虛擬實(shí)驗在生物化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用

劉春英

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266109）

0 引言

生物化學(xué)主要研究動、植物有機(jī)體的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)和物質(zhì)代謝過程。它是農(nóng)業(yè)院校生物技術(shù)、生物科學(xué)、動物醫(yī)學(xué)、動物科學(xué)、植物保護(hù)、食品科學(xué)等專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。生物化學(xué)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中要理論聯(lián)系實(shí)踐，通過實(shí)驗來驗證理論知識和加深對理論知識的理解。通過生物化學(xué)實(shí)驗的操作能夠直接提高學(xué)生的動手能力和培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、分析問題、解決問題的能力。生物化學(xué)實(shí)驗中需要用到實(shí)驗設(shè)備和大量的化學(xué)試劑，其中很多試劑還具有毒性，經(jīng)常接觸都老師和學(xué)生的健康造成傷害。

虛擬仿真實(shí)驗是指借助于多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗項目。通過虛擬實(shí)驗可以使學(xué)生提前熟悉了解實(shí)驗原理、掌握實(shí)驗過程和操作步驟、了解實(shí)驗過程中可能出現(xiàn)的問題和解決方法[1-2]。通過生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗與真實(shí)實(shí)驗操作相結(jié)合可以顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，對于學(xué)生掌握生物化學(xué)實(shí)驗操作技能具有重要意義。

1 生物化學(xué)虛擬實(shí)驗現(xiàn)狀

近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗在實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用也越來越廣泛，涉及到多個專業(yè)和學(xué)科。國內(nèi)外很多的高校、科研院所以及遠(yuǎn)程教育機(jī)構(gòu)都積極地投入虛擬實(shí)驗平臺的構(gòu)建，開展虛擬實(shí)驗教學(xué)研究。目前教育部批準(zhǔn)了兩批共200個國家級虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗中心，其中包括清華大學(xué)的數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心；北京師范大學(xué)、鄭州大學(xué)的化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心；浙江大學(xué)、山東大學(xué)、北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院、哈爾濱醫(yī)科大學(xué)、南通大學(xué)、重慶醫(yī)科大學(xué)等的醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心；東北師范大學(xué)、臨沂大學(xué)的生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心等。

關(guān)于生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗研究較少，沒有完整的生物化學(xué)實(shí)驗平臺。只有生物化學(xué)專業(yè)教師自己開發(fā)的部分虛擬實(shí)驗軟件，如梁亦龍開發(fā)了虛擬PCR實(shí)驗[3]；黃佳玲報道了采用Flash技術(shù)開發(fā)的聚丙烯酰胺凝膠電泳的虛擬實(shí)驗[4]等，各高校和研究所都還沒有國家級的生物化學(xué)虛擬實(shí)驗教學(xué)中心獲得批準(zhǔn)。

2 生物化學(xué)虛擬實(shí)驗開發(fā)基本過程

虛擬實(shí)驗平臺的開發(fā)一般可分為數(shù)字模型建立、制作交互程序和程序發(fā)布三個階段。

2.1 數(shù)字模型建立

首先要制作三維的數(shù)字模型。模型一般采用3D Max、Maya、Silo等三維建模軟件制作。在建模時要根據(jù)真實(shí)儀器的數(shù)據(jù)建立模型，保證產(chǎn)品模型的尺寸比例協(xié)調(diào)和模型外觀在視覺上的真實(shí)性；另外三維模型要盡量減少面數(shù)，刪除冗余的點(diǎn)面，合并同類模型以降低模型的復(fù)雜程度，提高交互程序調(diào)用模型的速度。三維建好模型后，進(jìn)行材質(zhì)編輯和場景燈光設(shè)置。然后對模型進(jìn)行渲染，使模型達(dá)到真實(shí)實(shí)驗儀器的效果。還可以根據(jù)虛擬實(shí)驗需要制作三維動畫。

2.2 交互程序設(shè)計

采用Unity 3D、VRML、Virtools等虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件進(jìn)行交互程序設(shè)計。首先導(dǎo)入制作好的三維模型，創(chuàng)建虛擬實(shí)驗場景。場景包括程序的界面、聲音、文字、圖片等；然后對實(shí)驗儀器、藥品等三維模型添加動作、事件等要素。其中動作包括模型的移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、切換視角等；事件包括模型對鼠標(biāo)、鍵盤的響應(yīng)等交互事件，當(dāng)用戶執(zhí)行某個操作時，能夠?qū)υ摬僮髯龀稣_響應(yīng)。

2.3 程序發(fā)布

在完成虛擬仿真設(shè)置后，需要將程序發(fā)布生成可以獨(dú)立運(yùn)行的虛擬實(shí)驗程序。一般可以生成單機(jī)的虛擬實(shí)驗程序，也可以發(fā)布成為網(wǎng)絡(luò)格式，使學(xué)生可以自己在電腦操作虛擬仿真實(shí)驗，隨時隨地做實(shí)驗、學(xué)習(xí)實(shí)驗步驟。

3 生物化學(xué)虛擬實(shí)驗的優(yōu)勢和存在的問題

3.1 虛擬實(shí)驗存在的優(yōu)勢

虛擬實(shí)驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面有著其他教學(xué)環(huán)節(jié)所不能替代的獨(dú)特作用。一個能夠模擬真實(shí)實(shí)驗的虛擬實(shí)驗平臺既能促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能夠讓教學(xué)過程從課堂得到延伸。虛擬實(shí)驗比單純的文字、圖像更加形象、生動、完整、便于理解和記憶，它模擬了真實(shí)實(shí)驗環(huán)境，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性；而且虛擬實(shí)驗不受時間和空間的限制，可以自由學(xué)習(xí)，不受實(shí)驗室、講師約束，學(xué)生可根據(jù)自己的情況安排學(xué)習(xí)時間，隨時隨地的學(xué)習(xí)，有很大的靈活性；虛擬實(shí)驗還突破了傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)場地、材料和實(shí)驗儀器的限制，可以大量學(xué)生同時進(jìn)行虛擬實(shí)驗，能夠節(jié)約現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，共享教學(xué)設(shè)施，提高學(xué)生實(shí)踐操作能力；對于一些危險性較高的實(shí)驗或是不具備條件開展的實(shí)驗，通過虛擬實(shí)驗的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生掌握這些實(shí)驗的基本內(nèi)容。

3.2 虛擬實(shí)驗存在的問題

因為生物化學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是兩個完全不同的專業(yè)領(lǐng)域，兩個不同專業(yè)人員合作才能開發(fā)出真實(shí)、實(shí)用的虛擬實(shí)驗軟件。軟件設(shè)計必須要符合真實(shí)實(shí)驗的過程，還要有原理講解和步驟說明，這需要生物化學(xué)教師把握；而軟件的開發(fā)還要考慮學(xué)生使用該軟件的能力，操作要簡便。如何促進(jìn)生物化學(xué)專業(yè)教師和多媒體開發(fā)專業(yè)人員交流合作，共同開發(fā)實(shí)驗軟件是目前需要解決的問題。

4 總結(jié)

虛擬仿真實(shí)驗的開發(fā)將能夠有效緩解學(xué)校在經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗室、儀器等方面的不足和困難，而且利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬實(shí)驗教學(xué)可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗對時空的限制，無論是學(xué)生還是教師，都可以自由、隨時隨地上網(wǎng)進(jìn)入虛擬實(shí)驗室，進(jìn)行操作儀器、實(shí)驗學(xué)習(xí)，有助于提高實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，網(wǎng)上虛擬實(shí)驗室的開發(fā)與應(yīng)用將會對實(shí)驗教學(xué)改革產(chǎn)生重大的影響。

［1］李彩虹,丁航,邱文峰,等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)生物化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用策略研究[J].中國教育技術(shù)裝備,2013(06):126-127.

［2］張麗娟,古同男.虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗室?guī)由锘瘜W(xué)教學(xué)模式改革[J].實(shí)驗室研究與探索,2015(05):192-194.

［3］梁亦龍,盧利平,范歡,等.虛擬實(shí)驗在生物化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的運(yùn)用[J].實(shí)驗室科學(xué),2012(02):45-47.

［4］黃佳玲,馬生健,曾富華.基于Flash的生物化學(xué)虛擬實(shí)驗室研究與開發(fā)——聚丙烯酰胺凝膠盤狀電泳[J].高校生物學(xué)教學(xué)研究(電子版),2014(02):52-56.