生物大分子分离纯化综合设计虚拟仿真实验

所属专业类:生物科学类

对应专业:生物科学

    程:生物技术大实验

  人:余龙江  华中科技大学生命科学与技术学院副院长、教授

 

项目简介

本项目涉及蛋白质等生物大分子分离纯化,是培养学生生命科学研究能力的关键内容。通过将复杂实验技术碎片化成诸多独立模块单元,学生可自由拖拽、任意组合各模块,设计自己的纯化方案和具体条件参数,只有设计过关才能进行虚拟实验。这种先虚拟方案设计再仿真操作,然后实体实验,增加了实验的设计性、任意性、多样性和趣味性,有助于学生掌握从复杂混合体系中提取生物大分子的原理和方法,提升综合设计能力和实践创新能力。

 

项目特色

1、在教学理念上

巩固、弥补并促进实体实验效果是我们建设的目标,理念是“虚实结合、以虚促实、以虚补实”,已发表多篇核心期刊论文:

⑴ 生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系的构建.实验技术与管理,2015,32 (9):  120- 123

  • 信息化背景下虚拟仿真实验教学中心建设规划与实践.高校生物学教学研究,2015,5 (3): 39-43

(3) 虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索.实验技术与管理,2016,33 (4):  108-114

(4) 虚拟仿真教学资源开放共享策略探索.实验技术与管理,2016,  33 ( 12): 137-141

 

  • 虚拟仿真实验教案设计及实践.实验室研究与探索,2017,36 (3):186-188
  • 虚拟仿真教学资源建设原则与标准.实验科学与技术,2017, 34(5):8-10

2、在教学内容上

将生物大分子分离纯化工艺过程分解成一个个独立的模块化单元(实验技术碎片化),每个单元具有相对独立功能、参数配置和动作操作,多个单元组合并赋予正确逻辑关系和恰当参数配置即实现一个方案设计。

该实验属综合设计型项目,有助于学生掌握从复杂混合体系中提取生物大分子原理、过程及方法。

教师可独立更新方案流程、参数配置,从蛋白质拓展到核酸、多糖等大分子分离纯化。

  • 在教学方法上

可自由拖拽模块化单元、自由排列组合、逼真3D实验操作,能吸引学生反复在线操作。

先流程设计、再仿真操作、进而实体操作,提高了实体实验成功率和效率,提升学生实践创新能力。

4、在开放运行上

为方便在线操作与资源共享,我们开发了C/S结构的生物技术综合设计系统,将实验方案设计、虚拟仿真操作、实验结果预测及成绩评定整合到一个平台中。

该系统已上线应用近三年,并申请发明专利(一种虚拟仿真教学应用平台,2015 10824392.8),拥有知识产权,方便开放共享。

该系统在2017年5月全国首届生物和食品类仿真软件评比中荣获一等奖(全国共2名)。

5、在评价体系.上

系统后台记录学生在线操作、自动评分,并设有人机互动环节和自动提醒功能,只有通过虚拟仿真实验才可进行实体实验。

 

我要做实验:http://lifelab.hust.edu.cn/xnfz/gxpt.htm

兔的形态结构与功能虚拟仿真实验

所属专业类:生物科学类

对应专业:生物科学

    程:动物学

  人:魏万红  扬州大学设备处处长、生物科学与技术学院教授

 

项目简介

《兔的形态结构与功能虚拟仿真实验》由3D资源和辅助资源组成,内容丰富,形象生动,为您呈现“虚拟解剖、器官复位、内部构造、生理功能、虚拟考核、交流互动、实验微视频”等多个模块,让您全方位、全视角的了解和掌握哺乳动物解剖操作技术、内部结构、消化与血液循环过程、排泄过程等内容,解决了实体实验中手术操作不可逆、结构发挥生理功能过程不可见等问题,为您提供了一个互动充分、寓教于乐的学习平台。

 

项目特色

1、教学理念

扬州大学国家级生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心,在虚拟仿真资源建设与应用过程中,聚焦科学技术的发展对实验教学组织形式和实验教学资源媒介表现形式所带来的变革,注重信息技术与生物学实验教学的融合与应用,提出了“积为教用、虚为实用、虚实互补、提升实效”的虚拟仿真实验教学资源建设思路,逐步形成了“以学生为本,以能力培养为核心,充分发挥数字化实验教学资源的共享优势,通过实施虚实结合的实验教学模式和形成性实验考核体系,系统地培养学生的实验技能、科学思维和创新能力”的实验教学理念。

2、教学内容

在专业培养方案与课程教学大纲指导下,应用Unity3d开发工具构建《兔形态结构与功能虚拟仿真实验》(以下简称《兔》) 3D虚拟仿真资源,应用.Net开发语言构建《兔》实验项目管理平台。通过《兔》,既可完成在实体实验中开展的兔的形态组成特征、规范化解剖流程等教学内容,还可完成在实体实验室中由于“器官微小、结构与功能协同变化过程不可见等”而致无法实施的“各系统的空间位置关系、结构与功能的协同变化过程等”教学内容,达成了实验项目“完整、高效、绿色、环保”开出目标。

3、教学方式方法

依托网络,借助PC、平板、智能手机等网络终端设备,登录访问《兔》,通过在线观摩、操作、答题、互动等方式,在线完成对《兔》中的教学内容的学习,既解决了以往学生在进入实体实验室前对兔解剖“规范化”操作流程感性认识不足、考核内容不全面的缺陷,还为我们引入MOOC、翻转课堂等教学新形态,实施形成性考核评价体系创造了条件。

4、开放运行

《兔》是具有对资源进行自主管理数据库的“独立”系统,现挂载在我们自主研发的《生物学实验课程群在线教学(学习)平台》中( htp://sjsys.yzu.edu.cn:8080) ,学生以学号、其他用测试账号登录,可全时空、全天候的对《兔》进行在线学习。

5、评价体系

以《兔》实验教学过程中所涉解剖流程、骨骼和脏器的形态特征与空间分布、解剖注意事项等为考点,按照各自在《兔》实验中的权重,形成“虚实结合”的考核评价指标体系,实现对《兔》实验学习过程的全覆盖。

 

我要做实验:http://sjsys.yzu.edu.cn:8000

啤酒工艺虚拟仿真实验教学

所属专业类:生物科学类

对应专业:生物科学

    程:啤酒工艺学/生产实习

  人:冯家勋  广西大学生命科学与技术学院院长、教授、研究员

 

项目简介

《啤酒工艺虚拟仿真实验教学》是以广西大学“高活力α-乙酰乳酸脱羧酶研制与应用”国家科技进步二等奖项目为基础,开发的一套具有自主知识产权的虚拟仿真教学系统。软件采用HYSYS稳态模拟设计、配合PID控制模拟建模,调用工艺包参数,构建虚拟的啤酒生产工艺流程。通过3D技术,贯穿行业规范、突出教学重难点,实现厂房设备仿真模拟、生产流程动态体验、工艺标准选择组合、安全应急预案、人机交互式操作、智能考评等多项教学和实习功能。

 

项目特色

1、虚实结合、相互补充、以虚促实、验证与创新有机融合的教学理念。

开展虚拟仿真实验是解决到工厂实习难、实训少的需要,给学生提供虚拟的实践环境和实习平台,弥补传统实习学生无法亲自动手操作的不足;通过虚拟仿真技术对工厂实物设备的模拟演示,帮助学生更好地理解相关工艺原理、关键设备内部结构、工艺设计、操作环境、过程与控制系统、故障处理、三废处理、生产安全等。通过调整工艺和自行设计,掌握不同啤酒的生产技术,开发新型啤酒生产工艺,改变传统的实习实训以验证性为主的教学理念,增加综合设计性、研究性虚拟仿真实验内容,提升学生的动手能力、工程实践能力和创新意识。

强调虚实结合,将信息化作为手段而非目的,在教学计划,教学安排,实验设备与场地、实验教学师资等方面实现虚实一体化,从而将虚拟仿真实验项目与真实实验课程有机融合,相互补充,构建完整的啤酒工艺学实验教学体系。

2、高水平科研成果转化的教学内容。

紧密结合专业特色和行业产业发展最新成果,紧密结合学校定位和人才培养特点,采用现代信息技术与实验教学项目深度融合,把高水平的科研成果“高活力a-乙酰乳酸脱羧酶的研制与应用”转化为实验教学内容,将成熟的科研技术和方法引入实验教学和实习实训过程,提高了虚拟仿真实验教学资源的水平和层次,拓展了教学内容的广^度和深度,延伸了实验教学的时间和空间。

3、线上线下教学结合的教学方式。

积极探索线_上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式,应用虚拟仿真、增强现实等技术实现课堂在课外的延伸。通过“课堂内外,虚实结合”,精心设计和切换“虚”和“实”的教学内容,不仅拓展了学生得自主学习模式,也促使实验教学手段变革。

4、扩展性良好、兼容性强的开放运行。

在保证知识产权归属明晰的条件下探索区域开放的共享机制,实现管理平台对接与资源互通。虚拟仿真实验教学项目除了面向校内相关专业学生,也积极对外开放共享。实现立体化、信息化的畅通的共享渠道。

5、持续改进的评价体系。

将虚拟仿真实验教学项目纳入相关专业培养方案和教学课程,制订相关教学效果评价办法。根据学生和教师反馈,持续改进相关教学评价机制。鼓励教师探索有利于虚拟仿真实验与传统实验教学有机结合的教学方式,探索多元和可持续发展的评价体系。

 

我要做实验:http://vsbio.gxu.edu.cn/beer

珍稀保护药用生物资源研究与应用的综合性虚拟仿真实验教学项目

所属专业类:生物科学类

对应专业:生物科学

课    程:生物资源学

负 责 人:金孝锋  杭州师范大学教授

 

 

项目简介

“春日迟迟,采蘩祁祁”、“陟彼南山,言采其薇”(《诗经》),我国中药利用历史悠久,以青蒿研究材料的屠呦呦曾获诺贝尔奖。珍稀保护中药资源的可持续利用是长期研究的课题。以“学生需求”、“问题提出”为导向,整合“江南仙草”铁皮石斛和临床凝血剂五步蛇毒开发利用的创新性实验,应用3D、VR等技术,实现虚拟仿真实验操作,突破时间和空间限制,推进开放共享,鼓励互动、研讨、合作,提高学生综合实践和创新能力。

 

项目特色

自学校成立珍稀保护药用生物资源研究与应用虚拟仿真实验中心以来,经历2年多的发展壮大,取得了较显著的成效,开发了一批特色鲜明的实验项目,主要表现在以下方面:

一、始终坚持“厚基础、重创新、强能力”的教学理念,形成了以“验证性+综合性+创新性”为主要教学步骤的“三层次”。学生在掌握基本实验技能的基础上,创新能力和综合素质明显提高。近4年学生主持的各类科研项目115项、参与发表的SCI论文258篇、授权专利数114个、获得省级以上奖励64项。

二、依托实习基地、研究平台和科研项目“三模块”,丰富和拓展了实验教学内容。以大盘山国家级自然保护区为主要实践实训基地,依托“药用植物遗传改良和质量控制”等3个省级重点实验室和省级生物学实验示范中心等各类教学科研平台,将教师科研项目渗透到教学内容中,形成了“野外基地+科研平台+科研项目”这“三模块”为主要抓手的教学资源,实现了“科研反哺教学”,使得教学内容和教学资源更为丰富。

三、在教学方式上实现了“三结合”,即与“真实实验”结合、与“科研成果”结合、与“实践创新”结合。通过科研导师制、开放教学科研平台、设立各类学生科研项目,使得学生有更多的机会进入实验室进行综合创新研究,在实现综合发展和学科渗透基础上,提高了解决问题能力、养成了团队合作精神、拓展了综合素质、培养了学术创新思想。

四、追求资源优化整合,坚持开放共享。实验项目已与省内丽水学院(生物科学专业、生态学专业)签订了虚拟资源共享协议,也与省外院校内蒙古师范大学(生物科学专业)、石河子大学(生物科学专业)和海南热带海洋学院(动物学专业)签订了虚拟资源共享协议,充分扩大项目实施的受益面和辐射作用。

五、构建了项目实施的评价体系和保障体系。教师对于每一个实验环节和实验过程全称跟踪,实现了“生生”互动和“师生”互动,完善实验报告的评价体系和成绩评定方案。同时制定了教师实施实验项目的管理办法和奖励办法,充分调动了师生的积极性。

 

我要做实验 »» 项目网址http://yyzy.hznu.edu.cn/

植物种类鉴别及多样性调查

一、实验目的

1.培养和提高学生对植物标本的观察、采集与鉴别能力,学生获得植物标本后,能够通过网上的检索表、形态特征等电子资源实时鉴定植物种类,并开展植物的多样性调查。

2.提升学生对物种的生境选择、习性和应用价值的学习,学生通过网上资源了解植物的生活习性、生长特点、形态特征以及开发价值,为今后植物资源的利用提供知识储备。

 

二、传统实体实验存在的问题及解决方法

由于植物种类的多样性,认识和鉴别植物是许多教师和学生面临的主要问题,而当认识植物后对其分布特征、生活习性及应用价值的了解也成为难点,加之植物生长的季节性、地域性以及器官形成的渐次性,导致在同一时间、同一地点不能采集(或不能全部采集)到所需的全部实验材料,使实验不易开展或开展不完整。因此,应用虚拟仿真实验教学资源,采用虚实结合的实验教学方法,学生可以实时鉴别植物并了解植物的生活史特征,有利于学生野外实习和室内实验教学的全时空开展。

 

三、虚拟仿真实验实现方式

用Unity3D、Maya等软件将现实的野外生境、植物的自然分布、不同类型植物(草本、乔木、灌木等)标本的采集与解剖方法制作成3D虚拟桌面式场景及3D动画,用Microsoft SQL技术构建植物器官名词术语、解剖描述、各类解剖图谱、检索表等图文数据库,最终通过Java Script语言实现用户对所采集植物标本的比对、检索与鉴别以及对植物生活史特征和应用价值的了解,并实现不同类型网络终端设备(PC、MAC和智能移动终端)的交互。

 

四、教学实施流程

通过“3D场景式动画,植物名词术语、解剖描述、物种介绍等图文数据库以及植物检索文本数据库等”虚拟仿真实验教学资源的在线应用,以野外实习地、校园、田园、公园等植物生长环境为场所,以智能手机、PC等网络终端设备为载体,通过虚实结合的方式,确保植物种类鉴别及多样性调查从实验目标确定—实验项目准备—实验项目实施—实验报告撰写—实验结果交流讨论—实验报告的评阅与审批等实验全过程,按照教学计划“定时定点”实施实验,具体实施流程如下图所示。

 

五、实施效果

通过植物种类鉴别及多样性调查虚拟仿真实验资源的建设及应用,解决了因时空条件的限制导致相关实验不易开展或不能完整开展的问题,也使学生能够实时鉴别植物和了解植物的生活史特征及应用价值,形成了“游中学、学中游”实验教学新模式,拓展了实验教学时空,提高了实验教学效果。

来源:扬州大学生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心

鱼的形态结构解剖

一、实验目的

1.掌握鱼类的测量方法和解剖操作过程,了解硬骨鱼类的主要特征,使学生通过实体解剖和网上资源对比,确定鱼类适应水生生活的适应性特征;

2.了解硬骨鱼各器官的组成及特点,使学生通过虚拟资源确定不同器官的空间分布特征,并将在其实体实验中对不同器官实现准确复位。

 

二、传统实体实验存在的问题及解决方法

在鱼的形态解剖实体实验教学中,由于一些微小的器官(如部分动脉、静脉、生殖排泄管道)难以观察、脑部组织解剖易损、血液循环途径和气体交换等动态过程不可见、内部器官的相对空间位置难以直观显现以及季节因素导致性腺发育不典型等问题,使实体实验的效果不能达到理想的效果。因此,应用虚拟仿真实验教学资源,学生可以全面了解鱼类不同器官的组成及空间分布结构,掌握鱼类适应水生生活的适应性进化特征。

 

三、虚拟仿真实验实现方式

用Unity3D、Maya等软件将鱼的外部形态、内部结构、骨骼系统等整合构建成3D仿真鱼,将鱼的血液循环、气体交换过程、解剖方法及流程等制作成动画,实现了从不同视角对鱼的内外部器官空间相对位置、典型结构的观察及鱼解剖过程的仿真操作。

 

四、教学实施流程

通过实体解剖和3D仿真资源的利用,实现学生对鱼类不同器官的整体认识,使学生在虚拟认识、实体解剖、仿真实验、虚实对比、整体认识的过程中完成实验。具体实施流程如下图所示。

 

五、实施效果

通过鱼的形态结构解剖虚拟仿真实验资源的建设及应用,解决了部分器官不可见或难以观察的问题,有利于学生掌握各器官的空间分布关系,充分理解鱼适应水生生活的形态结构特征,提高了实验教学效率。

 

来源:扬州大学生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心

大肠杆菌感受态细胞的制备及重组DNA分子的转化

一、实验目的

1.掌握制备大肠杆菌感受态细胞的方法,使学生通过虚拟资源更进一步了解细胞的生长周期及其不同条件下的变化过程;

2.掌握外源基因转化进入大肠杆菌感受态细胞的方法和过程,并通过虚拟资源了解外源基因转化进入大肠杆菌感受态细胞的过程及最终结果;

3.通过虚拟学习和实际操作,掌握细胞培养及外源基因转化过程中各类仪器的操作方法和步骤。

 

二、传统实体实验存在的问题及解决方法

在传统的分子生物学实验教学中,由于学生对仪器设备的性能及操作过程不熟练、实验的微观反应过程不可见或不易观察、实验环节多和耗时长等问题,使学生只能看到部分的最终实验结果,而对于实验中的一些微观反应过程无法了解,直接影响了实验的学习效果和学生的实验兴趣。通过已有实验的网络资源、实验软件的模拟以及3D动画直接再现不同条件下细胞的培养过程及细胞周期、反应的微观过程,是学生能够更加容易的理解实验的原理及结果,也极大地提升了学生的学习兴趣。

 

三、虚拟仿真实验实现方式

使用HTML5编程语言提供整个实验的流程,通过视频等形式显示仪器设备的操作流程、不同条件下细胞的生长过程和周期性变化,通过3D仿真显示微观变化过程,从而实现实验的完整性和微观过程的可视性。

 

四、教学实施流程

通过虚拟资源的前期(预习)利用和实体实验中的过程再现,使学生在虚拟认识、实体实验、虚拟过程再现的过程中完成实验。具体实施流程如下图所示。

五、实施效果

通过大肠杆菌感受态细胞的制备及重组DNA分子的转化虚拟仿真实验教学资源的建设与应用,将不可见的细菌周期性生长、外源基因转化进入大肠杆菌感受态细胞的过程形象、直观、动态地显示出来,激发了学生学习分子生物学的兴趣,提升了分子生物学相关操作能力。

 

 

来源:扬州大学生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心

生物分离虚拟仿真技术平台

生物分离虚拟仿真技术平台

开发生物分离技术虚拟仿真平台,通过计算机模拟企业级生物分离过程,使学生有身临其境的感性认识,实现在实体实验室不可能实现的操作和不可能达到的实验效果。例如发酵产物的全过程分离纯化操作,学生首先对其分离纯化路线、动态特性及工艺条件做详细分析和设定,还可预设障碍,改变正常控制参数,偏离正常生产结果,然后进行自行调节;练习对生物分离生产装置的开停车及紧急事故处理的能力,进行单元操作仿真及复杂的生产装置开停工段操作。学生可以结合所学的理论知识,分析判断模拟操作中出现的问题,并根据帮助提示加以解决处理。实验将进一步提高学生的应变能力、分析问题和解决问题的能力及工程的全局意识。

本虚拟仿真实验技术平台拟建设以下虚拟仿真模块:

模块  1 . 发酵液的板框过滤

板框式压滤在发酵工业上的发酵液过滤中应用最为普遍。本虚拟仿真实验首先对板框式压滤机内部结构进行分解和重新组装,再通过施加不同压力后完整呈现滤液流动的方向以及滤饼的动态形成过程。

模块 2 . 工业级膜分离技术

工业上的膜分离不是实验室分离操作的简单放大,并且动力组件要求耐受高压力,耐腐蚀,卫生级别高,压力最高可达 60 公斤,有一定危险性。学生通过仿真实验,了解工业级膜组件、膜过滤设备的组成,掌握工业级膜分离的工作原理和操作细节。

模块  3 . 大型离子交换技术

工业规模的离子交换体积大,成本高。本虚拟仿真实验模拟工业级大型离子交换技术的主要操作环节。学生通过本实验可以了解工业上离子交换分离技术的设备特点,掌握离子交换的原理和操作的方法。

模块 4. 溶媒萃取技术

溶媒萃取技术用于抗生素、有机酸、生物碱等的提取。溶媒萃取所用的有机溶媒属于易燃易爆化学品,生产过程中车间的防火防爆等级要求高。本虚拟仿真实验达到掌握萃取过程的工艺参数调节方法及控制;能熟练操作萃取过程中冷态开车及正常停车,能对正常萃取过程进行维护,能正确分析并排除萃取操作过程中出现的典型事故。

模块 5 . 产品结晶技术

本虚拟仿真实验可以选择水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、冰醋酸、二氧六环、四氯化碳、苯、石油醚等。此外,甲苯、硝基甲烷、乙醚、二甲基甲酰胺、二甲亚砜等多种溶剂,模拟结晶和重结晶实现的过程。实现结晶过程的动态虚拟功能。

模块 6. 产品喷雾干燥

本虚拟仿真实验将通过计算流体力学所模拟的整个喷雾干燥过程展示。通过人机对话选择不同的参数,能提供气体介质的温度场、速度场、湿度场以及物料的飞行轨迹、湿度变化、温度变化等。

“三废”处理技术 虚拟仿真技术

“三废”处理技术 虚拟仿真技术

随着工业经济快速发展,环境污染问题日益严重。对发酵工业废物处理的重要性已经上升到最高的层级,而这个领域的实验教学工作因场地、安全等方面原因而难以开展。本虚拟仿真教学平台能够提供良好的教学环境和教学效果。

模块 1. 燃煤废气除尘

针对模拟企业所产生排放的不同污染特征的废气,开展如下虚拟仿真:①源强的设计计算:通过上游发酵虚拟工况场景进行污染物产生类别与源强的判断与计算;②除尘设备的选择与参数设计:模拟真实旋风除尘器、文丘里湿式除尘器、电除尘器,开展除尘器的选取、设计以及除尘效果的仿真;③模拟真实的吸收塔、填料塔和吸附设备,开展吸收(附)设备的选取、设计与治理效果的仿真。

模块 2. 发酵废水污染处理

针对模拟企业所产生排放的不同污染特征的废水,开展如下虚拟仿真:①源强的设计计算:通过上游发酵虚拟工况场景进行污染物产生类别与源强的判断与计算;②处理工艺的选择与参数设计:虚拟针对废水预处理、生化处理、深度处理所组成的复杂技术路线的选择,开展各种处理单体工艺设计以及去除效果的虚拟仿真;③针对不同达标要求的设计参数的优化:虚拟针对不同的处理达标要求,开展各种处理单体工艺设计优化以及去除效果的虚拟仿真。

模块 3. 发酵废渣资源化利用

针对模拟企业所产生不同组分的发酵废渣,开展如下虚拟仿真:①厌氧工艺的选择与参数设计:虚拟针对不同组分的发酵废渣,分析其危害组分,制定相应的厌氧技术路线,并开展厌氧环节中控制条件的选择与参数选取;②沼气处理与利用:虚拟针对废渣厌氧过程产生的沼气进行组分分析,开展沼气净化工艺选取,实现沼气安全利用;③沼渣无害化利用:虚拟废渣厌氧的后沼渣的组分分析,开展针对性处置方案的虚拟仿真。

发酵过程工程虚拟仿真技术平台

发酵过程工程虚拟仿真技术平台

发酵工程是现代生物工程(技术)的重要组成部分。发酵工程企业的产品涉及医药、农药、食品、饲料、有机酸等多个领域。现代发酵生产过程不可避免地接触有毒性、刺激性、腐蚀性和易燃易爆的药剂,易造成人身伤害。整个过程还涉及复杂多样的生产设备,庞杂的工艺管线以及数量众多的各种控制和调节阀门,生产周期和工艺流程长、能耗大、生产成本高,正常生产的大型装置根本不允许为教学而任意开车、停车,更不能人为制造事故训练意外过程的应急反应。随着生产工艺流程和工厂设备自动控制水平的不断提高,设备和程序将更趋于复杂化、连续化和自动化,对专业工程技术人员也提出了更高的要求。采用现代虚拟仿真实践教学技术,综合运用多媒体技术、仿真技术和网络技术,人工构建与真实系统相似的作控制设备,用计算机及实时动态数学模型运行取代真实的生产装置和工艺过程,在模拟仿真环境下进行逼真的实践教学和操作技能训练,从而可以解决现代发酵过程的不可视、不可摸、不可入、高危险、高投入和高污染等教学难题。

本虚拟仿真实验技术平台拟建设以下虚拟仿真技术模块:

模块 1. 发酵原材料制备流程

发酵原材料影响发酵工业生产中的微生物或动植物细胞生长、繁殖和产物合成,配制高质量的培养基是种子培养和发酵成功的重要条件。本虚拟仿真实验让学生了解大型生产中培养基相关的原材料处理、加工、混合等相关工艺,以及所用设备的结构、运行原理、模型和正确操作方法。

模块 2. 发酵原料高温连续灭菌流程

本虚拟仿真实验让学生掌握锅炉、种子罐、发酵罐、气路、料路等结构,以及空消和实消灭菌工艺。

模块 3. 大规模发酵用无菌空气制备流程

本实验仿真模拟无菌空气制备各相关设备的结构及运行原理,以及无菌空气制备工艺及正确的操作方法。

模块 4 . 发酵过程多参数优化控制流程

发酵过程控制是生产水平高低的关键环节,涉及因素众多且错综复杂,除了设备和工艺外,还有复杂的传质、传热、反应动力学、反应计量学和反应热力学等抽象关系。宏观结果上又有菌体生长和产物合成两个方面,因此控制参数多、控制难度大。因各参数间互相关联影响,控制策略也较精细,在平衡中求得最佳,在这个意义上说,发酵过程控制是门艺术,学生难有机会真正实践。

本实验平台将通过虚拟仿真技术动态模拟发酵设备及过程,展示发酵罐内部结构和功能,并通过虚拟技术获得现实中无法展示的传质、传热、反应动力学及通气和搅拌发酵的液体力学等模型,让学生通过3D或4D虚拟仿真模型直观地了解抽象的发酵过程,并且各参数变化对综合影响发酵过程中的温度、溶氧、二氧化碳、pH、尾气、泡沫、产物浓度和菌体浓度等变化效应模拟仿真,并实现逼真的虚拟控制操作和工艺的训练。

 

分子生物学虚拟实验模块

分子生物学虚拟实验模块

实验内容

该模块涉及生物化学实验、分子生物学实验和生物技术大实验等内容,包括抗血清制备及效价测定、棉花转基因技术研究、细胞凋亡的诱导和检测、TaqMan 探针法基因分型、PCR 虚拟实验、基因工程虚拟实验、双向电泳虚拟实验、小鼠肝脏总 RNA 的提取、大鼠肾脏皮质总蛋白质提取、考马斯亮蓝法测定蛋白质浓度等 10 项综合性虚拟实验项目。

功能和效果

分子生物学实验试剂昂贵、实验周期长、操作难度大、仪器设备成本高,为此,将部分代表性分子生物学实验列入虚拟仿真实验教学,在真实实验前,学生先经过虚拟实验操作,可以多次反复练习,再进行真实实验操作,通过虚实结合,既可让昂贵实验经济化,抽象实验形象化,又可以虚促实,规范真实实验操作,提高实验效率,利于培养学生创新能力。

抗血清制备及效价测定虚拟实验。本虚拟实验内容包括:①家兔的免疫、颈动脉放血及免疫血清的收集;②酶联免疫吸附试验检测免疫血清的效价;③免疫印迹实验。该实验应用了 Flash 虚拟实验显示技术展现整个虚拟实验的模拟操作,通过 Adobe Flash CS6 Professional软件和 Maya 三维软件把实验环境和实验中所用的实验材料、工具、设备等进行三维场景的建模和虚拟,通过人机互动的操作模式帮助学生了解大白兔的固定、免疫、颈动脉放血等实验的原理及注意事项;学习并掌握酶联免疫吸附试验的操作方法及血清效价测算方法;以及免疫印迹实验的操作过程及结果判定。

本虚拟实验的开设为学生提供了一种全新的学习环境,学生可以通过给定的与真实实验几乎完全相同的实验设备、试剂和生物学材料,合理安排实验操作,有利于培养学生的实践动手能力、分析判断能力和创新能力;通过在关键实验环节设置计分点和适当提示,为学生提供有效地指导,减少其实验操作中的错误,并能有效检验学习效果;此外,抗血清制备周期长、实验成本高,本虚拟实验则可让学生对实验有完整印象,节约实验材料,降低了实验成本,提高实验效率,且减少了实验动物的使用,满足动物伦理学要求。

抗血清制备及效价测定虚拟实验截图

棉花转基因技术研究虚拟实验。本虚拟实验内容包括:①棉花种子无菌处理及无菌苗的种植;②农杆菌介导的棉花遗传转化;③转基因棉花的嫁接、定植。该实验应用了 Flash虚拟实验显示技术展现整个虚拟实验的模拟操作,通过 Adobe Flash CS6 Professional 软件和Maya 三维软件把实验环境和实验中所用的实验材料、工具、设备等进行三维场景的建模和虚拟,通过人机互动的操作模式帮助学生学习棉花种子的无菌处理,无菌苗的种植操作方法;了解农杆菌介导的植物遗传转化的原理及棉花组织培养从脱分化到再分化成苗全程的原理,掌握棉花遗传转化的操作方法;学习并掌握棉花的嫁接的原理和操作过程。本实验克服了实验材料培养时间长、实验成本高等困难,使学生在较短的时间内能够直观认识作物遗传转化的整个过程,培养学生对实验的设计、观察、分析和创新能力。

棉花转基因技术研究虚拟实验截图

细胞凋亡的诱导和检测虚拟实验。细胞凋亡的诱导与检测虚拟实验内容包括:①培养细胞凋亡的诱导;②凋亡细胞细胞核的形态学特征;③凋亡细胞 DNA 片段化的分析;④凋亡细胞线粒体膜电位变化的观察。该实验应用了 Flash 虚拟实验显示技术展现整个虚拟实验的模拟操作,通过 Adobe Flash CS6 Professional 软件和 Maya 三维软件把实验环境和实验中所用的实验材料、工具、设备等进行三维场景的建模和虚拟,通过人机互动的操作模式帮助学生综合了解凋亡细胞的形态与生化特征及其机理。熟练掌握细胞爬片技术、细胞核染色技术、细胞中总 DNA 提取方法和 DNA 琼脂糖凝胶电泳技术;了解荧光显微镜的工作原理和线粒体膜电位变化检测的基本原理,熟练掌握荧光显微镜的使用技术。该实验为学生今后开展疫苗和抗体的制备、免疫组化等奠定了基础,激发了学生探索细胞死亡和衰老机理的兴趣,培养了学生综合应用理论知识独立解决实际问题的能力。虚拟实验的开设,可加快实验进度,保证全体学生参与重要实验部分,提高实验效率。

细胞凋亡的诱导和检测虚拟实验截图

⑷ PCR 虚拟实验。PCR 虚拟实验应用了 Flash 虚拟实验显示技术展现整个虚拟实验的模拟操作,通过 Adobe Flash CS6 Professional 软件和把实验环境和实验中所用的实验材料、工具、设备等进行三维场景的建模和虚拟,通过人机互动的操作模式帮助学生了解 PCR 的基本原理及操作的注意事项,熟悉掌握 PCR 反应体系配置及上机。作为真实实验的有益补充和辅助,本实验将微观实验过程呈现,有助于学生理解 PCR 的基本原理。

⑸TaqMan 探针法基因分型虚拟实验。该实验内容包括:①“TaqMan 探针法基因分型”原理介绍;②反应体系,显示每孔反应体系,特别标出引物和探针;③实验原理的动画展示过程;④TaqMan 基因分型所需大型仪器设备的虚拟操作介绍;⑤实验前的准备虚拟操作;⑥实验过程虚拟操作;⑦虚拟操作结果分析。通过 Adobe Flash CS6 Professional 软件和 Maya 三维软件技术、人机互动的方式,从实验准备、反应混合液、加样、离心、分装、加入 DNA 样本、封口、上机观察到结果分析,配合知识点以及资料库的穿插及链接,帮助同学掌握 Taqman 基因分型方法原理,熟悉基本操作过程。同时整个实验与虚拟仿真实验教学平台能够进行数据交换,记录成绩,完成实验后提供自测练习。本实验将抽象实验形象化,昂贵实验经济化,成为真实实验的有益补充和辅助。

TaqMan 探针法基因分型虚拟实验截图

蛋白质双向电泳虚拟实验。该虚拟实验通过 Maya 三维软件虚拟蛋白质双向电泳实验中蛋白样品裂解、上样、等电聚焦电泳、SDS-PAGE 电泳整个操作过程,通过底层程序进行数据和后台的连接交换,实现人机交互。整个实验中包括丰富的 3D 动画视频资料,能够很好地拓展学生的视野,通过知识测试与知识库的链接帮助学生了解等电聚焦的基本原理,熟悉掌握等电聚焦操作方法及裂解上样注意事项;掌握 SDS-PAGE 电泳操作的注意事项及要点,了解SDS-PAGE 电泳的原理。

基因工程虚拟综合实验。该虚拟实验模块包含:DNA 提取、PCR 扩增、连接反应、大肠肝菌转化实验、质粒提取、质粒限制性内切酶酶切鉴定等 6 个实验。该实验通过该实验应用了 Flash 虚拟实验显示技术展现整个虚拟实验的模拟操作,通过 Adobe Flash CS6 Professional软件和 Maya 三维软件把实验环境和实验中所用的实验材料、工具、设备等进行三维场景的建模和虚拟,并通过底层程序实现数据和后台的链接交换,帮助学生掌握质粒提纯的原理和方法;掌握质粒转化大肠肝菌的方法;掌握核酸内切酶切割质粒的原理并学会运用内切酶。

基因工程虚拟综合实验截图

秦岭小型兽类标记重捕虚拟仿真

秦岭小型兽类标记重捕虚拟仿真

实验内容

野外实习过程中,学生首先应用铗日法或标记重捕法推测局域群落中小型兽类动物种群数量。然后在虚拟平台上,控制标记重捕法相关理论假设参数(如有无迁移、出生率、死亡率等),多次模拟测算种群数量,与实际测算结果对比,分析种群参数变化对标记重捕法预测结果的影响,提高学生对种群数量特征的认识水平(如图)。

图 秦岭小型兽类标记重捕虚拟仿真系统

小型啮齿动物种类多、数量大,且与人类经济生活关系密切,在野外实习中经常遇见,是野外实习中动物种群数量调查的重点观察对象。铗日法和标记重捕法是野外估计小型啮齿动物数量的常用方法。其中,标记重捕法的预测精度受种群迁入率、迁出率、出生率、死亡率、捕捉时间间隔、捕捉季节等多种因素影响,而这些因素在野外条件下很难控制,且在有限的实习时间里无法进行多次重捕,所测结果往往与真实情况相差很大。此外,这两种方法对动物也有一定伤害。通过虚拟仿真实验,学生通过对种群参数的控制,能深入地理解各种群参数对种群数量特征的影响,并对标记重捕法的理论假设获得全面认识。

实验内容包括在虚拟环境中熟悉实验过程,然后在野外环境中选择样地(大于1km2 ),设置捕鼠器械捕鼠(鼠笼编号后等距布放,笼距一般 15-20m),标记(采用染色、剪毛,剪趾、耳标、尾标和腿环等方法标记),在样地平面图上记录后,就地释放。经一定时间再行捕捉,用铗日法和标记重捕法推测种群数量。在虚拟环境中,结合标记重捕法的理论假设,在模拟系统中控制调整种群参数,如迁入率、迁出率、出生率、死亡率、捕捉间隔、捕捉时间、标记方式等,推测种群数量,并与实测数据比对,深入分析动物种群数量动态的影响因素。

实验功能及效果

此仿真实验旨在开拓学生视野、培养学生思维。学生通过仿真实验可以体验到宏观尺度上种群数量的研究手段,加深对种群数量计算方法的理解,并可以举一反三、推广至其他物种的野外调查研究。另外,仿真程序不但能够模拟各种情况下种群的数量特征,而且降低了野外采样的危险性和对野生动物的伤害性,为动物生态学实验提供了全新的平台。

虚拟生境下植物种群动力学分析

虚拟生境下植物种群动力学分析

实验内容

秦岭野外实习基地海拔变幅大,地形复杂,气候多变,同种植物在不同生境下种群大小往往差异很大(图1)。野外环境因子差异对植物种群扩张所具有的长期效应很难在实验室得到重现。利用虚拟仿真平台,探索环境因子对植物种群动力学的影响,将其结果同野外观察结果相验证,有助于学生对这一科学问题的全面理解(图2)。

图1 植物的不同种群密度

图2 给定环境条件下植物种群的 NetLogo 模拟(Daisyworld 模型)

在野外实习过程中,学生对实习基地不同生境中特定植物的种群大小和分布特点进行记录统计。实习结束后,学生学习使用建模平台 NetLogo 软件,改写已有模型,录入植物生长特征信息,加入实习基地各生境的气候、海拔等环境因子,分析植物种群动态曲线;调节环境因子参数设置,检验生境因子对植物种群扩张的制约函数;与野外实际观察结果比对,探讨自然环境选择和随机因素在植物种群变化过程中的作用。

实验功能及效果

通过本项目的训练,可以综合提高学生对种群概念的理解,了解种群变化对于物种形成和分化过程中所发挥的作用,综合培养学生的植物学和数字模拟能力,加深学生对植物与环境之间选择-适应关系的认识。

秦岭毛茛科植物演化史的计算机模拟

秦岭毛茛科植物演化史的计算机模拟

实验内容

学生对实习基地毛茛科植物性状进行采集、统计、汇总的基础上,对该科植物的演化历史进行模拟仿真推演,再现物种演化过程,使学生直观地认识生物演化进程,以训练学生从演化的观点重新认识植物系统分类学。

毛茛科植物是连接基部被子植物类群和核心真双子叶植物的关键植物类群,其形态多样,在秦巴山区资源丰富,每年实习学生都能够获得多种毛茛科植物的标本样品,该科中原始的、进化的和各种中间类群的代表均可在实习基地见到,是演化生物学非常合适的研究材料(如图)。然而,生物演化是一个不可重复的过程,对演化历史的推演只能是依照现生的植物性状进行比较推理,不可能在野外直接观察到,也不可能在实验室重现。仿真虚拟实验系统的开发,使这一过程的再现成为了可能。

图 秦巴山区毛茛科植物资源

(①黄三七,②乌头,③华北耧斗菜,④无距尾囊草,⑤芍药)

在野外实习期间,组织学生对基地毛茛科各类植物的形态学数据进行系统的识别和收集,包括植物习性、根、茎、叶,花、果实、种子特征,以及植物群落特征描述。实习结束后,学生登录网络软件平台,录入相关数据。在演化历史推演过程中,结合系统演化和生物信息学知识,利用最大简约法等模型,对实习基地毛茛科植物的演化历史进行计算机模拟分析(如图),其中重点针对花的结构和叶片形状等几个关键性状进行特定的推演,获得物种历史演化路径的最优演化树。

图 最大简约法推演毛茛科植物演化历史

实验功能及效果

通过本项目,培养学生在形态解剖学、分类学、演化生物学、生物信息学等多个领域进行综合分析的能力,训练学生从历史演化的角度,加深对植物系统分类学的认识。

同一生境下不同植物生长过程差异性的模拟

同一生境下不同植物生长过程差异性的模拟

实验内容

学生在野外实习中观察不同植物在同一生境中的表型差异,采集植物生长和生境数据,对不同植物在相同生境中的生长过程进行计算机模拟,规避植物生长发育历期长和野外实习观测时间短的限制,提高学生对植物表型可塑性及物种间差异性的认识水平。

学生野外实习过程中,普遍可以观察到同一生境下不同种植物、各年龄阶段乔木和草本植物共存的现象。但由于实习时间有限,学生难以对植物这一复杂系统整个生长周期进行长期观察,也难以直观地理解不同植物在特定环境下占用不同空间比例的成因。通过收集野外植物生长数据和室内仿真模拟,比较不同植物在同一环境下生长状况差异,有利于学生全面认识植物的生长规律以及不同植物在野外环境中形态学和生理生长特性等方面的差异。

例如,秦岭南坡旬阳坝实习基地海拔 1100-2200m 范围内为夏绿针阔叶混交林,油松( Pinus tabulaeformis )和锐齿栎( Quercus aliena var. acuteserrata )分别为这一混交林中常见常绿乔木和落叶乔木,是这一地区具有代表性的造林物种。学生在实习期间,通过观察测定这两种乔木的生长状况,获取植物所需生长空间等各项参数(如图)。

图 野外两种植物生长参数统计

根据采集到的数据,统计分析不同树龄植物的生长特征参数,分别建立两种乔木的生长习性(生长速率)的数学模型。 h=fh(n) ; d=fd(n) ; n L =fn L (n) ; w L =fw L (n) ; d C =fd C (n) ;h C =fh C (n) 。结合实习基地气候季节实际情况(网络资料+其他学科内容综合)和植物本身习性(生长季节-周期等),教授学生熟悉和使用虚拟平台上链接建模平台 NetLogo软件,改写已有模型,完成两种植物长期生长状况的模拟(如图 ),检验与野外实际观察的物种生长结果是否相符。

图 NetLogo 比较分析两种植物(Tabonuco 和 Vagrumo 模型)的生长情况

实验功能及效果

通过野外数据观察、统计和电脑模拟,培养学生野外识别植物物种、观察统计植物生长情况、观察植物树龄的技能,同时培养学生结合环境气候情况和植物生长习性推演植物生长状况的能力,将野外实际同《植物学》课程中不同植物的性状比较理论结合起来,加深学生对不同植物生长过程差异的理解。

吉林向海芦苇湿地典型植物分类及生态化学计量学特征的测定

本虚拟仿真实验项目模拟了向海芦苇湿地典型植物分类及植物样品生态化学计量学特征的测定。

通过近距离展示, 观察三维仿真植物模型的特征, 了解向海湿地典型 40 种植物的形态特征及识别要点, 学会填写植物调查记录表、 编制植物检索表、 熟练使用工具书等专业技能,掌握植物的分类和鉴定方法。以千屈菜为研究对象, 掌握植物生态化学计量学特征测定的实验流程及仪器设备的使用。项目注重开阔学生的视野, 锻炼学生独立进行植物学专题研究的能力, 培养学生初步从事野外科学研究的综合素质, 对提高我校及周边高校生物类人才培养。

实验原理(或对应的知识点)
(1) 植物种类多样性是植物有机体与环境长期的相互作用下, 通过遗传和变异, 适应和自然选择而形成的, 每一种植物都具有其独特的特性。
(2) 依据提供的辅助资源对虚拟实验中出现的植物进行识别鉴定、 数据记录。
(3) 以向海不同淹水频率下芦苇湿地为研究对象, 采集植物样品, 分析植物氮、 磷含量及分布特征。