基因工程虛擬實驗室的設計與實現

【摘要】基因工程是一門非常注重實踐的課程，但其實驗具有價格貴，周期長的特點，因而虛擬實驗室的創建有助于緩解實驗資源與教學需求之間存在的矛盾。本文依托廣東省高校現代教育技術“151工程”項目“基因工程虛擬實驗室”的工作，對基因工程虛擬實驗室的設計與實現進行了探討，以期為同類虛擬實驗室或相關學習資源的開發和應用提供思路和借鑒。

【關鍵詞】基因工程，虛擬實驗室，3D游戲引擎

【中圖分類號】G434【文獻標識碼】B【論文編號】1009—8097（2006）05—0060—05

基因工程作為一門以實驗為主的自然科學，除了要求學生掌握扎實的基礎理論知識、緊跟基因工程技術的最新進展外，更要求把實驗與理論結合起來，培養學生的觀察能力、思維能力和動手能力。但由于分子生物學試劑、儀器設備價格昂貴等種種條件限制，目前我國大部分高校都沒有開設基因工程實驗課。虛擬實驗室可以與傳統的基因工程實驗室優勢互補，更好地提高教學質量，有效地緩解日益增長的教學需求與現有實驗條件不足的矛盾。在這樣的背景下，為了充分利用我校現有的生命科學學院基因工程重點實驗室一千多萬元現代化基因工程儀器設備的優勢，我們申請了“生物制藥技術虛擬實驗室的建設與研究”項目，并獲得了廣東省“151工程”計劃立項，同時獲得深圳大學校教改項目的大力資助。

本研究希望通過將實驗室、器材、試劑等實驗元素三維虛擬化，使學習者在虛擬的實驗環境中，能“身臨其境”地操縱虛擬儀器和其他實驗器具來完成實驗，同時，擺脫傳統實驗的種種限制，為高校實驗教學引入現代多媒體技術提供一種新的嘗試與探索。

一、基因工程虛擬實驗室的設計

1．設計目標與設計思想

基因工程虛擬實驗室的設計目標是，利用虛擬現實技術，為學生提供一個純粹的3D虛擬實驗環境，建成具有形象化展示功能以及強大的交互性能和對現實制藥技術的模擬功能的虛擬實驗室（如圖1）。為了使場景更加逼真，對實驗室、實驗儀器和其他實驗室物品全部按照真實比例3D建模，并且要求虛擬實驗室中的物品擺放位置和現實中都一模一樣，真正做到把實驗室“搬”進電腦，讓做虛擬實驗的學生可以從任何角度觀察實驗室中任意物體，以獲得盡可能強的真實感。另外，在交互性方面，能讓學生以第一人稱視角通過鍵盤、鼠標以及其他輸入設備對場景中的“自己”完全控制，實現移動、轉動、抬頭、低頭，甚至跑、跳的視覺效果，再賦予3D音效和背景音樂甚至網絡聯機的多用戶實時對話和聊天等功能，組成一個逼真的虛擬世界^[1]。另外，考慮到軟件的可重用性和可擴展性，采用虛擬實驗室系統平臺和具體的虛擬實驗分離的思想，把具體實驗步驟編輯交給生命科學專業老師或同學，而軟件開發人員的任務是構建一個虛擬實驗室軟件平臺，由平臺完成虛擬實驗室所需要的一切功能，并提供一種腳本語言或圖形界面編輯系統作為接口，讓非計算機專業的人員也可以編輯實驗步驟，只要把編輯好的實驗步驟描述文件放到指定目錄，就可以做這個虛擬實驗。

設計強調充分運用虛擬現實技術，并從需求出發，結合多種媒體表現手段和形式，如基因工程制藥生產流程實況部分，就采用了流媒體的片斷視頻。通過在線聊天室或配套的論壇網站進行討論研究，進一步突出以學生為主體的學習模式，充分發揮他們的主觀能動性。通過虛擬實驗和傳統實驗相結合的方式，改革我們的實驗教學模式，高效、優質地完成實驗教學^[2]。

2．系統結構

本軟件嚴格按照現行基因工程課程要求進行開發，主要由實驗室介紹、虛擬實驗、虛擬儀器、知識庫等四部分組成（如圖2、圖3）。

實驗室介紹模塊介紹了本校重點實驗室建設情況、日常規章制度，和關于虛擬實驗室項目的背景、目的、操作說明等信息，目的是讓學生對實驗室有一個初步的了解。

虛擬實驗模塊包括四大基礎實驗：基因的克隆、目的蛋白的表達、發酵工程和蛋白純化，今后還會建設一些其他的生物制藥實驗。學生在3D的環境下進行虛擬實驗的學習，并完成實驗步驟的操作，然后把實驗結果提交給評分系統打分，如果學生對分數不滿意，可以重做實驗直到熟練為止，最后給學生生成實驗報告清單，學生填寫后連同虛擬實驗分數發送到老師的電子郵箱。

虛擬儀器（如圖4）：以3D形式展現基因工程實驗中常用的主要儀器設備，這些儀器和現實中的儀器有一樣的操作邏輯和操作面板，學生通過鼠標點擊以熟悉儀器的操作，并且可以從各個角度觀察儀器，了解儀器的主要構造。

知識庫包括了基因工程的精品課程電子版（如圖5）、常用術語、常用試劑、和基因工程制藥的生產流程實況等。這里通過精辟的文字和實物圖片讓學生充分掌握每個實驗相關信息，還通過對我國最大的乙肝疫苗生產企業（深圳康泰生物制品股份有限公司）基因工程生產流程的視頻錄像（如圖6），讓學生了解生產一線的實際操作，使得理論與實踐結合得更加緊密。

只要在計算機系統上安裝該軟件，通過上網聯機到服務器端獲取實驗資源與相關權限，就能夠進行實驗。這樣，基因工程實驗既不受時空和設備的限制，又完成了驗證性實驗，激發了學生的學習興趣，進一步增強學生的動手、科研和創新的能力。

3． 技術的選取

技術選取的合適與否對本項目預期目標的實現有著直接而且很重要的關系，在選取過程中主要有兩個依據：實驗室要實現的功能和技術應用的可行性^[3]，并遵循“技術設計為教學設計服務的原則”^[4]。為此，我們進行了廣泛的調研，考慮到基于瀏覽器的3D技術存在畫面不流暢、輔助功能不強、系統實現復雜等諸多問題，我們從當今蓬勃發展的3D網絡游戲得到啟發，在最復雜和關鍵的虛擬實驗模塊，我們選用了著名的3D游戲開發引擎 Torque 作為虛擬實驗室的開發平臺，主要考慮以下三點原因：（1）只要用很少費用就可以買到Torque游戲開發引擎，其中包括Torque的所有源碼和游戲Demo，這是在課題組經費有限的條件下的一個非常好的選擇，也方便按需修改引擎；（2）Torque游戲引擎的功能毫不遜色于市面上的其他專業游戲引擎，已經有很多基于Torque的非常成功的游戲，如Tribes 2，保證了虛擬實驗室預期功能的實現。（3）Torque的官方網站上有很詳細的文檔和分類很細的論壇，使開發人員很容易上手，并且Torque帶有一系列的可視化場景和GUI編輯器，易學好用，也符合了用“平民化”的技術實現教學型虛擬實驗室的原則。

二、基因工程虛擬實驗室的實現

1.3D建模技術

由于游戲引擎必須高效實時的渲染大量的幾何體及其效果，為了優化幀頻率，在Torque游戲引擎中使用兩種不同的3D模型，一種是DTS類型的3D模型格式，一種是DIF類型的3D模型格式。DTS文件格式適合一些細節比較多而且相對比較小的物體，比如人物、桌子、儀器等。建模的工具可以選用3D Studio Max、MilkShape、Maya等。Torque都有相應的插件工具，通過這些插件來導出DTS格式的文件，所以建模人員可以把主要精力放在建模本身，而不必知道DTS的具體文件格式細節，而且因為采用通用的3D建模工具，降低了學習和使用的門檻，加快了開發的進度。Torque中的另外一種格式是DIF格式，這種格式適合于場景中的大型建筑物，比如實驗室的房子，這種格式的好處是本身就帶有碰撞和燈光信息，比DTS格式運算更少，但沒有DTS文件精細。我們使用當前比較流行的一個開源軟件QuArk來編輯，并通過相應插件導出格式為DIF的文件。

Torque游戲引擎提供了可視化的3D場景編輯器，可以很方便的在場景中增刪物體，通過鼠標拖曳來擺放物體位置，當一個虛擬實驗的實驗環境編輯好后，保存成一個*.mis文件。以后通過對這個文件的重建，可以重新布置實驗場景中的各個物體。

2． 虛擬實驗的實現

虛擬實驗的實現是虛擬實驗室建設的一項核心工作，其中有兩項工作最為重要：一是與3D物體的交互功能，二是設計可以描述實驗步驟的腳本。

與3D物體的交互是通過鼠標和鍵盤來完成的，用鼠標拖動物體無非是通過鼠標在一個2D屏幕的移動來控制3D場景中的對象的移動，所以要先把鼠標的屏幕坐標轉換成場景中的一個3D坐標，然后由攝像機的坐標點作為起點，通過鼠標的3D坐標點畫一條射線，用碰撞檢測的方法計算這條射線首先碰到的物體，那么這個物體即為所選物體。當鼠標拖動的時候，射線的方向也發生移動，這個射線和物體原來位置所在的水平面的交點即為拖動后的物體的新的坐標點，這樣的拖動只在水平面上移動了物體，所以還應加一個輔助功能按鍵，當這個按鍵按下的時候，拖動物體只能在垂直方向上移動。

對于實驗步驟的描述，我們把實驗步驟細化，把細化后的一個步驟看成一次鼠標拖曳操作和拖曳到位置后一個動作的執行，比如要把ep管的液體倒到研缽中（如圖7），是首

先用鼠標點中ep管并拖動到研缽的上方，當系統判斷ep管被拖到距離目標點很近的時候，會自動移到準確位置，接著播放一個ep管的倒液體3D動畫。根據這個思想，我們定義了一種語法簡單且實用性強的實驗步驟描述語言，描述每一個細化后的步驟，定義了一些可選屬性來描述這些步驟，比如其中一個步驟如下：

{

step = 17;

score = 10;

name = ep_01;

TargetCoordinate =（-2.73，11.62，6.32）;

action = epguan_dao;

prompt = “將ep管放回原位”;

}

在實驗開始后，系統按照順序解釋每個步驟，直到最后的結束標志。所以在引擎中加了一個腳本語言模塊，其功能不但要解釋這種實驗步驟描述語言，而且還包含了用戶的錯誤處理和實驗步驟描述語言文件的管理功能。

在實現以上兩點工作的前提下，又做了大量的如中文顯示、flash的嵌入等工作，接著把在實驗中的聲音、GUI等細節工作盡可能的完善，使虛擬實驗環境看起來更加逼真，和學生的交互更加人性化。

3．其他相關技術

考慮到教學效果和開發成本等多方面的因素，我們綜合運用了Flash、流媒體等傳統的表現手法，以彌補3D在某些方面的不足，實現3D技術和傳統技術的優勢互補。如在本虛擬實驗室的前端實現上就大量運用了flash和Shockwave技術，而且在虛擬儀器模塊中，我們將3D MAX建模的儀器文件導出為W3D格式，然后將其導入到Director當中，成為一個Shockwave 3D精靈，使用lingo語言控制其縮放、旋轉和操作。

三、結束語

虛擬實驗室在實際的教學應用中主要還需要在以下三個方面加以改進：（1）實驗條件過于理想化，虛擬實驗只是教科書上的標準實驗步驟和實驗環境的模擬，和現實實驗畢竟存在一定差距。（2）電腦操作與實驗操作的不同，3D虛擬實驗雖然參與感強，但不能代替真實實驗，有些經驗必須通過真實實驗獲得。（3）錯誤處理有限，當實驗發生錯誤后，模擬的錯誤現象很有限。

盡管如此，虛擬實驗室以其在實踐教學中利用率高、易于維護等諸多優點，越來越受到人們的重視。所以我們必須轉變觀念，將現代化虛擬技術與基因工程教學有機結合起來，讓學生既學習到現代化的先進實驗技術，又能培養實驗技能，提高動手能力和科研能力，以期進一步提高本科生教學質量。

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參考文獻

[1] 惠志，李春富，劉心雄.一個基于3D 游戲引擎的虛擬展示方案微機發展， Vol. 15 No. 4 Apr. 2005

[2] 黃慕雄電視節目制作虛擬實驗室的建設與應用

2005.7 中國電化教育

[3] 黃慕雄高校教學型虛擬實驗室建設的現狀與建議2005.9 中國電化教育

[4] 葉志宏.網絡課程的設計原則—— 對《中國法制史》網絡課程設計的思考[ J].中國電化教育， 2003， (3) : 63.

Design and Realization of the Virtual Laboratory of Genetic Engineering

Liu Qing Liu Rui Zhang Fan

The Modern Education Technology and Information Center of Shenzhen University， Shenzhen， 518060

Abstract: To genetic engineering course， it is very important to practise. However， the price of its experiment is expensive， and cycle is long， so the construction of the Virtual laboratory can alleviate the contradiction between experiment resources and teaching demands. Through the work of the project of “Virtual laboratory of genetic engineering \" ，which is one of the university Modern education technology \" 151 projects \" in Guangdong Province， this paper has probed into the design and realization of the Virtual laboratory of genetic engineering. Hope to offer reference and thinking for similar development of Virtual laboratory or relevant education resources.

Keywords: Genetic engineering， Virtual laboratory，3D game engine

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文