虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

導(dǎo)語(yǔ)：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為新興的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可突破傳統(tǒng)臨床生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端。分析醫(yī)學(xué)生生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)，提出生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建策略，為高校開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室提供理論依據(jù)和應(yīng)用參考。

關(guān)鍵詞:虛擬仿真實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué);構(gòu)建策略

生物化學(xué)是醫(yī)學(xué)類院校的專業(yè)基礎(chǔ)課，以實(shí)驗(yàn)性為主要特征，除要求學(xué)生掌握抽象、駁雜的基礎(chǔ)理論知識(shí)、緊跟技術(shù)的最新進(jìn)展外，更要求學(xué)生將實(shí)踐和理論相結(jié)合，著重培養(yǎng)學(xué)生的靈活思維、觀察和動(dòng)手能力。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是特別的重要，用于幫助學(xué)生深入理解基本原理，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。然而各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)長(zhǎng)期存在資源匱乏、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一并長(zhǎng)期未做改變、學(xué)生不重視等問(wèn)題，導(dǎo)致生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)滿足不了當(dāng)代技術(shù)大爆發(fā)的需要。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)過(guò)程中，構(gòu)筑出一個(gè)綜合多種工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境，利用此虛擬場(chǎng)景，用戶得以高效利用世界上分布的各種數(shù)據(jù)、信息、設(shè)備等資源［1］，為生物化學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供全新的教學(xué)思維模式和更便利的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺點(diǎn)

臨床生物化學(xué)的傳授，實(shí)驗(yàn)教學(xué)極為重要，直接影響到人才培養(yǎng)的質(zhì)量。目前，本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在如下問(wèn)題:(一)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一。臨床生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常應(yīng)用有毒、腐蝕性的試劑，基于安全目的，學(xué)校通常選擇相對(duì)低危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)組織教學(xué)，造成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇范圍窄，甚至是過(guò)時(shí)的、廢棄的技術(shù)。(二)固定設(shè)備投入巨大。近年來(lái)生物、醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，涉及到的設(shè)備更新快、價(jià)值高。而受體制陳舊、經(jīng)費(fèi)緊張等因素影響，國(guó)內(nèi)多數(shù)高校科技前沿知識(shí)、前沿技能應(yīng)用較少，難以開發(fā)和開展新實(shí)驗(yàn)［2］。(三)時(shí)間和空間對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常以3—6名學(xué)生為一組，既使上課時(shí)間也不能保證每位學(xué)生都能參與實(shí)驗(yàn)所有的操作。課上沒學(xué)會(huì)的，學(xué)生想繼續(xù)學(xué)習(xí)或者練習(xí)，卻受到場(chǎng)地、器材、耗材的限制而無(wú)法進(jìn)行。(四)學(xué)生動(dòng)手能力差。實(shí)驗(yàn)課前，由教師完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備，以實(shí)驗(yàn)“醋酸纖維素薄膜電泳”為例，緩沖液配制和設(shè)備調(diào)試均由教師完成，學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)操作后，只需按要求進(jìn)行點(diǎn)樣、電泳、染色和脫色后就能得到結(jié)果，一般不會(huì)有大問(wèn)題出現(xiàn)。而學(xué)生僅僅是“照葫蘆畫瓢”，且未全程參與實(shí)驗(yàn)的全部環(huán)節(jié)，無(wú)整體思維，更無(wú)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的環(huán)節(jié)。故在臨床工作中遇到相似的情景，也無(wú)從檢視原因和恰當(dāng)解決。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)概述

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的一類，是通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的綜合性集成技術(shù)。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者可以操作虛擬的實(shí)驗(yàn)工具，完成各類型實(shí)驗(yàn)。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展?jié)摿薮蟆?yīng)用前景廣闊，國(guó)內(nèi)外許多高校和機(jī)構(gòu)紛紛開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建、具體實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和制作，其中部分高校已經(jīng)具備臨床醫(yī)學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)，如北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院、南京醫(yī)科大學(xué)、浙江大學(xué)等。但是臨床生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并未受到重視，也沒有現(xiàn)成的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可供選擇。(一)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。1.有利于學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)。利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以全程參與文獻(xiàn)查找、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、準(zhǔn)備材料、配制試劑、操作實(shí)驗(yàn)、分析討論等環(huán)節(jié)，按照個(gè)人的理解和設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)允許學(xué)生出現(xiàn)操作錯(cuò)誤或?qū)嶒?yàn)失敗，使學(xué)生勇于動(dòng)手和探索，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［3］。2.有利于提高效率、降低消耗。在傳統(tǒng)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以得到更好的結(jié)果，但這樣浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)耗材，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)。運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)多次的虛擬實(shí)驗(yàn)操作鍛煉提高學(xué)生操作的熟練度，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差，進(jìn)而得到更為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;不僅為實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利進(jìn)行提供時(shí)間保障、消除空間限制，同時(shí)也可以降低實(shí)驗(yàn)消耗。3.避免安全隱患。傳統(tǒng)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生難免會(huì)接觸到有害、有毒試劑，且易發(fā)生實(shí)驗(yàn)事故，如被家兔或小白鼠抓傷。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)，學(xué)生不會(huì)接觸到上述危險(xiǎn)因素，而且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以通過(guò)多方式多途徑預(yù)防安全事故的發(fā)生，如實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)入制度、實(shí)驗(yàn)安全警示，從而使學(xué)生對(duì)危險(xiǎn)因素有充分的認(rèn)識(shí)和警惕，進(jìn)而降低或杜絕安全事故的發(fā)生。4.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的更新更快在教學(xué)經(jīng)費(fèi)相對(duì)有限的情況下，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可通過(guò)模擬先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成虛擬化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢(shì)，克服實(shí)驗(yàn)條件落后等問(wèn)題，同時(shí)將最新的醫(yī)學(xué)技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)中，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先進(jìn)性。(二)生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的構(gòu)建。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)是指學(xué)生可看該實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，但不能自己動(dòng)手操作，如一些演示性的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指學(xué)生不僅可以觀看該實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景，還可以運(yùn)用鼠標(biāo)等輸入設(shè)備對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，此類型仿真實(shí)驗(yàn)較前者有諸多優(yōu)點(diǎn)，如操作性強(qiáng)、參與感佳、隨機(jī)性好、實(shí)時(shí)效果優(yōu)等。下文重點(diǎn)討論交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建策略，它通過(guò)將虛擬的、仿真的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，為生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展提供遠(yuǎn)景方案。總的來(lái)說(shuō)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成本低、功能全，又能滿足遠(yuǎn)程教學(xué)跨越地域的要求。1.建立三維數(shù)字模型。依據(jù)真實(shí)儀器的數(shù)據(jù)，工作人員采用Unity3D、VRML、Virtools等三維建模軟件制作數(shù)字模型，由視覺上的真實(shí)性，確保虛擬模型的協(xié)調(diào)尺寸比例和外觀與環(huán)境的適應(yīng)性;此外三維模型要盡量減少面數(shù)，刪除冗余的點(diǎn)面，同類模型應(yīng)合并以降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，提高運(yùn)行模型的速率。開發(fā)完成三維模型，編輯材質(zhì)、設(shè)置場(chǎng)景燈光后，對(duì)模型進(jìn)行技術(shù)渲染，以達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器的效果。2.生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的開發(fā)。開發(fā)常用的臨床生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，如細(xì)胞核的分離純化、DNA的提取、PAGE、PCR等作為一級(jí)界面，點(diǎn)擊進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃怼⑦^(guò)程、步驟、注意事項(xiàng)等二級(jí)界面，如點(diǎn)擊步驟可進(jìn)入三級(jí)工作臺(tái)界面。學(xué)生依照提示，通過(guò)鼠標(biāo)等完成模擬實(shí)驗(yàn)工具移動(dòng)，如試劑配制、樣品添加等實(shí)驗(yàn)操作。多次操作仿真實(shí)驗(yàn)的過(guò)程有利于學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的理解，同時(shí)能極大提升學(xué)生的實(shí)踐操作能力。這種虛擬化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使生物化學(xué)中一些有污染、花費(fèi)高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如凝膠電泳、液相層析等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠反復(fù)實(shí)踐，有利于學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能。3.開發(fā)交互程序。工作人員在設(shè)計(jì)交互程序時(shí)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件VRML、Unity3D、Virtools等進(jìn)行，制作完成仿真三維模型后導(dǎo)入，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得以建立，包括桌面、圖像、文字、音頻等;之后對(duì)三維仿真模型添加要素比如動(dòng)作、事件等，動(dòng)作包括模型的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放、切換視角等;事件包括模型對(duì)鼠標(biāo)、鍵盤的響應(yīng)等交互事件，當(dāng)學(xué)生執(zhí)行某個(gè)要素時(shí)，能夠?qū)υ撘刈鞒鰧?duì)應(yīng)的響應(yīng)。4.運(yùn)行程序。完成虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建后，程序生成可以獨(dú)立運(yùn)行的虛擬程序，生成單機(jī)模式或聯(lián)網(wǎng)模式的虛擬平臺(tái)，也可以兼而有之。利用計(jì)算機(jī)，學(xué)生可以進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，隨時(shí)隨地模擬操作，便于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)、溫習(xí)。

三、教學(xué)結(jié)果分析

2016年以來(lái)，新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院開始分階段、分批次采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)上取得明顯效果。實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，我們采用試卷測(cè)試和問(wèn)卷調(diào)查進(jìn)行期末教學(xué)效果評(píng)估。(一)試卷測(cè)試結(jié)果分析。將2017級(jí)和2018級(jí)臨床專業(yè)兩屆的8個(gè)班級(jí)學(xué)生各分為兩組，第一組學(xué)生在進(jìn)行生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作前，進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬操作，完成后進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，稱為“實(shí)驗(yàn)組”;第二組學(xué)生按照傳統(tǒng)方法教與學(xué)，由教師講述原理、演示操作，學(xué)生觀摩后進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)稱為“對(duì)照組”。學(xué)期中間穿插兩次技能測(cè)試，最后進(jìn)行理論測(cè)試，考核的內(nèi)容著眼于查找文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、技能掌握、原理應(yīng)用與問(wèn)題解決以及課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等其他方面。結(jié)果顯示:實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的總成績(jī)較對(duì)照組提高7．5分，在考核項(xiàng)目等所有方面實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的成績(jī)均明顯高于對(duì)照組(見表1)。該考核結(jié)果直接表明，應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)學(xué)生練習(xí)操作技能，可明顯提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)質(zhì)量。(二)問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果分析。每學(xué)年教學(xué)實(shí)踐結(jié)束，針對(duì)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的班級(jí)，發(fā)出“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生操作技能培養(yǎng)效果的調(diào)查問(wèn)卷”，2017年發(fā)出問(wèn)卷63份，實(shí)際回收62份;2018年發(fā)出問(wèn)卷68份，實(shí)際回收65份。兩年合計(jì)結(jié)果如下(表2)。四、結(jié)束語(yǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合，著重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)帶入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生由”要我學(xué)”變?yōu)椤蔽乙獙W(xué)”，不但有助于加深學(xué)生熟悉基礎(chǔ)知識(shí)、積蓄創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)豐富教學(xué)內(nèi)涵、拓寬學(xué)生的視野，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性;也擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開展在時(shí)間和空間上的束縛，有效緩解學(xué)校在經(jīng)費(fèi)等方面的不足，緊跟醫(yī)療新技術(shù)的步伐，有著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可自由進(jìn)出虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行操作儀器、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與應(yīng)用將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生巨大的沖擊。但是虛擬實(shí)驗(yàn)室僅為真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助，不可能產(chǎn)生真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，故實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容不能全部采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。因此，在規(guī)劃、構(gòu)建當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系時(shí)，要求教師加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)資料收集和資源整合，協(xié)調(diào)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的比例，達(dá)到優(yōu)化醫(yī)學(xué)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的最佳效果。

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作者:李日輝 張樂(lè)晶 楊全中 單位:新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院