基于Flash的生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)與評(píng)價(jià)

閆路娜 王會(huì)勇

摘要：闡述了生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并對(duì)其教學(xué)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：基于Flash 技術(shù)的生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可為學(xué)生提供一個(gè)操作簡(jiǎn)便、交互性強(qiáng)的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技能的操作平臺(tái)，具有激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展知識(shí)面，促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范的掌握，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的作用，是生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要輔助手段。

關(guān)鍵詞：生物化學(xué);虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室; Flash; 開(kāi)發(fā);評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：Q 5-33; G434? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）24-0226-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Development and Evaluation of Virtual Simulation Laboratory for Biochemistry Based on Flash

YAN Lu-na1; WANG Hui-yong2

（1. College of biological sciences and engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2. College of information science and engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract： The paper introduces the design scheme， the development and the realization process of the biochemistry virtual simulation laboratory， and evaluates the teaching effect of the biochemistry virtual simulation laboratory. The result shows that the biochemical virtual simulation laboratory system relying on Flash developed independently can provide the students with a simple and interactive operating platform for learning experiment skills. It can stimulate students' interest in learning， expand the scope of knowledge， promote students' understanding of the experimental principles and grasp the standard of experimental operation， and improve the effect of experimental teaching， and it is an important assistant method in biochemistry experiment teaching.

Key words： Biochemistry; virtual simulation laboratory; Flash; development; evaluation

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上所進(jìn)行的對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的模擬和仿真[1]。自1989年由美國(guó)學(xué)者William Wolf提出以來(lái)，因其具有的低成本、可重復(fù)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容表達(dá)豐富、共享性好且不受地域場(chǎng)地限制等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注，尤其是在臨床醫(yī)學(xué)、電子工程、化學(xué)、生物學(xué)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。從構(gòu)建技術(shù)上來(lái)看，仿真實(shí)驗(yàn)主要是基于Flash、VRML、Java、Virtools和3D Max等技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)[5-7]。其中Flash具有操作簡(jiǎn)便、編程元素豐富、輸出文件小、交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為高校、職業(yè)技術(shù)學(xué)院、中小學(xué)等非商業(yè)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)的首選[5]。

生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)是生命科學(xué)領(lǐng)域的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，也是高校生物、食品、農(nóng)學(xué)、醫(yī)藥等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的必修實(shí)驗(yàn)課。它應(yīng)用化學(xué)的方法和手段來(lái)研究有機(jī)體中的糖類(lèi)、脂類(lèi)、蛋白質(zhì)、核酸等的分子組成、理化性質(zhì)、分離純化過(guò)程等內(nèi)容。與普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)和分離出“克”數(shù)量級(jí)的產(chǎn)物相比，生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的是“毫克”和“微克”數(shù)量級(jí)的研究，往往在實(shí)驗(yàn)操作中看不到所研究的物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)原理更為抽象，經(jīng)常造成學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)理解困難，嚴(yán)重影響生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。因此，基于flash動(dòng)畫(huà)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)對(duì)傳統(tǒng)的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)疑是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

1 生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

結(jié)合生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，我們選取了考馬斯亮藍(lán)結(jié)合法測(cè)定蛋白質(zhì)濃度等6個(gè)實(shí)驗(yàn)作為建設(shè)內(nèi)容。為便于開(kāi)發(fā)工作的同步進(jìn)行，我們將每個(gè)實(shí)驗(yàn)都分解為實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)講義、實(shí)驗(yàn)視頻、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)考核五個(gè)基本模塊分別構(gòu)建，其仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1 素材的收集與處理

生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)離不開(kāi)素材的準(zhǔn)備，素材是仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。根據(jù)生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體架構(gòu)，首先收集了生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)的文本文字（*.txt; *.doc）、圖形和圖像（*.bmp; *.jpg）、聲音（*.mp3）和視頻（*.avi）等不同格式的素材資料，并按照動(dòng)畫(huà)制作和平臺(tái)構(gòu)建需要，利用Windows、Photoshop、Premiere和ChemDraw等專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)其內(nèi)容和格式進(jìn)行了必要的編輯、加工和處理。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)的Flash動(dòng)畫(huà)制作

生物化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)依托Flash 8 軟件開(kāi)發(fā)制作，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都包括前期準(zhǔn)備（腳本編寫(xiě)與場(chǎng)景設(shè)計(jì)）、動(dòng)畫(huà)制作和測(cè)試與導(dǎo)出三個(gè)步驟，其中動(dòng)畫(huà)制作是整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的核心。Flash動(dòng)畫(huà)制作又包括動(dòng)畫(huà)元件制作、圖層和時(shí)間軸構(gòu)建、動(dòng)作設(shè)計(jì)和交互控制等多個(gè)復(fù)雜環(huán)節(jié)，具體制作過(guò)程可參考方其桂（2015）完成[8]，這里不再贅述。圖2所示是實(shí)驗(yàn)“大腸桿菌質(zhì)粒DNA的提取與檢測(cè)”的“離心過(guò)程”Flash動(dòng)畫(huà)的圖層構(gòu)建和播放效果。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在Flash生物化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)講義（.txt）和實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻（.avi）素材，以Visual Studio 2010作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于.NET Framework 4.0框架開(kāi)發(fā)了生物化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)。該平臺(tái)由教學(xué)演示模塊和仿真操作模塊構(gòu)成，打開(kāi)應(yīng)用程序后，進(jìn)入登錄界面（圖3），在該界面下拉菜單可以選擇要進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)”按鈕進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)界面。從這可以查看實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)講義、視頻和仿真動(dòng)畫(huà)等教學(xué)資源，圖4所示是生物化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上的“大腸桿菌質(zhì)粒DNA的提取與檢測(cè)”仿真動(dòng)畫(huà)運(yùn)行界面。

3 生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用教學(xué)評(píng)價(jià)

為測(cè)試生物化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的使用效果，2018年12月，我們隨機(jī)抽取了某高校生物技術(shù)、生物科學(xué)、藥物制劑、藥學(xué)等專(zhuān)業(yè)的103名學(xué)生設(shè)計(jì)了A、B、C三類(lèi)10個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了調(diào)查，共回收調(diào)查問(wèn)卷98份，反饋率95.1%。。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目構(gòu)建的生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有60.2%的學(xué)生表示非常喜歡，另有35.7%的學(xué)生較為喜歡，具體如表1和表2所示。

在生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的使用效果上，91.8%的學(xué)生認(rèn)為能調(diào)動(dòng)自己學(xué)習(xí)的積極性，94.9%的學(xué)生認(rèn)為能拓寬實(shí)驗(yàn)的知識(shí)面，95.9%的學(xué)生認(rèn)為能提高教學(xué)效果。具體來(lái)看，認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)理解實(shí)驗(yàn)原理、了解實(shí)驗(yàn)操作步驟、掌握實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析有較大幫助的學(xué)生分別占總調(diào)查人數(shù)的62.2%、73.5%、63.3%和52.1%。

在生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和使用方式上，66.7%的學(xué)生支持虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式，其中39.0%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可作為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的一部分，應(yīng)用于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;另有58.1%的學(xué)生贊同將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于因?qū)W時(shí)、場(chǎng)地等限制無(wú)法開(kāi)展的項(xiàng)目。

在開(kāi)放式題型C“您對(duì)目前生物化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)試用的建議”時(shí)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生反映較多的建議是：1）希望實(shí)驗(yàn)步驟更詳細(xì)一些，講解更全面;2）增加常用實(shí)驗(yàn)儀器的使用詳解，包含設(shè)備照片，內(nèi)部圖解結(jié)構(gòu)等;3）升級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)通用格式以適應(yīng)手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)同步播放;4）增加實(shí)驗(yàn)大綱外的拓展性實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真，豐富生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。這些也為本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)一步完善提供了寶貴的依據(jù)。

4結(jié)語(yǔ)

生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是現(xiàn)實(shí)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要輔助手段，也成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外高校生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一個(gè)熱點(diǎn)[9-10]。本研究開(kāi)發(fā)的生物化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)軟件系統(tǒng)，以Visual Studio 為開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用.NET Framework和GUI技術(shù)，融合Flash動(dòng)畫(huà)、教學(xué)視頻、實(shí)驗(yàn)講義等資料，采用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，具有交互性能好，自由性和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，在實(shí)際教學(xué)中受到了學(xué)生的熱情歡迎，并取得了良好的反饋效果。但同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)還存在一些不足之處，因此，繼續(xù)改進(jìn)和完善生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)系統(tǒng)，改革生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，將是我們今后不斷努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王濟(jì)軍，魏雪峰.虛擬實(shí)驗(yàn)的“熱”現(xiàn)狀與“冷”思考[J].中國(guó)電化教育，2011（4）：126-129.

[2] 劉英杰，楊雪，闞寶朋.基于3dsMax 和Virtools 的大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2008（6）：88-92.

[3] Dalgarno B，Bishop AG，Adlong W，et al. Effectiveness of a Virtual Laboratory as a preparatory resource for Distance Education chemistry students [J].Computers & Education，2009，53（3）：853-865.

[4] Raineri D. Virtual laboratories enhance traditional undergraduate biology laboratories [J].Biochemistry and Molecular Biology Education，2001（29）：160-162.

[5] 張學(xué)軍，李剛.基于Flash 的虛擬實(shí)驗(yàn)操作交互設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)遠(yuǎn)程教育，2011（9）：84-88.

[6] Jiang H. The Research and Implementation of Virtual Laboratory Based on VRML [J].Mechanics and Materials，2014（519-520）：907-910.

[7] Jara C A，Candelas F A，Pomares J，et al. Java Software Platform for the Development of Advanced Robotic Virtual Laboratories [J].Computer Applications in Engineering Education， 2013，21：14-30.

[8] 方其桂.Flash多媒體課件制作實(shí)例教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015：4-15.

[9] 張麗娟，古同男.虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室?guī)?dòng)生物化學(xué)教學(xué)模式改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（5）：192-192，213.

[10] Trindade V M T，Zanatta G，Arantes P R，et al. Virtual laboratory activities in basic biochemistry[J].Procedia Social and Behavioral Sciences，2013（106）：3329-3334.

【通聯(lián)編輯：唐一東】