網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*——以植物DNA抽提虛擬實驗開發(fā)為例

張玉山 張麟飛

電子科技大學中山學院 廣東中山 528402

網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*
——以植物DNA抽提虛擬實驗開發(fā)為例

張玉山 張麟飛

電子科技大學中山學院 廣東中山 528402

實驗教學是培養(yǎng)學生專業(yè)技術應用能力和解決問題能力的重要環(huán)節(jié)。 網(wǎng)絡信息技術的迅猛發(fā)展并在高等學校教學中的應用，為開發(fā)虛擬實驗提供了有力的平臺。以基因工程“植物DNA抽提虛擬實驗”開發(fā)為例，詳細介紹虛擬實驗開發(fā)與實現(xiàn)的基本思路及設計原則，以期對其他課程探索開發(fā)虛擬實驗提供有益參考。

虛擬實驗；實驗教學；DNA抽提實驗

Author’s addressUniversity of Electronic Science and Technology of China Zhongshan Institude,Zhongshan, Guangdong, China 528402

虛擬實驗是依托虛擬現(xiàn)實技術而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實驗模式，是利用計算機及仿真軟件來模擬實驗的環(huán)境及過程，讓學生通過計算機操作來做實驗，以代替或加強傳統(tǒng)進行的真實環(huán)境下的實驗[1]。隨著高等教育網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用，采用網(wǎng)絡虛擬技術創(chuàng)建虛擬實驗室具有重要意義：1）不需要昂貴的設備和試劑，節(jié)約大量的實驗經(jīng)費；2）無需實驗室，這對于一些實驗室的建設、日常管理規(guī)范、實驗項目的開設等方面經(jīng)驗很少，可用實驗教學資源非常有限的學校來說，很有意義[2-3]；3）可以避免實驗中產(chǎn)生的廢水廢液等污染環(huán)境。

電子科技大學中山學院在教學質(zhì)量工程建設中，建立了網(wǎng)絡數(shù)字化教學平臺，為開發(fā)虛擬實驗提供了良好的數(shù)字技術平臺。下面筆者以創(chuàng)建“植物DNA抽提虛擬實驗”設計與開發(fā)為例，說明學校開發(fā)虛擬實驗的基本過程和設計原則。

1 實驗流程的編寫和實驗流程的編程

如何將“植物DNA抽提實驗”的復雜實驗步驟編寫成適合編程的實驗流程，并針對實驗流程編寫程序，開發(fā)虛擬實驗，這是首要解決的問題。實驗流程的編寫是學校生物系基因工程專任教師完成的，他們按照植物DNA抽提的實驗目的，對植物DNA抽提實驗步驟進行細分，刪繁就簡，而關鍵步驟和重要現(xiàn)象必須在步驟中凸顯出來。這樣整個DNA抽提的實驗步驟被改編成重點突出、適合編程的實驗流程，交給計算機系的學生進行編程實現(xiàn)。計算機系學生嚴格按照實驗流程，通過編程完成專任教師編寫的實驗流程。

2 虛擬實驗的設計原則[4]

1）虛擬實驗逐步運行，無法跳躍到下一步。為確保學生逐步運行實驗而不是跳過一些步驟，這一原則非常重要。

2）虛擬實驗運行程序傳送速度快，畫面流暢。虛擬實驗軟件應該占用內(nèi)存小，接收迅速。這樣保證實驗運行時畫面流暢。

3）虛擬實驗每步主要內(nèi)容屏幕顯示，提示性操作。虛擬實驗可激發(fā)學生的學習興趣，鞏固學習效果[5]。通過屏幕提示操作，很容易完成實驗。

4）編程中簡單實驗步驟合并處理與實驗重要現(xiàn)象凸顯的處理。對編好的實驗流程進行編程處理時，將那些簡單的、學生都熟悉的實驗步驟合并一起，只需鼠標在目標物點擊一次，這些細小動作即可連續(xù)完成，而對于實驗過程中出現(xiàn)的重要實驗現(xiàn)象，則使用不同顏色和文字進行凸顯。

如要將搖勻的、表面充滿黃色泡沫的DNA抽提液，加入離心機中進一步離心，只需用鼠標對箭頭所指的離心管點擊一下，離心管會自動進入離心機內(nèi)，而實際操作步驟如開啟電源、打開離心機蓋、蓋好離心機蓋等這些學生熟悉的步驟合并后會連續(xù)自動完成，而無需點擊一次鼠標運行一個步驟。而對于離心前后，離心管抽提液分層前后顏色差異，不僅使用不同顏色強調(diào)這種差異，而且也使用文字標注進行凸顯，如圖1所示。

3 虛擬實驗的技術選取和結構組成

3.1 技術選取

虛擬實驗技術選取主要考慮經(jīng)費因素和虛擬實驗開發(fā)人員所具備的計算機知識和水平。

盡管使用3D游戲引擎Torque可以開發(fā)三維虛擬實驗環(huán)境，但購買該軟件費用較貴，同時對編程人員編程水平都有相當要求。另外，編寫的3D虛擬實驗程序不僅占用內(nèi)存很大，而且運行過程中需要許多程序支持，因此傳輸下載速度很慢。

為此，選用Macromedia Flash作為虛擬實驗的開發(fā)平臺。Macromedia Flash優(yōu)點：1）Flash技術日趨成熟，它所具有的強大功能滿足開發(fā)者的需求，保證了虛擬實驗室功能的實現(xiàn)；2）Flash 引入ActionScript腳本語言，能讓開發(fā)者通過編寫腳本語言完成特定事件；3）Flash具有輸出文件小、傳送速度快、畫面流暢等特點。

按照實驗流程，將每步所需的實驗器材放入主場景中，再通過編寫Flash腳本語言ActionScript實現(xiàn)實驗場景中虛擬實驗器材的點擊、拖拽、交互等動作，讓虛擬實驗更具真實性，營造出虛擬實驗環(huán)境[4]。這對于軟件開發(fā)人員編程水平要求不算高，計算機系的一些學生就具備這樣的水平。

3.2 虛擬實驗的結構組成

“DNA抽提虛擬實驗”的界面，主要由實驗器具、實驗流程、操作說明、成績提交、開始實驗等幾部分組成（見圖2）。實驗前通過查看實驗器具，實驗者對DNA抽提實驗的過程和所用到的器材有所了解。通過查看虛擬實驗的操作說明，明確實驗步驟和內(nèi)容，了解如何操作虛擬實驗。

實驗器具這部分，詳細列出本次實驗所用到的實驗儀器和器皿；實驗流程即編寫程序的實驗流程，簡明扼要地描述了每一步實驗的內(nèi)容；操作說明則主要針對本虛擬實驗如何操作進行簡單介紹，包含鼠標點擊和拖曳動作何時使用；開始實驗是開始允許虛擬實驗的按鈕，點擊該按鈕，開始允許虛擬實驗。

虛擬實驗“成績提交”中的實驗成績，是按照學生運行完整實驗次數(shù)來計分的。開發(fā)的“植物DNA抽提實驗”，程序設置學生必須完成12次實驗才及格；學生要想獲得更高成績，必須多次運行該實驗。虛擬實驗正是通過實驗者多次運行實驗程序，學生才能掌握實驗步驟和重要的實驗現(xiàn)象，基本達到與真實實驗一樣的目的。

實驗者在運行虛擬實驗之前，首先可以通過實驗器具、實驗流程和操作說明等部分，了解本實驗的實驗步驟和操作步驟，相當于實驗前預習；隨后就可以點擊“開始實驗”進行實驗。如今，大學生中計算機基本普及，開展虛擬實驗不僅不受實驗場地限制，可以在教室、圖書館和寢室運行，而且能夠做到人人動手操作，最大限度地實現(xiàn)通過實驗教學培養(yǎng)學生動手能力之目的。

[1]吳凱威,劉志剛,劉青,等.“基因工程虛擬實驗室”的設計與開發(fā)[J].實驗室研究與探索,2006,25(5):561-564.

[2]屠靜芬,夏欣.網(wǎng)絡課程數(shù)字化環(huán)境建設及教學新方法[J].中國電化教育,2010(7):82-85.

[3]印國成.虛擬實驗室在獨立學院的應用研究[J].中國科教創(chuàng)新導刊,2010(22):36,38.

[4]張玉山,張麟飛,關偉雄,等.基因工程實驗教學改革的實踐探索[J].實驗科學與技術,2011,9(2):94-96.

[5]Subramanian R, Marsic I. ViBE: Virtual Biology Experiments[C]//Proceedings International WWW Conference.Hong Kong:2001.

Design and Realization of Network Virtual Experiment System: Taking Virtual Experiment of Plant DNA Extraction as an Example

Zhang Yushan, Zhang L infei

The experimental teaching is the important way to train students’ technical application ability and the ability of solving problems. With the rapid development and application of network information technology in the university teaching, it will provide a strong platform to develop a virtual experiment. In this paper, taking virtual experiment of plant DNA extraction of gene engineering as an example, the bas ic ideas and principles of design of virtual experiment were summarized in detail. It will provide useful reference for other courses to develop the virtual experiments.

virtual experiment; experimental teaching; experiment of plant DNA extraction

TP391.9

B

1671-489X(2012)27-0034-02

10.3969/j.issn.1671-489X.2012.27.034

電子科技大學中山學院質(zhì)量工程建設項目“基因工程網(wǎng)絡虛擬實驗室的創(chuàng)建與應用”（批準號：ZLGC2009JY05）。

作者：張玉山，博士，副教授，從事基因工程教研工作。