基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建立與運(yùn)行

孫林 張彪 王紅梅

摘要：目前，學(xué)員數(shù)量的激增與現(xiàn)有學(xué)校教學(xué)資源的緊缺之間形成了比較大的矛盾。為了在有限的資源下滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)基因工程技術(shù)的實(shí)踐能力的形成，學(xué)校對(duì)基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)投入了大量的研究。該仿真實(shí)驗(yàn)室的建立可以不需要借助真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試劑即達(dá)到模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作的體驗(yàn)，以幫助學(xué)員進(jìn)行真實(shí)操作前的培訓(xùn)和練習(xí)，同時(shí)不受空間和時(shí)間得限制。本文主要從實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的意義、建設(shè)內(nèi)容以及運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行了闡述，以期待為該技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用提供相關(guān)理論認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：基因工程；虛擬仿真；運(yùn)行機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）51-0244-02

基因工程技術(shù)在促進(jìn)新產(chǎn)品的高質(zhì)量產(chǎn)出方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前途的技術(shù)之一。該學(xué)科不僅要求學(xué)生具有非常扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，而且還有精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)操作能力和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。而基因工程相關(guān)技術(shù)的學(xué)習(xí)和技術(shù)操作實(shí)踐需要借助于較大型的實(shí)驗(yàn)儀器反復(fù)的操作練習(xí)，并且實(shí)驗(yàn)所需試劑也非常昂貴，因此無(wú)論從設(shè)備試劑資源還是費(fèi)用開(kāi)支方面，都難以滿(mǎn)足學(xué)生進(jìn)行大量的實(shí)際動(dòng)手培訓(xùn)和學(xué)習(xí)。隨著高校人數(shù)的日益增加，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室空間顯得越發(fā)不足和緊張。如何在有限的空間和經(jīng)費(fèi)的支持下，最大程度的讓學(xué)生在實(shí)踐操作中學(xué)習(xí)基因工程的理論知識(shí)，是每一所開(kāi)設(shè)基因工程院校所亟待解決的問(wèn)題。上個(gè)世紀(jì)80年代，美國(guó)的虛擬仿真技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)迅速引起了廣大科技人員的關(guān)注。該技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)的3D建模計(jì)術(shù)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室里不同視角下物體的間距和比例模擬生產(chǎn)一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，即將真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬到計(jì)算機(jī)上形成一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室界面，讓學(xué)生在線(xiàn)學(xué)習(xí)和操作。這種模擬技術(shù)如果應(yīng)用于基因工程實(shí)驗(yàn)?zāi)M開(kāi)發(fā)上，即可很好的解決基因工程院校設(shè)備資源不足和經(jīng)費(fèi)開(kāi)支巨大的問(wèn)題。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的概念及其特點(diǎn)

虛擬仿真技術(shù)，出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)的80年代末，當(dāng)時(shí)美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的William Wolf教授提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念，他的目的是用來(lái)描述一個(gè)“以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)”的虛擬實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境。何為虛擬實(shí)驗(yàn)室？即以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過(guò)編程和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的再現(xiàn)，該環(huán)境的真實(shí)性一般要接近甚至優(yōu)于真實(shí)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)該軟件提供的虛擬實(shí)驗(yàn)室界面，完成實(shí)驗(yàn)前的培訓(xùn)以及預(yù)實(shí)驗(yàn)，并且軟件會(huì)根據(jù)相應(yīng)的程序?qū)?shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)。相對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）性?xún)r(jià)比高。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室只需特定的軟件支撐，無(wú)序購(gòu)買(mǎi)大量的昂貴設(shè)備，但是卻能讓學(xué)員感受到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。（2）目標(biāo)明確。真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中，由于老師與學(xué)生都具有非常明顯的主觀行為，許多主觀行為的出現(xiàn)會(huì)干擾教學(xué)效果，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可以直接進(jìn)入主題，忽略許多無(wú)關(guān)緊要的細(xì)節(jié)，節(jié)約教學(xué)時(shí)間。（3）教學(xué)時(shí)間靈活。由于網(wǎng)絡(luò)的共享或者軟件的獨(dú)立性，這種仿真實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)踐操作可以打破空間的局限性，使得學(xué)員隨時(shí)隨地可以進(jìn)行學(xué)習(xí)。

二、基因工程虛擬實(shí)驗(yàn)室功能特點(diǎn)

基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與建立，一方面可以解決學(xué)校內(nèi)部空間以及經(jīng)費(fèi)的緊張的問(wèn)題，另一方面還可以使得學(xué)員在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)基因工程相應(yīng)的操作技術(shù)，做到學(xué)有所用，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合。基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不僅需要生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，還需要計(jì)算機(jī)軟件編程設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)，如何將二者有效的結(jié)合起來(lái)完成基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是該平臺(tái)落成的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

1.“基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室”可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享。軟件設(shè)計(jì)一方面可脫離網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，軟件安裝在電腦上后，可以直接運(yùn)行，讓學(xué)員可自由自主的學(xué)習(xí)和上機(jī)操作，且不受網(wǎng)絡(luò)的限制。另一方面，軟件可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上資源共享，通過(guò)個(gè)人賬戶(hù)登錄，學(xué)員之間可將成績(jī)、數(shù)據(jù)結(jié)果、疑難問(wèn)題上傳實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交流學(xué)習(xí)和討論，也可求助在線(xiàn)教師的指導(dǎo)。

2.“基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室”可實(shí)現(xiàn)軟件教學(xué)。學(xué)習(xí)平臺(tái)上除了有一個(gè)虛擬的操作平臺(tái)還可提供精簡(jiǎn)優(yōu)秀的教學(xué)頻頻及資料信息，讓學(xué)員能夠迅速地對(duì)抽象的理論概率有更直觀形象的理解，真正讓學(xué)員實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐學(xué)習(xí)的結(jié)合。

3.“基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室”可具有良好的評(píng)價(jià)功能，這種評(píng)價(jià)應(yīng)該分為“軟件自評(píng)”以及“教師評(píng)價(jià)”兩種層次。軟件自評(píng)可方便學(xué)員的自學(xué)，還會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行整理，以方便學(xué)員能夠及時(shí)更正，歸納和提升。教師評(píng)價(jià)可方便教師對(duì)學(xué)生的操作過(guò)程進(jìn)行評(píng)定和指導(dǎo)。

4.“基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室”可具有干凈整潔甚至更加舒適的視覺(jué)美感。實(shí)驗(yàn)本身是比較枯燥的，這在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中是無(wú)法避免的；但是模擬環(huán)境中，我們可以充分的發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的主觀能動(dòng)性，增添模擬環(huán)境的一些美感和舒適感。

三、基因工程模擬仿真實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)內(nèi)容

本文主要是從總體上對(duì)“基因工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室”進(jìn)行介紹，對(duì)于其中涉及到基因工程和計(jì)算機(jī)編程設(shè)計(jì)中相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)不做詳細(xì)介紹?；谝陨显O(shè)計(jì)理念，我們將“基因工程仿真實(shí)驗(yàn)室”的建設(shè)細(xì)分為以下幾個(gè)方面。

1.軟件主頁(yè)的設(shè)計(jì)。其實(shí)對(duì)于軟件本身而言，主頁(yè)界面可幫助學(xué)員迅速了解軟件的內(nèi)容和如何使用該軟件。學(xué)員在該界面可以找到所有的操作命令，引導(dǎo)學(xué)員進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。主頁(yè)應(yīng)該包括軟件版權(quán)問(wèn)題的確認(rèn)、軟件使用說(shuō)明、學(xué)員賬號(hào)的注冊(cè)、“基因工程技術(shù)理論介紹”、“基因工程技術(shù)真實(shí)人員的操作過(guò)程演示”、“基因工程技術(shù)仿真模擬自練模塊”、“技術(shù)仿真模擬考核界面”、“操作人員實(shí)際操作情況評(píng)價(jià)界面”以及“群內(nèi)操作人員操作情況對(duì)比界面”。

2.“基因工程技術(shù)理論介紹部分”內(nèi)容的設(shè)計(jì)。該部分主要將基因工程技術(shù)所涉及到的生物化學(xué)、微生物相關(guān)的背景以圖示加簡(jiǎn)明扼要的文字組成，學(xué)院進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)操作前可以先對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的回顧，如果在理解時(shí)有其他問(wèn)題需要尋求幫助時(shí)，可以啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接窗口，進(jìn)行網(wǎng)上搜索。這部分內(nèi)容由于以教學(xué)為目的，可以考慮多增加動(dòng)畫(huà)的演示，以使學(xué)員對(duì)理論知識(shí)有比較全面的認(rèn)識(shí)。

3.“基因工程技術(shù)真實(shí)人員操作演示”內(nèi)容的設(shè)計(jì)。該部分內(nèi)容主要是首先向?qū)W員展示實(shí)際環(huán)境中，基因工程技術(shù)試驗(yàn)操作的規(guī)范步驟。它的意義在于為學(xué)院實(shí)踐設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可附有專(zhuān)業(yè)技師規(guī)范操作視頻，便于學(xué)員快速的學(xué)習(xí)和模仿。

4.“基因工程技術(shù)仿真模擬自練模塊”的設(shè)計(jì)。這一部分主要是為了模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)課堂上學(xué)員對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟反復(fù)操作的過(guò)程。這個(gè)模塊設(shè)定了很多既定的操作規(guī)范，當(dāng)學(xué)員操作不規(guī)范時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警示，提醒和規(guī)范學(xué)員的操作，指導(dǎo)學(xué)員將該技術(shù)掌握規(guī)范。這個(gè)模塊也存在一個(gè)最終評(píng)價(jià)指標(biāo)，只有學(xué)員達(dá)到了這個(gè)指標(biāo)后才能進(jìn)入下一步的考核階段。

5.“基因工程技術(shù)仿真模擬考核界面”的設(shè)計(jì)。該部分主要的目的就是考察學(xué)員對(duì)基因工程相關(guān)操作技術(shù)的掌握情況。這種界面主要包括考核日期的選擇、理論知識(shí)的考核，考核階段實(shí)驗(yàn)器材的領(lǐng)取、實(shí)驗(yàn)步驟的操作以及考核成績(jī)的查詢(xún)。學(xué)員可以根據(jù)自己的時(shí)間安排選擇合適的考核日期；并且還應(yīng)該根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇所需實(shí)驗(yàn)器材等。

6.“群內(nèi)交流”界面的設(shè)計(jì)。該模塊主要是為了方便注冊(cè)學(xué)員之間就技術(shù)難題，自己的操作體驗(yàn)進(jìn)行交流，這種交流信息的整合一方面可以幫助老師了解學(xué)員所關(guān)注的問(wèn)題以及感興趣的話(huà)題，另一方面還有助于軟件功能的升級(jí)。

四、基因工程模擬仿真實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行管理規(guī)范

基因工程模擬仿真實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行也需要像專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室一樣有一定的管理運(yùn)行體制，以保證仿真實(shí)驗(yàn)室順利運(yùn)行。本仿真實(shí)驗(yàn)室設(shè)置了以下幾個(gè)崗位：實(shí)驗(yàn)室主任、軟件客戶(hù)端管理人員、軟件后臺(tái)數(shù)據(jù)處理與維護(hù)人員。與實(shí)際實(shí)驗(yàn)室主任職責(zé)不同的是，仿真實(shí)驗(yàn)室主任主要負(fù)責(zé)前期實(shí)驗(yàn)室仿真軟件的規(guī)劃與人員的協(xié)調(diào)，當(dāng)軟件設(shè)置成功后，主任主要是考察軟件運(yùn)行時(shí)所涉及到的基因工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)以及為了將來(lái)技術(shù)升級(jí)做好前期的考察，并且有能力組織相應(yīng)的人員進(jìn)行軟件的維護(hù)和更新。軟件客戶(hù)端管理主要負(fù)責(zé)客戶(hù)端界面的維護(hù)與升級(jí)。比如軟件是學(xué)校本身的資源，考慮到產(chǎn)權(quán)和專(zhuān)利所有權(quán)的問(wèn)題，可設(shè)計(jì)相關(guān)密碼保護(hù)。一般在用戶(hù)界面會(huì)設(shè)有登錄界面，以及頭像或者指紋鑒別系統(tǒng)，幫助系統(tǒng)對(duì)操作人員的鑒別。軟件后臺(tái)數(shù)據(jù)處理與維護(hù)人員主要負(fù)責(zé)軟件前臺(tái)搜集到的數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析以及算法的優(yōu)化，整理出相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)告，報(bào)告給主任，以此幫助新軟件開(kāi)發(fā)。雖然基因工程模擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義，它可以幫助學(xué)校節(jié)省建造專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室以及購(gòu)買(mǎi)新設(shè)備的經(jīng)費(fèi)，還可以方便學(xué)生對(duì)該技術(shù)的學(xué)習(xí)和反復(fù)的操作練習(xí)，但是現(xiàn)階段由于技術(shù)上的不足，仿真實(shí)驗(yàn)室與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室之間還是存在較大差距。主要有以下幾點(diǎn)：（1）實(shí)驗(yàn)過(guò)程有刪減。仿真實(shí)驗(yàn)室為了節(jié)省時(shí)間，一般會(huì)省去許多無(wú)關(guān)緊要的細(xì)節(jié)部分，但是這些細(xì)節(jié)往往在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中是存在的，比如滅菌過(guò)程、平板的洗滌、以及實(shí)驗(yàn)試劑的配備和存放等。而實(shí)驗(yàn)試劑的配備和存放以及滅菌等相關(guān)過(guò)程需要實(shí)驗(yàn)者的耐心和細(xì)心的能力是軟件平臺(tái)上還無(wú)法真實(shí)模擬的。（2）電腦操作和實(shí)際操作的差距。這是目前仿真實(shí)驗(yàn)室建立過(guò)程中遇到的典型的問(wèn)題。因?yàn)閷W(xué)員主要依靠鼠標(biāo)或者觸摸的辦法對(duì)模擬一起進(jìn)行操作，但是真實(shí)實(shí)驗(yàn)中很多的操作是需要手感的，因此仿真無(wú)法做到這一點(diǎn)。

總之，基因工程仿真模擬實(shí)驗(yàn)室在幫助學(xué)員做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，增加其對(duì)該部分知識(shí)的認(rèn)知方面將會(huì)發(fā)揮很大的作用，雖然該實(shí)驗(yàn)室的建立還會(huì)存在很多的問(wèn)題，但是我們也堅(jiān)信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，還會(huì)有更加全面的技術(shù)會(huì)面世。

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