虛擬實驗在生物化學實驗教學中的意義

屠潔 陳欣 王卉平

【摘 要】近年來，數字化學習工具的開發與應用已取得了非常顯著的進步，有力促進了信息技術環境下的學習實踐。這其中，利用網絡和虛擬技術開發虛擬實驗，可以有效降低實驗成本和提高實驗效率，并且有助于學生深入理解生物化學實驗的微觀機制，是改革實驗教學手段的一個重要發展方向。

【關鍵詞】虛擬實驗 生物化學 實驗教學

生物化學與分子生物學實驗技術是生命科學研究的重要手段，是生命科學相關專業的重要的實踐性課程，該課程的教學效果直接影響學生的培養質量，尤其是對相關專業研究生的培養質量（如論文質量和研究生的實驗技能）至關重要。而生物化學與分子生物學實驗是通過微觀領域的深入研究不斷地揭示了各種生命奧秘，因此學生了解生命本質必須能夠進入微觀世界，傳統的教學手段對微觀世界的動態變化的展示卻顯得不夠充分，但信息技術提供了這種可能。運用多媒體課件教學，動態模擬，創設教學情境，把學生的思維帶進微觀世界模擬的實驗環境之中，誘導學生觀察思考，相互討論，共同探究規律，較好地實現教學效果。虛擬實驗就是基于信息技術、網絡技術、虛擬仿真技術上構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統，使現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化。

一、虛擬實驗的概念

虛擬實驗的概念，最早在1989 年由美國的William Wolf教授提出，用來描述一個計算機網絡化的虛擬實驗環境。虛擬實驗概念的提出至今僅為十多年的時間，但因其廣闊的應用前景，國內外有很多組織都已經開展了虛擬實驗系統的研究和建設工作，特別是在國外一些著名的大學，已有較多建好并投入使用的虛擬實驗系統，涵蓋了計算機網絡、數學、人工智能、生命科學、化學、物理、生物工程、通訊、3DCAD、圖形圖像、農業科學等教學、科研領域。

目前，國內在虛擬實驗方面開展的工作還不多，已有部分高校初步建立了虛擬實驗室。例如：中國農業大學建立了網上虛擬土壤作物系統實驗室，應用計算機模擬植物在三維空間中的生長發育狀況，探討虛擬植物模型在農業領域應用的關鍵問題。縱觀近年來虛擬實驗室在國內高校的發展和應用， 可以看出虛擬實驗室已經實實在在地改變了人們對實驗室的看法。由于它不但能有效地降低實驗成本， 提高實驗效率， 而且可以實現異地協作和實驗資源共享， 因此這種實驗方式也越來越受到國內高校和科研機構的重視和青睞， 成為強化實驗室建設、改革實驗教學手段的一個重要發展方向。

虛擬實驗在生物化學與分子生物學教學中的實踐意義

生物化學與分子生物學實驗教學一般都是在實驗室中進行，往往是教師介紹相應實驗項目的原理，學生則按照教材所示實驗步驟進行操作，對于實驗過程中具體的細節尚處于一知半解狀態；而且，生物化學和分子生物學實驗所用試劑費用較高，教學經費往往不允許學生進行反復實驗，一些較為前沿的實驗項目還會因為實驗經費和所需儀器的限制無法開設；另外，在實驗進行過程中，往往需要較長的等待時間如PCR擴增時要等待1個多小時、SDS-PAGE時電泳要等待1小時左右，后面的凝膠染色、脫色又有很長時間等待，有限的課程實驗時間只能開設非常有限的實驗項目。綜上所述，實驗教學過程費時費力，卻難以達到預期效果。

虛擬實驗則可以很好地解決上述問題，開展虛擬實驗的虛擬實驗環境由虛擬實驗臺、虛擬器材庫和開放式實驗室管理系統組成。虛擬實驗臺與真實實驗臺類似，可供學生自己動手配置、連接、調節和使用實驗儀器設備。教師利用虛擬器材庫中的器材自由搭建任意合理的典型實驗，或實驗案例，學生既可以在虛擬實驗臺上動手操作，又可自主設計實驗，有利于培養的操作能力、分析診斷能力、設計能力和創新意識。在虛擬實驗中，學生更易獲得相關的知識，科學的指導和敏捷的反饋。

二、生物化學與分子生物學虛擬實驗的運用現狀

目前，相當部分的物理與化學虛擬實驗室逐漸運用于實驗教學，但是有關于生命科學的相關虛擬實驗平臺均尚處于建設之中。原因有多方面的，如生命科學現象比較復雜，虛擬實驗平臺的開發也就相對較為復雜；生物化學與分子生物學實驗項目繁多，有時候實驗材料的選擇、方法的選擇不同就是不同的實驗項目，要建設一個相對較為完善的虛擬實驗平臺工作量非常大，需要耗費大量的人力物力；另外，生物化學與分子生物學虛擬實驗平臺建設需要計算機工程和生物化學與分子生物學專業人才共同努力才能完成的一項工作，而大部分實驗教學中兩個學科之間交叉得比較少，也就是專業課程老師的計算機基礎相對較為薄弱，而計算機工程的專業人士的生物化學與分子生物學背景又相對欠缺。因此，生物化學與分子生物學虛擬實驗尚有待于探索和研發。

三、展望

虛擬實驗輔助生物化學與分子生物學實驗教學是一種全新的嘗試，能提升課程學習效果和教學質量。但是，由于生物化學與分子生物學實驗本身的復雜性，虛擬實驗軟件的研發尚處于起步階段，其進一步開發需要投入很大的人力和物力，需要計算機工程和生物化學與分子生物學專業人才共同努力才能完成。綜上所述，針對課程特點合理選用開發技術，逐步實現教學型虛擬實驗室的建設和應用，使虛擬實驗成為實驗教學的有益的、必要的補充。

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