这是全国第一个

医学合成生物学的

【资料图】

虚拟仿真实验课

2019年在华东师大上线

已服务来自全国、特别是中西部地区院校

生物科学、生物技术、生物工程、

生物制药专业的2650名学生

并将有望辐射“一带一路”国家

2023年课程入选国家级“金课”

（国家级一流本科课程）

分子克隆、细胞工程改造……用一束光治疗糖尿病？这些概念和成果听起来就像科幻小说中的情节，有些不可思议。

作为生物学新兴的分支学科，合成生物学发展迅猛，不仅带来第三次生物科技革命，还被称为属于未来的“天工开物”。但除非进入相关实验室学习，广大学生们很难接触到这方面的知识。

华东师大《光控定制细胞用于血糖稳态控制的虚拟仿真实验》带来了飞跃式的改变。基于华东师大医学合成生物学研究中心的前沿科研成果，凝练构建了多学科交叉、时空扩展的虚拟仿真综合实验教学平台，学生可随时随地自由、全面的在线学习合成生物学的设计思想、实验原理和实验技能等。

释放科幻性思维

z世代青年爱上科研

“学生物的都知道，生物实验是非常耗时耗力且耗钱的，”17级生物技术专业本科生谢凤珍说，“做一次pcr就得三个小时，一台离心机就要10w+，本科生实验实训中很难有做高端科研的机会。”

除了实验周期长、技术难度大、试剂耗材价格高等老难题，同学们还很容易因实验失败而被“劝退”。

而在华东师大合成生物学的虚拟仿真实验室里，十分钟就能做完一次基因扩增或细胞工程改造，不花一分钱，大大降低试错成本，无论想重复演练多少次，都可以随时随地进行。

“我最喜欢的还是这个实验室的故事情节和逼真的情景，感觉在进行一个通关游戏，怀着解决真实问题的急迫心情，通过深入的自主学习不断‘加buff’，抽丝剥茧寻找答案。”19级生物科学专业本科生齐哲说。

实验由一段医院场景的剧情引入，面对糖尿病患者提出的每天注射胰岛素的困扰，引导学生聚焦开发一种便捷无痛苦的新型糖尿病治疗给药方式。课程三维重建整个实验场景及步骤，再现了人工智能光控基因表达细胞的构建，及光照调控胰岛素表达控制血糖稳态的实验应用。

学生通过准确回答实验中的要点考核、正确选择关键性操作，“通关”完成整个实验流程并获得相应积分，再凭借总积分解锁实验考核模式，最终通过独立完成实验考核获得成绩报告。

qq群讨论

涉及数据检测与收集的步骤时，系统会展示真实实验数据，帮助学生通过数据处理分析得出结论。“最后由我构建的基因和工程细胞药物可以治疗小鼠的糖尿病，是一件很有成就感的事情，这就不只是枯燥的为做而做的实验。”20级生物技术专业本科生金昳雨说。

实验结束后，系统会对整个学习和实验的过程进行总结与梳理，并给予学生有关合成生物应用的展望。

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摆脱了传统以教师讲授为主的教学方式，我们希望通过设置贯穿的剧情和探究式操作的引导，再辅以真实实验操作的教学视频，学生在鼓励中进行着循序渐进的自主学习，逐步加深了对相关基础知识的理解和灵活应用，促进了对科研难题的理解和思考。

课程负责人、生命科学学院副院长叶海峰说。

该虚拟仿真课程包含在《现代生物技术大实验》课程中，课程共180学时5个学分，其中虚拟仿真实验占4个学时1个学分，全部为在线实验学时。学生考核通过率94.8%，其中超过90%的学生在完成课程后有进一步参与科研活动的兴趣，并积极进入实验室进行实践。

当卓越学术遇上卓越育人

这是一门完美诠释“以卓越学术牵引卓越育人”理念的本科生课程。

相较于传统实验教学中相互割裂离散的实验a、实验b，这门课不只是单一实验技能的训练。

通过基因环路设计、分子克隆、细胞转染、细胞稳系筛选、微胶囊制备、糖尿病小鼠模型制备等实验流程三维动画的可视化教学和反复操作练习，学生在短时期内能较好地理解合成生物学的基本理念，并掌握复杂基因环路设计原理及方法。

与其说是在教做实验，不如说是在高效地教本科生什么是科研、如何做科研。

多个实验模块贯穿整合

课程以问题为导向，将一系列如细胞培养等基础实验“小模块”组装为分子克隆、细胞转染、细胞稳系筛选、微胶囊制备、糖尿病小鼠模型制备及血糖稳态控制等综合实验“大模块”，多个实验模块贯穿整合。

这个过程有着严密的逻辑层次，实验设计一环套一环，循序渐进地融合成有体系的全链条科学思维，通过极为全面的培养，帮助学生养成独立的研究思维与能力。

“合成生物学研究可以将生命活动模块化、程序化，为生命科学问题的解决提供全新的策略和思路。”

叶海峰说，

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合成生物学的工作就是将复杂的生命活动拆解，做成一个个类似乐高积木的模块，再根据任务进行编程和组装。科幻电影中的未来科学正在逐步变成现实。

在课程中，学生还可能面临多次实验失败的挑战，需要通过独立分析原因，不断调整实验方案和技术手段来解决问题。学生还需具备较强的自主学习和探究能力，能根据实验任务的要求，主动查找资料并进行综合分析。于不知不觉中，学生的自主性、创新性、多学科交叉的思辨能力、实验中的推理判断和逻辑能力都得到了提升。

正是合成生物学跨学科、逆向思维的学科特性，以及华东师大合成生物学科的突出实力，打造出了新型科研实验教学模式，这种模式不仅为学生提供了丰富的实验体验，也为虚拟仿真课的建设提供了可复制、可推广的最佳范例。

做科研似勇士探索荒野

金课就是引路人

该课程设计源自叶海峰教授团队的代表性研究成果“smartphone-controlled opto genetically engineered cells enable semiautomatic glucose homeostasis in diabetic mice”（ science translational medicine，2017）。

该研究项目具有高度的学科交叉性，涉及实验的量大、种类多。以该项研究为核心开设的虚拟仿真课程，最难的就是学生需要较为扎实地掌握基因工程、细胞工程、细胞治疗、药物递送、信息软件工程等多个领域知识，并能灵活运用这些知识解决实际问题。

课程负责人叶海峰教授指导实验

该课程开发历时1年，设计团队成员80%具有副高及以上职称，在相关领域也都具有极强的专业性和创新能力。课程负责人叶海峰教授是国家合成生物学重点研发计划首席科学家，他对科研的见解独到深入，学识渊博，开设的课程内容丰富且形式独特有趣，是众多学生在合成生物学领域的启蒙者和领路人。

博士研究生王欣怡在本科学习时被合成生物学领域的潜力和创新性所吸引，对如何利用合成生物学技术设计和构建新的生物诊疗系统产生了浓厚的兴趣。

受到课程启发，王欣怡开始积极参与合成生物学的研究项目和实验室实践。她深入学习相关文献，掌握了基础实验技术，并在叶海峰的指导下，设计并成功构建了具有生物医学应用潜力的生物传感器和智能活体药物控制系统。

作为一名优秀的博士研究生，王欣怡已发表science子刊等多篇高质量研究论文，并有志于在医学合成生物学领域继续探索，早日实现智能活体药物的临床应用。

叶海峰说：

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我们希望，同学们通过学习科研实验的全过程，了解生命科学的前沿发展，促进他们对生物医学工程领域的理性认知，尽早形成科学探究的素养和勤于思考社会需求问题的卓越品质，让更多年轻人立志投身到健康中国的科研事业中。

来源｜教务处生命科学学院

文｜吕安琪

海报设计｜谢心怡

编辑｜吴潇岚

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上观号作者：华东师范大学