從高校生物實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀及問(wèn)題看虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的作用

楊杰 孫丹楓

摘要：本文列舉了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，并對(duì)我國(guó)高校生物實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析研究，闡述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于高校生物實(shí)驗(yàn)發(fā)展產(chǎn)生的作用，從而論證虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與高校生物試驗(yàn)緊密結(jié)合，將對(duì)解決高校生物實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀和問(wèn)題具有重大意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；高校生物實(shí)驗(yàn)；節(jié)約高效安全

1我國(guó)高校生物實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀及問(wèn)題

我國(guó)有1983所高校，設(shè)置生命科學(xué)專業(yè)的知名高校并不多，如北京大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京大學(xué)等不足10所。據(jù)調(diào)研，不管是知名大學(xué)還是普通高校的生物實(shí)驗(yàn)室均存在以下五種難題：

（1）實(shí)驗(yàn)器材昂貴。高校生物課程需要做種類繁多的實(shí)驗(yàn)，不同的實(shí)驗(yàn)需要相應(yīng)的儀器。大型實(shí)驗(yàn)需要的儀器，如一臺(tái)液質(zhì)聯(lián)用儀，低檔一點(diǎn)的100萬(wàn)元人民幣，中檔的在300萬(wàn)左右，高檔的達(dá)600到700萬(wàn)。據(jù)調(diào)研：南京某著名“211、985工程”高校也只有102臺(tái)高檔液質(zhì)聯(lián)用儀，學(xué)生平時(shí)幾乎沒(méi)有機(jī)會(huì)接觸到高檔儀器，一般的普通高校配備此類高檔儀器的屈指可數(shù)。

（2）師資隊(duì)伍缺乏。由于實(shí)驗(yàn)室儀器的缺乏帶來(lái)的“蝴蝶效應(yīng)”，使得熟悉和操作該儀器的教師和實(shí)驗(yàn)員寥寥無(wú)幾，能夠給學(xué)生傳授知識(shí)的教師更是門可羅雀。對(duì)于我國(guó)高校生物實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)可見一斑。

（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程用時(shí)難以掌握。生物實(shí)驗(yàn)周期短則幾分鐘，長(zhǎng)則幾天、幾周，如果一學(xué)期要做多次實(shí)驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的。所以，教師只能選擇一些具有典型范例并且周期不長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，或者把化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程跳過(guò)，讓學(xué)生直接看做好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于客觀條件限制，大部分的實(shí)驗(yàn)學(xué)生只能通過(guò)多媒體和書本“紙上談兵”了。

（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)督困難。生物實(shí)驗(yàn)需要按部就班，期間需要觀察、度量、取樣等等諸多工作，大量數(shù)據(jù)需要記錄。據(jù)南京某高校生物實(shí)驗(yàn)室教師抱怨，因?yàn)榻處煵蛔?，不可能去督促每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，許多學(xué)生往往在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很粗心，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不完整。

（5）實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全隱患。生物實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些致命的物質(zhì)、氣體等，這就牽涉到安全問(wèn)題?！吨袊?guó)教育報(bào)》上一篇《高校實(shí)驗(yàn)室的那些事兒》的文章，作者姜乃強(qiáng)先生感慨地寫道，北京某校因3名博士生做實(shí)驗(yàn)所發(fā)生的高溫熔煉爐爆炸的事故，造成了嚴(yán)重的影響。可見安全隱患一直困擾著生物實(shí)驗(yàn)，排除一些主觀因素，如缺乏安全意識(shí)和不遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)則，更重要的是如何在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中開發(fā)出既安全又科學(xué)，效率又高的實(shí)驗(yàn)方法。

2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于生物實(shí)驗(yàn)的作用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是用計(jì)算機(jī)生成的系統(tǒng)，對(duì)于三維動(dòng)態(tài)角色和場(chǎng)景進(jìn)行全方位模擬，而用戶則通過(guò)多種交互方式融入該系統(tǒng)。對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)說(shuō)，交互程序和三維技術(shù)就像一組雙子星，再好的交互體驗(yàn)失去了逼真的視覺(jué)沖擊力一切努力效果會(huì)大打折扣。相反，優(yōu)秀的三維作品失去合理的人機(jī)互動(dòng)，同樣它的實(shí)用性將被削弱。

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在西方國(guó)家生物實(shí)驗(yàn)中的地位。美國(guó)走在發(fā)達(dá)國(guó)家生物實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最前端，一方面是由美國(guó)的人才儲(chǔ)備決定的；另一方面與美國(guó)政府的大力扶持密不可分。在美國(guó)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。高校之間利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)學(xué)生跨校、跨州進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn)，搭建了一個(gè)全新的理論教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的平臺(tái)，學(xué)生可以利用空閑隨時(shí)隨地的進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)系統(tǒng)由美國(guó)幾所頂尖大學(xué)牽頭，行業(yè)知名教授主持每季度輸入新的虛擬實(shí)驗(yàn)加入系統(tǒng)，對(duì)于前期的虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行升級(jí)，保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)始終位列世界前沿。每所高校把本校重點(diǎn)學(xué)科制作成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)布至平臺(tái)，供全美所有高校學(xué)校使用。當(dāng)然，從制作到最終驗(yàn)收相當(dāng)嚴(yán)格，同樣一種實(shí)驗(yàn)，由幾所高校競(jìng)爭(zhēng)，最終留下精品。學(xué)生只需要在平臺(tái)中登錄賬號(hào)和密碼，就可以在平臺(tái)中找到自己需要的相應(yīng)科目和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程由電腦全程記錄，便于教師和學(xué)生復(fù)查檢驗(yàn)。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)已引起重視。由于起步較晚和配套人才的缺乏，我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仍處于初級(jí)階段。虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)在我國(guó)還沒(méi)有成型，但一些重點(diǎn)高校，正在做相關(guān)的嘗試。例如，2014年至2015年南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院和南京銳美捷信息信息技術(shù)有限公司合力開發(fā)的“生物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”和揚(yáng)州大學(xué)開發(fā)的鯽魚解剖實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)等等。教育部也在大力推進(jìn)各高校虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的搭建與經(jīng)驗(yàn)交流，于2015年7月初由江蘇大學(xué)主辦的“高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與發(fā)展經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)”有40多所高校約300）k共同參加，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè)起到了積極的作用。

3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于改善和解決我國(guó)高校生物實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀與問(wèn)題具有重大意義

（1）低成本。傳統(tǒng)生物解剖實(shí)驗(yàn)每一次都要滅殺一只動(dòng)物。不僅對(duì)動(dòng)物利用過(guò)于浪費(fèi)，也是一筆不菲的開支。如果利用計(jì)算機(jī)制造出逼真的3D生物，諸多問(wèn)題就迎刃而解了。同時(shí)，高質(zhì)量的大型儀器利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制造出3D模型和模擬出逼真的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，教師和學(xué)生都從中受益。

（2）高效率。某些傳統(tǒng)生物實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)監(jiān)督困難。而生物虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以節(jié)約時(shí)間，忽略掉實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)關(guān)緊要的細(xì)節(jié)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以直接模擬呈現(xiàn)，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)高效，還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（3）安全可靠。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬出虛擬的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，學(xué)生在反復(fù)操練中，不僅熟悉了實(shí)驗(yàn)過(guò)程還增強(qiáng)了理論知識(shí)理解，對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室存在的安全隱患，系統(tǒng)會(huì)著重提醒，學(xué)生在今后的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中就不會(huì)手忙腳亂，這樣既規(guī)避了風(fēng)險(xiǎn)，也保證實(shí)驗(yàn)的安全。

（4）人才培養(yǎng)。在新技術(shù)的發(fā)展運(yùn)用上，人才處于第一位。美國(guó)著名的公司“暴雪”EA技術(shù)部有諸多華人的身影，華人在三維領(lǐng)域的天賦是有目共睹的。在中國(guó)其實(shí)不缺乏相關(guān)人才，缺的是不拘一格降人才的制度。我國(guó)政府每年也為此投入了大量的財(cái)力，理應(yīng)跟上世界潮流，齊頭并進(jìn)。

（5）相互配合。開發(fā)系統(tǒng)平臺(tái)的相關(guān)人員是做三維動(dòng)畫和程序出身的技術(shù)人才，對(duì)于專業(yè)性極強(qiáng)的生物實(shí)驗(yàn)不知如何人手，高校生物教師對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也不甚了解。在雙方缺乏溝通和理解的情況下，導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)最終的成品和預(yù)期的往往南轅北轍，要么體驗(yàn)感不如人意，要么生物實(shí)驗(yàn)流程的腳本無(wú)從下手。其中問(wèn)題是缺乏前期合理的策劃、協(xié)調(diào)、溝通，教師需要把生物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合理的分割，寫出腳本，將每個(gè)環(huán)節(jié)耐心、細(xì)致地介紹給相關(guān)技術(shù)人員。而制作人員也要將相關(guān)技術(shù)介紹給教師，相互配合、相互理解、坦誠(chéng)溝通，最終達(dá)到共同的目標(biāo)。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于改善和解決我國(guó)高校生物實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀和問(wèn)題具有重大意義。在我國(guó)高校應(yīng)該廣泛運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)，這樣既能節(jié)省開支，又能將高校各科實(shí)驗(yàn)推向一個(gè)嶄新的階段。由此及彼，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)延伸到其他學(xué)科和領(lǐng)域，這將會(huì)有力推動(dòng)我國(guó)高校的科學(xué)研究大步向前邁進(jìn)，培養(yǎng)出更多益于國(guó)家建設(shè)的人才。