东北大学教学试验室建设项目申报表-东北大学生命科学与健康学院.doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date东北大学教学试验室建设项目申报表-东北大学生命科学与健康学院东北大学教学试验室建设项目申报表-东北大学生命科学与健康学院东北大学教学实验室建设项目申报表基层部门(公章): 生命科学与健康学院 项目名称建设生物工程专业虚拟仿真实验室教学实验室名称实验教学中心项目负责人刘佩勇联系电话13898803939项目实施年度2018 2019 2020 项目预算(万元)367.6
2、实验室类型公共基础 专业基础 专业 项目性质新增 延续项目类型1.填平补齐类 2. 水平提升类 3.虚拟仿真类 4.新增专业类 5. 专业认证类 6.创新平台类 7. 其它 必要性1 项目用途及迫切解决的问题:(1)用途:表1 项目建设内容及功能描述建设内容依托课程系统功能简单描述生物工程下游技术虚拟仿真平台微生物工程模拟发酵罐生产工艺流程,学生在虚拟环境下完成微生物发酵工艺实验全过程,模拟实现物料投放、灭菌、接种、参数控制等各项工艺操作,还能模拟工厂化的大规模生产流程,让学生在掌握实验技能的同时还可以培养迅速与企业对接的实践生产能力基因工程模拟实现实时定量PCR与基因表达分析;基因工程菌的构
3、建: E.Coli 感受态细胞的制备、质粒DNA的转化、提取与酶切鉴定技术细胞工程模拟实现Hela细胞的冻存、复苏、传代培养以及细胞融合、分离鉴定生物物质分离工程依托酵母醇脱氢酶的提纯工艺在线模拟工艺流程,提供学生自行设计生物物质分离提纯功能模块。生物工程设备模拟实现生物工程典型设备的操作使用及实验设计,包括HPLC(高效液相色谱仪)、全自动发酵罐、分离技术、冻干技术。生命科学基础类课群虚拟仿真实验平台分子生物学模拟实现蛋白质SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳、蛋白质印迹反应(Western Blot)解剖与组织胚胎学模拟人体解剖三维骨骼、肌肉、神经、血管模型,实现各部分的缩放、三维展示及基础操作。生
4、物化学模拟实现生物化学基础实验手段的综合设计使用,依托基础实验方法(如比色、层析、离心、电泳)技术,进行生物大分子物质的提取、纯化、鉴定等基础操作。普通生物学模拟实现动植物细胞有丝分裂过程、植物营养器官的及生殖器官的结构,石蜡切片的制作以及电子切片展示微生物学微生物学自主设计性实验虚拟仿真实验平台开发:依托微生物学基础实验方法(微生物培养、计数、染色观察、微生物生理生化等),让学生自主设计实验流程并在线模拟。生物信息学利用生物信息学实验室服务器等硬件基础,模拟实现基因序列比对分析、药物分子设计虚拟现实技术的出现和应用为实践教学提供了一条新的思路。通过虚拟仿真实验教学资源的建设,不但能够让学生不
5、必进入实验室进行实际操作,就能达到一定的学习效果,而且这种虚实结合、相互辅助的实验教学形式能够激发学生的学习兴趣。生命科学的虚拟仿真实验能够解决很多传统课堂无法解决的难点: 需要信息技术解决的问题,如基因序列分析、药物分子设计等需要借助计算机或虚拟仿真实验来完成 动物实验伦理学和动物福利制度的制约; 高危、极端实验环境的制约,如高致病性病原微生物实验、放射性、强腐蚀性和剧毒类物质实验,开设面临较大风险; 生物实验材料难采集的制约,例如由于各级自然保护区禁猎,导致很多动物标本无法获得,由于生境、季节、天气等因素影响,导致有些植物标本难以采集,另外人体解剖学实验所需人体尸体及器官标本更是难求; 实
6、验周期长、操作难度大、实验成本高等因素的制约,例如细胞和分子生物学实验、生物化学实验、生物技术大实验中的综合性创新性实验项目等。本项目申请建设实验室信息化管理系统、“生物工程下游技术虚拟仿真平台”和“生命科学基础类课程虚拟仿真实验平台”(见表1),根据实际情况分三个年度建设完成,建成后虚拟仿真实验技术能够覆盖并补充大部分专业基础课和专业课程。选定的实验技术与实际需求紧密结合,在培养学生实验能力的同时还具有很高的学科展示度,可以用以下两个项目举例说明: 荧光定量PCR(也称实时定量PCR,Realtime PCR)技术是生命科学新的定量试验技术,它是通过荧光染料或荧光标记的特异性的探针,对PCR
7、产物进行标记跟踪,实时在线监控反应过程,结合相应的软件可以对产物进行分析,计算待测样品模板的初始浓度。该技术在优生优育检测、肿瘤标志物及瘤基因检测、遗传基因检测等方面都有广泛应用,已经成为分子生物学领域必备的研究手段。该实验项目原理复杂,操作环节繁琐且依赖价格昂贵的仪器和耗材才能完成,我中心2017年度申请购置两台(70万),完成单次实验所需试剂耗材费用约5000元。学生在传统课堂只能进行演示性实验,无法做到每个同学实际操作。通过虚拟仿真实验项目可以彻底解决上述问题。 发酵工艺流程虚拟仿真项目:微生物工程发酵流程是目前生物工程专业工业化生产最重要的手段之一,发酵罐的发酵操作流程繁琐复杂、周期长
8、、成本高,且伴随着高温高压环节。发酵过程分为电路、空气、高压蒸汽、水路等多个环节的控制,需要先后操作的阀门数量近100个,我中心的4套发酵罐(100万)在实验课环节仅能分组让学生轮流操作部分环节,学生短时间无法掌握工艺流程的控制。虚拟仿真平台搭建后,学生在线下模拟熟悉设备操作的同时还能够模拟工厂化的大规模生产流程,掌握实验技能的同时还可以培养学生迅速与企业对接的实践生产能力。(2)迫切需要解决的问题:针对我校实际情况,结合我院实验教学中心特点,开发虚拟仿真实验软件平台并接入信息化管理平台,实现学生在电脑客户端及学校虚拟仿真教室端都能完成虚拟仿真实验。2 如不实施带来的后果;近些年,包括东北大学
9、在内的国内高校基础条件不断建设,资产总量不断扩增,实践教学环节所占比例也越来越高。与此同时,资产、课程和安全的有效管理难度也逐年增加。伴随着信息通信技术以及互联网平台技术的不断发展,让互联网技术与实验教学进行深度融合,能够充分发挥互联网在实验室资源配置中的优化和集成作用,提升我校教学实验室的创新力和生产力。国内外同水平高校在该领域的建设已经小有成果,而我校作为双一流建设大学在信息化建设方面仅处于起步阶段,若不及早进行建设,差距会越来越大。生命科学是一门实验科学,实验技术环节复杂繁琐,仪器设备价格高,学生仅通过实验室课堂教学难以全面熟悉掌握精细实验流程和先进仪器设备的使用。部分实验项目由于仪器设
10、备价格昂贵,实验成本极高,实验条件要求苛刻,虚拟仿真实验可以在模拟环境下完成。建设虚拟仿真实验平台后,学生可以在实验室或互联网进行线下模拟操作,再结合实际实验课程,可以熟练掌握实验技术。进行虚拟仿真建设是实验教学中心进一步拓展教学手段、提升实验课程教学质量的重要途径,也是本实验技术中心中心下一步申报省级、国家级示范教学中心必要的软硬件储备。3 相关高校通行做法:自2013年教育部在全国启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来,极大地推动了实验教学示范中心内涵建设的提升和可持续发展。截至2015年9月,全国已建设有200个国家级虚拟仿真实验教学中心,分布在全国155所普通本科院校,其中45所高
11、校建有2个国家级虚拟仿真实验教学中心。表2国家级虚拟仿真实验教学中心的学科分布学科数量占比工学类11859理学类2110.5医学类2512.5管理学136.5经济学73.5农学类63文学31.5艺术学31.5教育学21法学10.5军事学10.5表3国家级虚拟仿真实验教学中心的学校隶属关系学校隶属关系学校所拥有数个平均数(个校)中央部委所属高校771161.51省属高校73771.05军队院校571.4表4 近年来美国新媒体联盟预测和描述的新兴和主流信息技术。年度近期(1年内)中期(2年-3年)远期(4年-5年)2015自带设备(BYOD)、翻转课堂创客空间、可穿戴技术自适应学习、物联网2014
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