单克隆抗体技术,作为细胞工程领域的前沿代表性技术,最早由英国科学家Milstein和Kohler于1975年首次提出,利用该技术制备的单克隆抗体,以其理化性状均一、生物活性单一等优势,迅速在疾病诊断与治疗、食品卫生与防疫以及科学研究中得到了广泛的应用,并因此获得了1984年诺贝尔生理学与医学奖。
单克隆抗体的制备过程涵盖了细胞工程实验中的许多重要技术,如细胞培养、细胞融合、动物免疫、抗体效价检测等技术。掌握和了解该实验技术对学生深入学习细胞工程相关技术理论、掌握细胞工程核心实验技术具有重要的理论和实践意义。但是完成一次单克隆抗体制备实验需要超过6个月的实验周期,且实验操作步骤复杂繁琐、无菌操作环境要求高。这些都对操作者的实验技术提出了极高要求,导致许多高校无法完整开设此类实验,学生实验体验较差,不利于学生对细胞工程实验理论与技术的深入学习理解。
山东师范大学生命科学学院“生命科学与技术虚拟仿真实验教学中心”始建于2014年,经过近三年多建设,中心已初具规模,配置了90余平米的虚拟仿真教学实验室,搭建了集实验教学、实验项目管理、实验水平考核、科研条件支撑为一体的虚拟仿真实验教学网络平台。借助该平台,学院与北京润尼尔公司合作,利用虚拟仿真技术,自主设计开发了一套 “基于杂交瘤技术的单克隆抗体制备”虚拟仿真实验项目,让学生在仿真环境中学习和了解单克隆抗体制备的原理和方法步骤,增强学生的真实体验感。该项目包括免疫小鼠、细胞获取、细胞融合、鉴定与筛选、大量制备等5个子项目,每个子项目均包含完整的实验步骤和操作流程。同时我们还将每个项目中所涉及的基本实验操作技术进行模块化处理,分解成可配置操作条件或实验参数的模块化单元,并将实验子项目与模块化单元相互融合,构建了一套可满足不同教学实践需求的综合实验操作模式。在学习模式下,学生可在导航栏的引导下,学习基本的实验操作流程。而在考核模式下,学生可在每一子项目中自由选择需要的模块化单元,自主完成该子项目的实验流程设计及实验效果检测,教师可以实时对学生的学习效果进行评价及反馈。考核模式下学生的实验考核成绩存储在后台,便于教师通过数据分析了解学生的学习情况,从而更好地组织实验教学、提高教学的有效性。
本虚拟仿真实验教学,本着“以学生为中心”的教学理念,摆脱了传统的以教师教授为主,鼓励和引导学生的自主学习。通过预习模块奠定基础知识,实验操作模块了解实验流程和关键技术要点,考核模块加深学生对实际育苗过程的理解和提升对突发问题的解决能力。整个实验教学过程虚实结合、以虚补实、循序渐进,教师的“教”和学生的“学”相辅相成,各有侧重,注重学生互动,有效的调动了学习的积极性,增强了学生的水产实践能力,充分发掘学生的创造潜能,提升了整体的综合素质。
实用有效、日趋完善
该仿真实验教学将纳入我校生物技术专业培养方案和课程建设,制定了详细的实验评价标准,针对学生的各个环节进行评价,保证了评价的真实性、有效性和实用性,从而有效的评估和考核学生的学习情况。同时平台建有管理模块,对学生和其他人员的反馈意见和建议,进行全面的整理和分析,逐渐完善和改进评价体系。
该项目基于传统教学实践操作流程,借助网络虚拟平台,实现了该实验的地域限制、时间限制和条件限制等多种限制性因素,可进一步激发学生的学习积极性、主动性及创新性,尤其对其自主创新能力的培养,对其团队合作意识的培养,具有重要的实践意义。坚持“教-学-研-用”相结合,既丰富、延伸、拓展了传统教学中的视角,同时也为学生提供了更广阔的、更具时代前瞻性的学习条件和机会。为下一步的虚拟现实技术、增强现实技术在生命科学中的应用奠定了基础。该实验为web版本,学生、教师、生产人员可以不限制时间、地点使用PC进行操作实验。该虚拟仿真实验可以服务于任何地域,任何想学习河蟹生态育苗技术的人均不受限制。该虚拟仿真实验平台已经开放,其他内陆高校和社会人士均可登陆平台进行实验,目前本虚拟仿真实验已在我国其他地区(如江苏、河南等)高校和相关企业进行推广使用,反响良好,可以真正的辐射推广,指导生产,服务社会。
截止目前,已有400多名学生利用本项目进行了教学实践学习,校内外多个相关单位也体验、尝试过该教学模式。流程化、模块化的方案设计,媲美真实体验的仿真操作环境,科学、系统的学习效果评价方式,使得本项目对提升生命科学实验教学水平、促进学生的综合设计能力和实践创新能力发挥了重要推动作用。相信本项目可广泛应用于生物科学、生物技术、生物工程、医学检验等相关专业的实验教学中,具有巨大的推广应用价值。