实验过程与实验方法

蛋白质组学的研究是分析化学的研究前沿和热点问题。在过去的二十多年里，复旦大学化学系各位教授热衷于蛋白质组学研究，利用多种蛋白质酶解、富集、分离和分析鉴定技术对影响人类健康的重大疾病如肝癌、胃癌、肠癌等的生物样本进行研究，同时也发展和建立了蛋白质酶解、富集、分离、分析鉴定等新技术。将高水平实验内容、关键技术、特色项目引入到基础化学实验教学中，改变传统实验内容薄弱、远离学科前沿、缺乏学校特色、对学生缺乏吸引的局面，已经成为实验教学改革的热点与共识。

在蛋白质组学研究中，高效液相色谱和质谱联用（HPLC-MS）技术是常用和重要的支撑工具之一。但由于生物质谱仪器价格昂贵、运行成本高，使得该类实验在本科生实验教学中难以大范围展开。

随着虚拟实验技术（VR）的成熟，人们开始认识到虚拟仿真实验在教育领域中的应用价值。VR在实验教学方面具有可视性强、实验时间短、经济实惠、利用率高、易维护等诸多优点。近年来,国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。

本实验的实验教学方法：

本实验拟构建一个HPLC-MS联用技术鉴定蛋白质的虚拟仿真实验平台。利用该平台，学生可以在VR设备上进行虚拟的蛋白质酶解、富集、分离和鉴定实验。实验过程中可以设置不同的实验参数达到改变实验条件的作用，并获得不同的实验结果。通过对实验结果的分析和评价，选择最优化的实验条件，达到最佳的分析结果。实验项目采用翻转课堂实验教学方法，学生通过使用本虚拟仿真实验系统，不受时间空间限制，为多样化的实验教学方式提供了新的思路。通过线下查阅文献，提交文献综述，进行小组讨论实验方案，最终在网上进行虚拟实验操作。学生完成实验后，利用线上、线下混合式的教学平台，教师辅导答疑，实现了虚拟仿真实验教学“翻转课堂”的全新教学模式。将高成本、高难度、高耗时的前沿科研过程常规化，满足本科生参与科学前沿的需求，通过与现有的基础教学实验相结合，能起到相互补充、相互促进的教学效果。

VR教学目的：

(1)不可实验到可以实验：本实验采用模拟实验的教学模式，学生通过虚拟仿真实验，可以实现因仪器价格昂贵和维护使用成本高而现实中无法进行的实验学习和研究。通过该实验，学生可以学习和掌握科学前沿知识和技术，使学生在本科教学实验学习中掌握更多新知识。

(2)不可见到可见：采用模拟实验的教学模式系统可以更好地模拟实验过程，将实验仪器的工作原理可视化地呈现出来，将黑箱化的实验仪器和实验运行过程用三维动画的形式展示出来，更便于学生对方法原理和仪器工作原理的认知和理解。直观的视觉效果，比之现代化仪器的黑箱式学习有更好的教学效果。

(3)不可动到可动：采用模拟实验的教学模式系统这样一种先进的数字化人机接口技术，进入一个由计算机生成的人机交互式三维虚拟现实环境中，与之产生互动、进行交流，可以解决现实实验中不便让学生自行改变的仪器参数而进行的实验条件设计和优化。

(4)不可完成到可以完成：采用模块式虚拟仿真实验系统，学生实验不受时间、空间限制，可以针对自己感兴趣或不理解的问题分别进行模块化学习和系统性学习，灵活性更高。学生可以在短时间、甚至分隔的时间内进行实验，不再受时间和空间条件的限制，在较短的时间内完成一个现实中需长时间才能完成的大实验。

具体实施过程包括：

(1)实验前基础理论知识预习：学生实验前必须先行预习该实验相关的基础理论知识，了解实验相关仪器的主要结构、仪器使用方法以及仪器参数选择的原则等。

(2)了解实验目的和熟悉实验内容：实验前学生通过预习熟悉本次实验的实验目的和实验内容，以便在实验过程中知道该如何优化选择实验条件并获得最佳实验结果。

(3)考察预习情况：通过网上测试题的回答，了解学生对实验方法原理、仪器原理以及实验数据解读等相关知识的掌握情况。达到要求标准即可进行虚拟仿真实验，否则要再行实验前学习，以保证实验过程的合理性、有效性以及实验结果可行性。

(4)虚拟仿真实验：学生在实验前掌握相关知识的基础上进行虚拟仿真实验。具体实验过程包括单一或混合蛋白质的酶解、磷酸化多肽富集、多肽HPLC分离和分离多肽的MS鉴定。在实验过程中，①学生可以自主输入改变实验参数、可视化的观看学习相关实验过程的实验原理三维动画视频、获得在该实验条件下的实验结果数据或图谱。根据输入参数的不同，获得相应的实验结果数据或示意图谱（构建输入实验条件变量、仪器基础知识和工作原理可视化展示以及实验结果的示意性输出的组合模式）；②虚拟实验为模块式实验。要求学生实验中分别优化酶解、富集、分离和分析模块的实验条件，并根据实验结果评判条件选择的优劣，从而选择出优化的实验条件，以便获得最佳的实验结果（每个模块单独优化模型变量，各模块变量间是分离的关系）；③虚拟仿真实验系统可以让不同分组同学选择不同样本进行实验分析，实现样品输入的多种选择和对应结果输出（例如可以建立约5个样品数据，学生实验就可以有5种选择）。

(5)数据分析和蛋白质质谱鉴定数据搜库：对标准蛋白质和混合蛋白质样品体系，学生可以根据所掌握的理论知识和质谱串级谱图数据自行拼接出肽段的氨基酸序列，并根据简单的蛋白质质谱数据库确定鉴定蛋白质的种类。这一内容，对学生而言，是一个知识的学习过程，也是对现行数据库检索蛋白质原理的认知过程；对复杂样品体系的质谱数据分析，可以利用开放数据库进行检索，以确定鉴定蛋白质的种类。这一过程可以帮助学生学会复杂蛋白质样品质谱数据的解读方法，并了解现有的常用蛋白数据库。

(6)提交实验报告：学生根据实验结果，分析实验数据，完成并提交实验报告。

(7)可能的真实实验：在条件成熟后，如能后续获得支持购买液质联用仪器，学生可以进行真实的实验。

(8)延伸学习：学生在学有余力的情况下，可以进行两方面的延伸学习。一是实验相关研究方法的文献阅读和学习，如酶解反应器、纳米材料富集蛋白质和多肽、多维色谱分离分析技术以及蛋白质生物质谱鉴定技术。这些方面我系老师已有很多高水平研究成果；二是对实验鉴定到的重要蛋白质进行文献检索和阅读，了解该蛋白质在生命过程中的作用，进一步了解科学研究在现实社会中的重要意义。

实施效果：

(1)实验过程更直观、更生动、更形象，更易于理解和掌握

由于现代化实验仪器更高级、更自动化、更集成化、更模块化、更黑箱化，学生在真实的实验过程中只能是简单进样（如用注射器进样等）和在计算机上对仪器配套软件点击鼠标的操作。而虚拟仿真实验可以将黑箱化的实验过程以图像动画的形式显示出来，更易于理解和掌握。

(2)可自主选择实验参数，便于学生对理论的理解和仪器实际操作的认识

在使用真实的仪器进行学生教学实验时，由于仪器精密度高、学生没有仪器使用经验，不能让学生随意改变仪器参数；此外，在真实仪器上改变实验仪器参数进行条件选择实验，需要较长的实验时间，所以也不能让学生自主选择参数，只能用老师优化给定的参数。而虚拟仿真实验不存在仪器损坏的风险，仿真实验过程又可以缩短实验时间，因此学生可以根据所学理论知识改变和优化实验仪器参数，以获得更好地实验结果。

(3)提高学生学习的主观能动性、对科学知识的认知力和科学研究能力

虚拟仿真实验可以使实验过程更直观和更形象，学生学起来更有兴趣；实验现象和结果随可变参数选择变化促使学生对实验原理更易理解，将理性认识和感性认识更好地结合起来；模块化的虚拟仿真实验设计可以更灵活地改变实验各环节条件，使学生发挥充分的想象力和探究力，从而培养学生对科学研究的兴趣和科研创新能力。

(4)为后续高年级专业学习和研究生学习奠定基础

学生通过该虚拟仿真实验，加深对高效液相色谱-质谱联用技术鉴定蛋白质的认识、理解和掌握，可以为以后的学习和研究奠定良好的基础。