卷数是59份。

1)在对是否有必要应用Flash交互实验进行基因工程实验教学调查中：

①有86.67%的人认为有必要(如图4所示)；

②有91.53%的人认为Flash交互实验能够解决传统实验教学中遇到的困难(如图5所示)；

③有54.24%的人认为如果使用Flash交互实验教学，实验操作的错误率会在5%～9%，37.29%的人认为错误率会在5%以下(如图6所示)。

2)在应用Flash交互实验优点调查中(如图7所示)：

①使课程生动形象比例占22.7%；

②使原理、方法清晰易懂比例占26.45%；

③实用性强，加强对操作的锻炼占23.63%；

④每个人都能操作全部实验占17.25%。

3)在Flash交互实验需要改进地方的调查中(如图8所示)：

①有26.76%的人认为需要开发手机APP功能；

②有24.02%的人认为增加闯关积分，以便用积分来抵消其他惩罚，如抵消上课迟到扣分等；

③有21.46%的人认为增加评价机制，如中间可以插入问答题等；

④有27.76%的人认为增加仪器使用的交互功能。

以上数据可以看出，通过Flash交互实验的应用，学生能够增加实验课的兴趣，原理、方法清晰易懂，更容易掌握，极大地降低了实验中的错误率，鼓舞了学生做实验的热情，让他们更加有信心和兴趣去学习和探索基因的奥秘。

图4 应用Flash交互实验进行基因工程实验教学必要性调查结果

图5 Flash交互实验有没有解决传统实验教学中的困难调查结果

图6 运用Flash交互实验教学你在实验中的错误率有多大调查结果

图7 Flash交互实验教学优点

图8 Flash交互实验需要改进的地方

5 交互性Flash动画在实验教学中优势及展望

5.1 节省教学成本、实验真实性强

基因工程实验所涉及的有些仪器及试剂，价格相当昂贵，在教学公共平台中不能完全保证每个学生都能操作，利用交互性Flash虚拟实验教学，可以有效地解决学生操作难的问题，学生通过虚拟实验操作既保证了教学质量，又增加了学习兴趣，同时还降低了教学成本。

虚拟仿真实验就是根据真实的实验场景进行模拟操作，真实性强。基因工程实验操作繁琐、复杂，耗时长等因素，使学生的实验成功率偏低，从实验的准备到完成实验，各个环节都可能会失败。通过交互性Flash虚拟实验，学生可以先行模拟操作，掌握各个环节的原理与操作方法后，再进行真实性的操作，可以大大提高成功率，事半功倍。

5.2 提高生物安全性、激发学生积极性

基因工程实验中往往使用一些有毒的试剂和一些细菌，在教学中需要严格要求学生按照操作规则进行实验，如果处理不当会造成环境污染，因此，学生先通过虚拟仿真实验，对实验中安全措施进行掌握和熟练，这样学生再进入实验室时就不至于盲目操作，可以提高学生对实验的设计能力及操作技能，从而降低安全隐患。

基因工程实验原理是比较抽象的，实验操作步骤也是较繁琐的，如果没有一定的想象力很难理解枯燥的文字内容，以虚拟仿真实验展示各部分实验原理和操作步骤，学生在虚拟环境中可以随时参与实验，教师的指导也不再仅限于课堂上，而是可以在课堂外的时间跟踪学生在虚拟实验平台上的学习，通过网上交流工具，及时解答学生的问题，指导学生的实验，师生增加了交流的机会和沟通的渠道，学生相互间也可以通过虚拟平台共同探究实验，解决问题[9]，激发学生的积极性，从而能够更深刻的理解相关知识点，有利于调动学生的学习积极性，

5.3 促进新技术在实验教学中的应用

一个多世纪以来，教师一直在使用各种音频、视频等现代媒体辅助教学，有电影媒体[10]、幻灯投影媒体[11]、计算机多媒体[12]、综合性新媒体[13]等。随着虚拟技术的深入发展，各种虚拟仿真实验室大量出现，而且基本上是虚拟技术的综合应用体。Howard Hughes 医学院开发的系列软件用于虚拟实验室上，采用Shockwave技术开发，基于3D的界面，借助于Shockwave的互动特性，学习者可以在指导下动手使用PCR技术鉴别一种细菌[14]。目前用得比较多的虚拟实验软件，如Boson Netsim、VMware、Workatation等，学生可以借助网络在任何时间、任何地点进行虚拟实验的实践，既不必担心课堂没做完或没时间深入探究，也不用担心因设备不足、新的实验技术不能实施而造成实验的半途而废[15]。

基因工程实验操作繁琐，耗时长，将虚拟仿真实验引入到教学中，既给学生提供逼真、生动的学习内容和先进的实验设备，又能扩大实验环境，延长实验时间，可反复操作不必担心实验失败。因此，在真实实验的基础上，以虚拟实验为辅助，既起到事半功倍的效果，又有利于学生进行实验技术创新，提高了实验教学效果。

6 结束语

虚拟仿真实验在教学应用中，要求教师和学生改变实验教学观念和学习模式，同时转换在教学中的角色，教师由演示者向指导、创新者转换。学生由模仿者向探求、创造者转换，这样才能达到由培养经验型人才向培养创造型人才的转变[16]。利用虚拟仿真实验作为基因工程实验教学的辅助工具，解决了实验教学中原理抽象、操作繁琐、周期长等问题，即可节省教学成本、保证实验的真实性，又可以降低安全隐患、激发学生学习兴趣，提高教学质量。

目前，网络越来越普及，手机更是成了每个人离不开的东西，作为实验教学工作者应该充分利用现代科技的手段，给学生提供更加便捷的学习方法，以促进实验教学。就基因工程实验教学改革来看，我们将根据学生反馈的意见修改完善交互性Flash虚拟仿真实验内容，增加评价机制、闯关积分、仪器使用的虚拟操作以及开发手机APP功能，除此我们还会继续探索，争取获得更大的突破。这些内容的完善，将为基因工程实验教学工作带来极大的便利，为基因工程实验的学习提供更有效的资源。