虛擬仿真實驗在生物化學實驗的應用

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摘要:虛擬仿真實驗作為新興的實驗教學資源，可突破傳統臨床生物化學實驗教學的弊端。分析醫學生生物化學實驗教學的現狀和虛擬仿真實驗的教學優勢，提出生物化學實驗教學體系中交互式虛擬仿真實驗的構建策略，為高校開發虛擬仿真實驗室提供理論依據和應用參考。

關鍵詞:虛擬仿真實驗;實驗教學;構建策略

生物化學是醫學類院校的專業基礎課，以實驗性為主要特征，除要求學生掌握抽象、駁雜的基礎理論知識、緊跟技術的最新進展外，更要求學生將實踐和理論相結合，著重培養學生的靈活思維、觀察和動手能力。相應的實驗教學也是特別的重要，用于幫助學生深入理解基本原理，培養學生的綜合素質。然而各高校實驗教學長期存在資源匱乏、實驗項目單一并長期未做改變、學生不重視等問題，導致生物化學實驗教學滿足不了當代技術大爆發的需要。在虛擬仿真實驗的開發過程中，構筑出一個綜合多種工具和技術的信息化、網絡化的集成環境，利用此虛擬場景，用戶得以高效利用世界上分布的各種數據、信息、設備等資源［1］，為生物化學的實驗教學提供全新的教學思維模式和更便利的學習機會。

一、傳統實驗教學的缺點

臨床生物化學的傳授，實驗教學極為重要，直接影響到人才培養的質量。目前，本課程的實驗教學存在如下問題:(一)實驗內容單一。臨床生物化學實驗中常應用有毒、腐蝕性的試劑，基于安全目的，學校通常選擇相對低危險性實驗組織教學，造成實驗項目選擇范圍窄，甚至是過時的、廢棄的技術。(二)固定設備投入巨大。近年來生物、醫學技術發展迅速，涉及到的設備更新快、價值高。而受體制陳舊、經費緊張等因素影響，國內多數高校科技前沿知識、前沿技能應用較少，難以開發和開展新實驗［2］。(三)時間和空間對傳統實驗教學的限制。傳統實驗教學通常以3—6名學生為一組，既使上課時間也不能保證每位學生都能參與實驗所有的操作。課上沒學會的，學生想繼續學習或者練習，卻受到場地、器材、耗材的限制而無法進行。(四)學生動手能力差。實驗課前，由教師完成實驗設計和準備，以實驗“醋酸纖維素薄膜電泳”為例，緩沖液配制和設備調試均由教師完成，學生在課堂上學習操作后，只需按要求進行點樣、電泳、染色和脫色后就能得到結果，一般不會有大問題出現。而學生僅僅是“照葫蘆畫瓢”，且未全程參與實驗的全部環節，無整體思維，更無發現問題、思考問題和解決問題的環節。故在臨床工作中遇到相似的情景，也無從檢視原因和恰當解決。

二、虛擬仿真實驗技術概述

虛擬仿真實驗技術是虛擬現實技術中的一類，是通過模擬現實實驗環境的綜合性集成技術。通過虛擬仿真實驗，實驗者可以操作虛擬的實驗工具，完成各類型實驗。由于虛擬仿真實驗的發展潛力巨大、應用前景廣闊，國內外許多高校和機構紛紛開展虛擬實驗教學平臺的構建、具體實驗的設計和制作，其中部分高校已經具備臨床醫學的虛擬仿真實驗平臺和實驗，如北京協和醫學院、南京醫科大學、浙江大學等。但是臨床生物化學虛擬仿真實驗并未受到重視，也沒有現成的虛擬實驗平臺可供選擇。(一)虛擬仿真實驗技術的優點。1.有利于學生素質的培養。利用虛擬實驗平臺，學生可以全程參與文獻查找、設計實驗、準備材料、配制試劑、操作實驗、分析討論等環節，按照個人的理解和設計進行實驗操作，同時允許學生出現操作錯誤或實驗失敗，使學生勇于動手和探索，有利于學生創新能力的培養［3］。2.有利于提高效率、降低消耗。在傳統生物化學實驗中，學生需要重復實驗，以得到更好的結果，但這樣浪費實驗耗材，導致實驗時間延長。運用虛擬仿真實驗，通過多次的虛擬實驗操作鍛煉提高學生操作的熟練度，從而減小實驗誤差，進而得到更為準確的實驗結果;不僅為實驗教學順利進行提供時間保障、消除空間限制，同時也可以降低實驗消耗。3.避免安全隱患。傳統生物化學實驗中，學生難免會接觸到有害、有毒試劑，且易發生實驗事故，如被家兔或小白鼠抓傷。利用虛擬仿真實驗練習，學生不會接觸到上述危險因素，而且虛擬仿真實驗平臺可以通過多方式多途徑預防安全事故的發生，如實驗室安全準入制度、實驗安全警示，從而使學生對危險因素有充分的認識和警惕，進而降低或杜絕安全事故的發生。4.實驗項目的更新更快在教學經費相對有限的情況下，應用虛擬仿真實驗可通過模擬先進的實驗設備，完成虛擬化的實驗內容，發揮專業優勢，克服實驗條件落后等問題，同時將最新的醫學技術引入實驗中，確保實驗教學的先進性。(二)生物化學虛擬仿真實驗模塊的構建。虛擬仿真實驗一般有兩種不同形式:非交互和交互式。非交互式虛擬仿真實驗是指學生可看該實驗的內容，但不能自己動手操作，如一些演示性的虛擬實驗場景。交互式虛擬仿真實驗是指學生不僅可以觀看該實驗的場景，還可以運用鼠標等輸入設備對整個實驗進行實時控制，此類型仿真實驗較前者有諸多優點，如操作性強、參與感佳、隨機性好、實時效果優等。下文重點討論交互式虛擬仿真實驗的構建策略，它通過將虛擬的、仿真的實驗平臺與網絡技術相結合，為生物化學實驗課程的發展提供遠景方案?？偟膩碚f虛擬仿真實驗成本低、功能全，又能滿足遠程教學跨越地域的要求。1.建立三維數字模型。依據真實儀器的數據，工作人員采用Unity3D、VRML、Virtools等三維建模軟件制作數字模型，由視覺上的真實性，確保虛擬模型的協調尺寸比例和外觀與環境的適應性;此外三維模型要盡量減少面數，刪除冗余的點面，同類模型應合并以降低設計的復雜程度，提高運行模型的速率。開發完成三維模型，編輯材質、設置場景燈光后，對模型進行技術渲染，以達到真實實驗儀器的效果。2.生物化學實驗模塊的開發。開發常用的臨床生物化學實驗模塊，如細胞核的分離純化、DNA的提取、PAGE、PCR等作為一級界面，點擊進入實驗目的、原理、過程、步驟、注意事項等二級界面，如點擊步驟可進入三級工作臺界面。學生依照提示，通過鼠標等完成模擬實驗工具移動，如試劑配制、樣品添加等實驗操作。多次操作仿真實驗的過程有利于學生對基礎理論的理解，同時能極大提升學生的實踐操作能力。這種虛擬化的實驗平臺，使生物化學中一些有污染、花費高的實驗項目，如凝膠電泳、液相層析等實驗項目能夠反復實踐，有利于學生更好地掌握實驗知識和技能。3.開發交互程序。工作人員在設計交互程序時，采用虛擬現實開發軟件VRML、Unity3D、Virtools等進行，制作完成仿真三維模型后導入，虛擬實驗平臺得以建立，包括桌面、圖像、文字、音頻等;之后對三維仿真模型添加要素比如動作、事件等，動作包括模型的移動、旋轉、縮放、切換視角等;事件包括模型對鼠標、鍵盤的響應等交互事件，當學生執行某個要素時，能夠對該要素作出對應的響應。4.運行程序。完成虛擬實驗平臺的構建后，程序生成可以獨立運行的虛擬程序，生成單機模式或聯網模式的虛擬平臺，也可以兼而有之。利用計算機，學生可以進入虛擬實驗平臺，隨時隨地模擬操作，便于實驗內容的預習、溫習。

三、教學結果分析

2016年以來，新鄉醫學院三全學院開始分階段、分批次采用虛擬仿真實驗進行教學，在實驗課程教學上取得明顯效果。實驗課程結束后，我們采用試卷測試和問卷調查進行期末教學效果評估。(一)試卷測試結果分析。將2017級和2018級臨床專業兩屆的8個班級學生各分為兩組，第一組學生在進行生物化學實驗操作前，進入仿真實驗平臺模擬操作，完成后進行實際實驗環節，稱為“實驗組”;第二組學生按照傳統方法教與學，由教師講述原理、演示操作，學生觀摩后進行操作實驗稱為“對照組”。學期中間穿插兩次技能測試，最后進行理論測試，考核的內容著眼于查找文獻、設計實驗、技能掌握、原理應用與問題解決以及課堂表現和實驗報告等其他方面。結果顯示:實驗組學生的總成績較對照組提高7．5分，在考核項目等所有方面實驗組學生的成績均明顯高于對照組(見表1)。該考核結果直接表明，應用虛擬實驗室指導學生練習操作技能，可明顯提高學生的綜合素質，同時激發學生的學習熱情，提高教學質量。(二)問卷調查結果分析。每學年教學實踐結束，針對開展虛擬仿真實驗的班級，發出“虛擬仿真實驗對學生操作技能培養效果的調查問卷”，2017年發出問卷63份，實際回收62份;2018年發出問卷68份，實際回收65份。兩年合計結果如下(表2)。四、結束語實驗教學與理論教學相結合，著重培養學生的動手能力，同時將虛擬仿真實驗帶入實驗教學中，使學生由”要我學”變為”我要學”，不但有助于加深學生熟悉基礎知識、積蓄創新意識，同時豐富教學內涵、拓寬學生的視野，發揮學生學習的主觀能動性;也擺脫了傳統實驗開展在時間和空間上的束縛，有效緩解學校在經費等方面的不足，緊跟醫療新技術的步伐，有著傳統實驗無法比擬的優勢。采用虛擬仿真實驗的實驗教學，學生可自由進出虛擬實驗室，進行操作儀器、實驗學習，虛擬仿真實驗的開發與應用將會對傳統實驗教學產生巨大的沖擊。但是虛擬實驗室僅為真實實驗教學的輔助，不可能產生真實的實驗數據，故實驗教學的內容不能全部采用虛擬仿真實驗。因此，在規劃、構建當前實驗教學體系時，要求教師加強實驗資料收集和資源整合，協調現實實驗教學與虛擬仿真實驗的比例，達到優化醫學生物化學實驗教學體系的最佳效果。

參考文獻:

［1］KeeTP．Theoneminutelecture［J］．EducationinChemistry，2015(32):100—101．

［2］劉慧萍，張國民，陽力爭，等．基于虛擬仿真實驗技術的生化實驗教學初探［J］．中國中醫藥現代遠程教育，2014，12(14):85—87．

［3］王志高．基于網絡虛擬實驗室的臨床生物化學與檢驗實踐教學體系構建［J］．學科探索，2018(7):35—37．

作者:李日輝 張樂晶 楊全中 單位:新鄉醫學院三全學院