虛擬實(shí)驗(yàn)在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義

屠潔 陳欣 王卉平

【摘 要】近年來(lái)，數(shù)字化學(xué)習(xí)工具的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已取得了非常顯著的進(jìn)步，有力促進(jìn)了信息技術(shù)環(huán)境下的學(xué)習(xí)實(shí)踐。這其中，利用網(wǎng)絡(luò)和虛擬技術(shù)開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)，可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本和提高實(shí)驗(yàn)效率，并且有助于學(xué)生深入理解生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的微觀機(jī)制，是改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的一個(gè)重要發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】虛擬實(shí)驗(yàn) 生物化學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是生命科學(xué)研究的重要手段，是生命科學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的重要的實(shí)踐性課程，該課程的教學(xué)效果直接影響學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，尤其是對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生的培養(yǎng)質(zhì)量（如論文質(zhì)量和研究生的實(shí)驗(yàn)技能）至關(guān)重要。而生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)微觀領(lǐng)域的深入研究不斷地揭示了各種生命奧秘，因此學(xué)生了解生命本質(zhì)必須能夠進(jìn)入微觀世界，傳統(tǒng)的教學(xué)手段對(duì)微觀世界的動(dòng)態(tài)變化的展示卻顯得不夠充分，但信息技術(shù)提供了這種可能。運(yùn)用多媒體課件教學(xué)，動(dòng)態(tài)模擬，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，把學(xué)生的思維帶進(jìn)微觀世界模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境之中，誘導(dǎo)學(xué)生觀察思考，相互討論，共同探究規(guī)律，較好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)就是基于信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)上構(gòu)建的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，使現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)的概念

虛擬實(shí)驗(yàn)的概念，最早在1989 年由美國(guó)的William Wolf教授提出，用來(lái)描述一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)概念的提出至今僅為十多年的時(shí)間，但因其廣闊的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外有很多組織都已經(jīng)開(kāi)展了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究和建設(shè)工作，特別是在國(guó)外一些著名的大學(xué)，已有較多建好并投入使用的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，涵蓋了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)學(xué)、人工智能、生命科學(xué)、化學(xué)、物理、生物工程、通訊、3DCAD、圖形圖像、農(nóng)業(yè)科學(xué)等教學(xué)、科研領(lǐng)域。

目前，國(guó)內(nèi)在虛擬實(shí)驗(yàn)方面開(kāi)展的工作還不多，已有部分高校初步建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室。例如：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了網(wǎng)上虛擬土壤作物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬植物在三維空間中的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，探討虛擬植物模型在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。縱觀近年來(lái)虛擬實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)高校的發(fā)展和應(yīng)用， 可以看出虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)實(shí)在在地改變了人們對(duì)實(shí)驗(yàn)室的看法。由于它不但能有效地降低實(shí)驗(yàn)成本， 提高實(shí)驗(yàn)效率， 而且可以實(shí)現(xiàn)異地協(xié)作和實(shí)驗(yàn)資源共享， 因此這種實(shí)驗(yàn)方式也越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)的重視和青睞， 成為強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的一個(gè)重要發(fā)展方向。

虛擬實(shí)驗(yàn)在生物化學(xué)與分子生物學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐意義

生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般都是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，往往是教師介紹相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理，學(xué)生則按照教材所示實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中具體的細(xì)節(jié)尚處于一知半解狀態(tài)；而且，生物化學(xué)和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)所用試劑費(fèi)用較高，教學(xué)經(jīng)費(fèi)往往不允許學(xué)生進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，一些較為前沿的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還會(huì)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和所需儀器的限制無(wú)法開(kāi)設(shè)；另外，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，往往需要較長(zhǎng)的等待時(shí)間如PCR擴(kuò)增時(shí)要等待1個(gè)多小時(shí)、SDS-PAGE時(shí)電泳要等待1小時(shí)左右，后面的凝膠染色、脫色又有很長(zhǎng)時(shí)間等待，有限的課程實(shí)驗(yàn)時(shí)間只能開(kāi)設(shè)非常有限的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。綜上所述，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，卻難以達(dá)到預(yù)期效果。

虛擬實(shí)驗(yàn)則可以很好地解決上述問(wèn)題，開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境由虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、虛擬器材庫(kù)和開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成。虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)類(lèi)似，可供學(xué)生自己動(dòng)手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。教師利用虛擬器材庫(kù)中的器材自由搭建任意合理的典型實(shí)驗(yàn)，或?qū)嶒?yàn)案例，學(xué)生既可以在虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上動(dòng)手操作，又可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)的操作能力、分析診斷能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生更易獲得相關(guān)的知識(shí)，科學(xué)的指導(dǎo)和敏捷的反饋。

二、生物化學(xué)與分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用現(xiàn)狀

目前，相當(dāng)部分的物理與化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室逐漸運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但是有關(guān)于生命科學(xué)的相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)均尚處于建設(shè)之中。原因有多方面的，如生命科學(xué)現(xiàn)象比較復(fù)雜，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)也就相對(duì)較為復(fù)雜；生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目繁多，有時(shí)候?qū)嶒?yàn)材料的選擇、方法的選擇不同就是不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要建設(shè)一個(gè)相對(duì)較為完善的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作量非常大，需要耗費(fèi)大量的人力物力；另外，生物化學(xué)與分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)需要計(jì)算機(jī)工程和生物化學(xué)與分子生物學(xué)專(zhuān)業(yè)人才共同努力才能完成的一項(xiàng)工作，而大部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)中兩個(gè)學(xué)科之間交叉得比較少，也就是專(zhuān)業(yè)課程老師的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)相對(duì)較為薄弱，而計(jì)算機(jī)工程的專(zhuān)業(yè)人士的生物化學(xué)與分子生物學(xué)背景又相對(duì)欠缺。因此，生物化學(xué)與分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)尚有待于探索和研發(fā)。

三、展望

虛擬實(shí)驗(yàn)輔助生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種全新的嘗試，能提升課程學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量。但是，由于生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)本身的復(fù)雜性，虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的研發(fā)尚處于起步階段，其進(jìn)一步開(kāi)發(fā)需要投入很大的人力和物力，需要計(jì)算機(jī)工程和生物化學(xué)與分子生物學(xué)專(zhuān)業(yè)人才共同努力才能完成。綜上所述，針對(duì)課程特點(diǎn)合理選用開(kāi)發(fā)技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和應(yīng)用，使虛擬實(shí)驗(yàn)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益的、必要的補(bǔ)充。

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