虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用研究

劉遠(yuǎn)，薛晨，熊明華，張輝，王光利，李 峰

(淮北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北 235000)

伴隨互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，教育部依據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》指出，從2013年開始啟動(dòng)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè).VR技術(shù)(Virtual Reality)，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是指用戶與三維環(huán)境通過計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)直接進(jìn)行通信的一種虛擬環(huán)境，同時(shí)使用戶具有沉浸感[1].虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面.隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)圖像處理水平的不斷提高，計(jì)算機(jī)3D建模技術(shù)不斷完善，VR教學(xué)在教學(xué)領(lǐng)域走進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)室真正成為可能，當(dāng)VR在教學(xué)中普及時(shí)，將會(huì)深化高校教學(xué)改革，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)式教學(xué).隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展完善，將進(jìn)一步推動(dòng)教育的發(fā)展.

在本科階段學(xué)習(xí)培養(yǎng)微生物實(shí)驗(yàn)操作過程中，微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)作為最基礎(chǔ)的課程，有著特別的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法，包括準(zhǔn)確使用顯微鏡觀察微生物、無菌操作、純種分離等.微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量和效果對(duì)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)操作能力的培養(yǎng)具有重要作用.然而，過去微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，主要體現(xiàn)在教師對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和方法的口頭講解，以及學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐過程中教師輔助指導(dǎo).這種傳統(tǒng)模式充分體現(xiàn)了教師是教學(xué)活動(dòng)的中心和主體，而學(xué)生則缺少學(xué)習(xí)的自覺性，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性和創(chuàng)造性，限制了學(xué)生創(chuàng)造性思維能力和基本微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技能的提高，不利于高層次的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[2].

虛擬實(shí)驗(yàn)室是通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬化的實(shí)驗(yàn)儀器、虛擬化的設(shè)備和虛擬化的場(chǎng)景，以軟件的形式展現(xiàn)的物理實(shí)驗(yàn)過程的應(yīng)用系統(tǒng).虛擬實(shí)驗(yàn)室由實(shí)驗(yàn)課程、虛擬器材庫(kù)、網(wǎng)上管理系統(tǒng)等組成[3].學(xué)生在進(jìn)行微生物實(shí)驗(yàn)中遇到準(zhǔn)備工作復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、或?qū)嶒?yàn)本身要求精準(zhǔn)，難以達(dá)到理想狀態(tài)下的試驗(yàn)條件，虛擬實(shí)驗(yàn)室就體現(xiàn)出其明顯優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)效率高，實(shí)驗(yàn)消耗低等的優(yōu)點(diǎn).淮北師范大學(xué)生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中心應(yīng)用VR技術(shù)在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用提供借鑒.

1 VR技術(shù)在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

1.1 拓展課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

學(xué)生在VR環(huán)境中對(duì)傳統(tǒng)微生物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行熟練操作，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，對(duì)重點(diǎn)，難點(diǎn)多次操作練習(xí)，使微生物實(shí)驗(yàn)靈活性增加，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容得到豐富，不受傳統(tǒng)硬件條件的制約.很多新的實(shí)驗(yàn)難以操作，結(jié)果難以實(shí)現(xiàn)，而通過虛擬技術(shù)則克服了這一缺點(diǎn)[4].

1.2 提高微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率.

當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程操作步驟繁多，在過程中容易因注意力不集中導(dǎo)致步驟出錯(cuò)，而且教師不能顧及每個(gè)學(xué)生，難免導(dǎo)致教學(xué)效果不理想.通過學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中的互動(dòng)，教師可以對(duì)模擬操作的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察與記錄，準(zhǔn)確地記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中所犯的錯(cuò)誤，判斷學(xué)生對(duì)某些知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，有針對(duì)性地加強(qiáng)相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo).在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，每個(gè)學(xué)生因在沉浸教學(xué)中提高了積極性，成功率得到提升，學(xué)習(xí)效率也大大提高.

1.3 提升微生物實(shí)驗(yàn)資源利用率

由于傳統(tǒng)微生物實(shí)驗(yàn)需要大量載玻片、平板、染液、酒精等消耗品，實(shí)驗(yàn)室消耗巨大且循環(huán)率低.用VR技術(shù)取代傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)，節(jié)約了消耗品的開銷和成本，更加環(huán)保.另外，一些具有危險(xiǎn)或者不易觀察的實(shí)驗(yàn)都可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，安全性得到提升[5].

2 VR技術(shù)在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

2.1 設(shè)置虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃，整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

VR技術(shù)在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用要切實(shí)遵循“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛”的原則，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，系統(tǒng)地設(shè)置有關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，優(yōu)化現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，合理恰當(dāng)安排相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的比例，切勿盲目，要讓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相得益彰，取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而提升教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果[6,7].同時(shí)，需要把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程納入到課程目錄之中，科學(xué)系統(tǒng)地制訂和實(shí)施相應(yīng)的教學(xué)計(jì)劃.按照微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)和要求，教師預(yù)先將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及帶有規(guī)范化操作方法的課件、三維圖片和教學(xué)視頻等資源共享到虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，學(xué)生可以登錄平臺(tái)預(yù)習(xí)相關(guān)知識(shí)，比如實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程以及儀器操作等，這將幫助學(xué)生在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程中盡量避免錯(cuò)誤操作，熟練且快速地掌握操作方法和理論知識(shí).

圖1 生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心登錄窗口

2.2 構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟件平臺(tái)

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的幫助下，用戶便可以在通過軟件構(gòu)建出來的三維虛擬現(xiàn)實(shí)立體場(chǎng)景中體驗(yàn)到美妙的感覺.近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)快速發(fā)展，科研團(tuán)隊(duì)對(duì)VR技術(shù)研究和開發(fā)也越來越深入，國(guó)內(nèi)一些專門從事VR產(chǎn)品的公司也陸續(xù)研發(fā)了自己的平臺(tái)，比如北京中視典公司的VRP以及上海創(chuàng)圖公司的webmax等.在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生主要通過操作鼠標(biāo)和鍵盤來觀察多媒體系統(tǒng)設(shè)備，并通過計(jì)算機(jī)屏幕對(duì)多媒體設(shè)備進(jìn)行實(shí)踐練習(xí)[8,9].淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院已初步建立起生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(圖1)，目前主要涵蓋6個(gè)不同研究方向的教學(xué)平臺(tái).憑借該虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，課前預(yù)習(xí)、標(biāo)準(zhǔn)化和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等自主學(xué)習(xí)型內(nèi)容可由學(xué)生經(jīng)學(xué)習(xí)端自行學(xué)習(xí)，此外，管理端可向教師提供對(duì)教學(xué)資源和考試的管理等，兼顧下載實(shí)驗(yàn)課件、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及師生互動(dòng)等功能[10].

2.3 微生物虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

VR技術(shù)沖破了時(shí)間和空間的限制，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)學(xué)生可以隨時(shí)隨地自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作.平板劃線分離法是細(xì)菌接種技術(shù)中的一個(gè)常規(guī)操作，整個(gè)過程步驟較多，操作要點(diǎn)繁雜，傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要是由指導(dǎo)教師操作演示，學(xué)生在旁觀察與學(xué)習(xí)，但學(xué)生觀看的角度不同，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的個(gè)人理解不同，導(dǎo)致掌握的實(shí)驗(yàn)操作技能常常不是很理想.學(xué)生可以通過虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行一系列完整步驟的學(xué)習(xí)與操作.

根據(jù)生物專業(yè)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)以及普通高校的教學(xué)現(xiàn)狀確定要構(gòu)建的微生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，要從以下幾方面進(jìn)行考慮：(1)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)技術(shù)訓(xùn)練，包括移液器的使用、培養(yǎng)基的配制、顯微鏡的使用、離心機(jī)的使用、滅菌鍋的使用等實(shí)驗(yàn)設(shè)施，虛擬化形式表現(xiàn)出來的三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，主要憑借Flash、3DMax等軟件中的圖片、音頻以及視頻統(tǒng)一在一起，讓學(xué)生在更加真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下模擬完成預(yù)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.(2)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)操作主要涉及聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增和擴(kuò)增產(chǎn)物的克隆、酶切、核酸凝膠電泳、純化和鑒定以及感受態(tài)細(xì)胞的制備和轉(zhuǎn)化等.(3)綜合型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，此部分實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜、周期較長(zhǎng)，并且受到課時(shí)、儀器設(shè)備等的限制，學(xué)生一般無法參與實(shí)驗(yàn)的所有流程.例如抗藥性突變株的篩選實(shí)驗(yàn).通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)生可以預(yù)先了解該實(shí)驗(yàn)的目的、原理，并且基本掌握從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)到分析結(jié)果的整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程(圖2)，有利于培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.(4)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，該部分是針對(duì)比較優(yōu)秀的少部分學(xué)生開設(shè)，用于進(jìn)一步提升創(chuàng)新能力，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用開放思維，提出創(chuàng)新型問題，分析實(shí)驗(yàn)的可行性，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在VR平臺(tái)上完成創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，在提升學(xué)生創(chuàng)新能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng).

圖2 抗藥性突變株的篩選虛擬實(shí)驗(yàn)的流程圖

3 VR實(shí)驗(yàn)室發(fā)展中存在的問題

近年來，伴隨著電子計(jì)算機(jī)和VR技術(shù)的快速發(fā)展，各國(guó)家基本已進(jìn)入“虛擬現(xiàn)實(shí)”時(shí)代.教育部正在大力推進(jìn)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，與此同時(shí)明確指出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的運(yùn)用是高等教育信息化和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容.雖然形勢(shì)一片大好，但VR技術(shù)仍然處于發(fā)展的初級(jí)階段，一些學(xué)校已經(jīng)有相關(guān)的平臺(tái)建設(shè)，但并沒有發(fā)揮出真正的作用，在 VR 技術(shù)方面暴露出的問題還是比較明顯的[11].首先，相關(guān)的技術(shù)并不是很成熟，從圖像的逼真程度、屏幕的刷新及分辨率都有待提高，并且空間定位追蹤技術(shù)和交互技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一.其次，虛擬教學(xué)內(nèi)容不豐富，優(yōu)質(zhì)的 VR 教學(xué)課件并不多見，多數(shù)都是根據(jù)需求定制，這樣必然導(dǎo)致開發(fā)費(fèi)用高昂，使人望而卻步.最后，涉及的VR 行業(yè)的廠商過多，以近年來高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備展出情況來看，廠商都在嘗試?yán)?VR 方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，導(dǎo)致投入到市場(chǎng)上的 VR 設(shè)備質(zhì)量良莠不齊，一部分低質(zhì)量產(chǎn)品給體驗(yàn)者帶來了不好體驗(yàn).還需要進(jìn)行市場(chǎng)自我調(diào)節(jié).

4 結(jié) 語(yǔ)

微生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是以現(xiàn)代化的教學(xué)方式拓展課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和實(shí)驗(yàn)資源利用率.與傳統(tǒng)教學(xué)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)主要在于虛擬仿真以及網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)將豐富的聲音、動(dòng)態(tài)化圖像以及多彩的文字結(jié)合在一起，更加直觀地展示出多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的基本原理和操作流程，更大程度上激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題也可以更加及時(shí)地被老師了解，有助于學(xué)生接受更有針對(duì)性的指導(dǎo).此外，在接下來的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)中，還需要加強(qiáng)VR技術(shù)與課堂教學(xué)的區(qū)分與結(jié)合，努力做到互為補(bǔ)充、揚(yáng)長(zhǎng)避短，并且大力推進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)，以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的多元化發(fā)展.