虛擬現實技術在分子生物學實驗教學中的應用分析

劉玉蓮，紀朋艷，李慶華，方青

吉林醫藥學院醫學實驗中心，吉林吉林 132013

虛擬現實技術的產生為生活帶來了無數便捷，在虛擬現實技術中是以人為主體，人類從中獲得從未有過的體驗。該研究所說的虛擬的分子生物學實驗是通過計算機軟件開發以及網絡的技術相結合形成的系統軟件。它應用了Flash編寫課件，匯集了圖片、視頻、音頻、動畫，創造了一個虛擬中的實驗室。通過操作計算機就能夠進行生物實驗。具有多重特點。虛擬現實技術這種新型的仿真技術與分子生物學的教學實驗相互結合，完善了老師教授實驗教學模式，彌補了生物教學實驗中產生的不足之處，把虛擬現實技術的特點發揮出最好的效果。為學生教學提供了更多的途徑。目前，虛擬現實技術已應用在分子生物實驗教學之中，提高了學生的學習興趣，增強了學生獨立思考的能力以及創造力，取得了不錯的成果。針對這一技術，該研究作出了深刻具體的分析，現報道如下。

1 虛擬現實技術

1.1 虛擬現實技術的含義

所謂虛擬現實技術，是指人類利用計算機根據真實的環境設計并構造的模擬世界的一項技術。它是一種多種信息組合交集成為三維立體視圖以及有真實能動性的仿真系統。它幾乎和真實世界一模一樣，人們仿佛置身其中。

虛擬現實技術（VR）[1]是開啟這一類技術大門的鑰匙，是仿真技術的指路標，是多種多媒體技術以及網絡技術的組合。虛擬現實技術走在多種網絡技術的最前端，是值得更多的網絡人深入研究的課題。

虛擬現實技術包含有：模擬環境、行為能力、感覺、感應設備。所謂模擬環境，它是電腦設計出來的具有3D真實效果的場景。行為能力是說場景中的人物有自己的行為能力，和現實中的人物是一樣的，身體的各部位都可以活動，電腦進行操控他們的行為能力。當電腦發出某個指令時，他們會根據指令做出相應的反應，我們就可以看到他們的動作。感覺，眾所周知，是場景中的人物擁有五官的感受，比如，嗅覺、味覺、聽覺等等。感應設備是指使三維立體視圖交匯在一起的設備。

1.2 虛擬現實技術的特點

作為新發展起來的仿真技術，虛擬現實技術有很多特點，如下所示。

①與現實交集。虛擬現實技術可以說是一個仿真世界，它擁有著真實世界所擁有的一些事物，包括人類在內。仿真世界里的人物和我們一樣有著感官以及能動性，唯一不同的是，它們需要我們用計算機來操作它們的行為[2]。

②很安全。安全是說可以利用虛擬現實技術進行場景模擬演練，比如，演練各種火災場景、各種地震場景等等。這樣有助于在現實生活中遇到這些情況時能夠冷靜處理，及時躲避，能夠自救以及救助別人，確保我們人類的人身安全。

③感覺置身其中。當我們操作電腦時，就會覺得仿真世界里面的人物就是自己，仿佛置身其中，體驗不同的世界。仿真世界的真實程度會讓你覺得和現實沒有任何區別。

④擁有感知能力。虛擬現實技術其中包含有感覺，這是說里面人物的感覺，他們有聽覺，味覺，嗅覺，以及它們還有運動能力。

⑤有針對的處理問題。在虛擬演練中，我們可以根據自身的弱點進行有針對性的練習，比如，當自己無法處理火災事故時，我們可以利用虛擬現實技術進行演練，提高自己的應對能力。

2 分子生物學

2.1 分子生物學概念

分子生物學是指以分子為單位來探究生命活動規律的一門科學。分子生物學主要是研究蛋白質、蛋白質-核酸這一類分子的構造以及合成[3]。探究其生命活動主要包括了人類的癌癥的病變，植物的光合作用生命活動中神經的原理等等。

分子生物學是需要通過不斷試驗，不斷用實踐證明理論的學科。它也是一門開放性學科，要求學生通過動手設計實驗、進行實驗、分析探究實驗，最后得出結論。所以又說分子生物學的實踐性很強。

2.2 研究分子生物學的意義

所有生命現象的活動都是有規律的。就像生物都是由蛋白質還有核酸組成的。分子生物學的研究為人類帶來了了解生命活動規律的機會，人們可以進一步改變生物構造作進一步的研究，為人類造福。

2.3 相關應用

①克隆技術。分子生物學作為一門新興邊緣的學科，它的研究成果能夠為人類造福。雖然目前我們仍處在克隆技術的最初級階段，隨著科學家不斷探究以及實驗，未來定會看到克隆技術所帶給我們的福音。

②DNA鑒定。隨著分子生物技術的不斷深入探索，科學家對基因的研究也有了很大的成果。DNA鑒定也為偵破案件提供了重要的證據。同時親子鑒定也可以通過DNA檢測獲得幫助。

③轉基因。轉基因（GMF）[4]是通過轉換物種之間的基因而得到的另一個物種。轉基因食品擁有了其它食品所沒有的能力，例如，轉基因食品防蟲蛀，延長了保質期，而且是大批量生產，使生產成本減到最低，轉基因食品不分季節，可以隨時供應，滿足人類的需要。但由于轉基因食品的好壞尚不明確，還有待進一步研究實驗。

3 虛擬現實技術在實驗教學中的特點

虛擬實驗是虛擬現實技術與生物教學實驗相結合的產物，是利用操作計算機讓學生體驗模擬的生物實驗，實質上他就是計算機利用Flash技術開發的軟件系統，為學生提供環境、設備，就像在真實的實驗室一樣。正是如此，虛擬實驗有著真實實驗室不可比擬的特點：①共同的系統。眾所周知，計算機系統中的資源都是可以通過網絡共享的。也就是說，人人都可以看到、用到。而虛擬實驗證正是有這一特點，它可以通過計算機目錄檢索，學生所需要的相關數據、文件、電子圖書，甚至是以前操作的實驗都能找到。學生通過共享資源，節省了時間，提高了學習效率。②交流信息。資源可以在計算機上共享，同樣的，在虛擬的實驗環境中，學生可以盡情的交流，交換意見。③學生自由操作。虛擬實驗是由計算機操作完成，學生通過操作計算機完成實驗成果。所以學生擁有操作的權利，可以對虛擬儀器的使用進行操作。還可以隨時上傳相關數據，保存數據等等。④軟件升級。隨著社會發展迅速，信息步伐加快。虛擬實驗也需要更新換代，軟件需要升級。各種環境都需要被改變。我們也要跟上時代的腳步，隨時準備虛擬實驗進行擴充。⑤設備先進。虛擬現實技術是新興的一種技術，所以在設備上都是采用最先進的。當然，虛擬實驗的儀器也是最好的。

4 虛擬現實技術在分子生物學實驗教學中存在的問題

經過多次總結，虛擬現實技術在分子生物學實驗教學中有以下幾個問題。

4.1 兩者發展不健全

在分子生物學的實驗教學中，分子生物學實驗教學內容一直都很盲目注重實驗的結果，對于實驗的設計方面設想的偏少。教學中更注重實驗，而忽略了學生的綜合能力的培養。學生沒有設計過程，就不會了解整個實驗的設計思路，及時得到了實驗結論，也只是匆匆記住結果而已。老師的這種教學模式，嚴重阻礙了學生的能力發展。學生并沒有從教學中學到任何技能。學生應該全面掌握實驗教學過程，從設計實驗、進行實驗、分析探究實驗，最后得出結論。這樣才能與現代信息技術進行銜接。

而虛擬現實技術也是目前新興的仿真技術，還需要不斷的完善。對于生物實驗教學這一模塊沒有進行標準化，使用起來會很困難。在使用計算機操作虛擬現實技術上，老師和學生應提高使用計算機的能力。

4.2 虛擬現實技術在分子生物學實驗教學軟件設計和上機操作問題

在設計軟件時，設計者要和相關實驗人員進行溝通，使設計出來的軟件能夠方便使用。讓老師能夠教會學生應用軟件，同時能夠讓學生操作實驗并得出相應的實驗結論。老師與學生共同學習，不僅有生物實驗，還有計算機軟件操作的問題。

4.3 現實與虛擬的空間問題

使用了虛擬現實技術，學生就進入到了另一個世界，在其中體驗生物實驗教學。兩者的感受是截然不同的，學生不能沉浸在虛擬的世界中而忘記了教學的重點[5]。

5 虛擬現實技術在分子生物學實驗教學中應用的對策

5.1 加強對計算機軟件的學習

首先，學生要進行計算機培訓，以保證學生都能夠達到操作計算機的能力。其次，統一由軟件人員進行虛擬現實技術開發的生物實驗的軟件的培訓課程。教會學生操作軟件，并能靈活掌握。以便學生能順利操作實驗，并得出正確結論。

5.2 完善分子生物教學實驗的教學

進行生物實驗教學是學生教育中必行之路，而且教學目標中明確提出要求學生自主完成實驗的設計與操作。有助于培養學生的綜合能力，提高學生的專業知識水平。

5.3 加強兩者合作交流

軟件設計者與生物實驗人員要多溝通，使兩者的結合得到更好地發展。同時也促進虛擬現實技術的應用在教育中有更好的發展前景。

5.4 課前對學生進行教學指導

要讓學生充分了解軟件操作的目的是為了更好地、更加逼真地進行實驗操作，分清現實與虛擬。學生在軟件操作中學習知識，理解知識，充分了解實驗的設計過程與操作過程及最后得出的結論。提高了分子生物學實驗教學質量。

6 結語

虛擬現實技術作為一種新興的仿真技術，它為人類的生活帶來了便捷，解決了人類對危險環境的及時應對問題。虛擬現實技術已經深入教學作為一種模式值得被重視。它解決了學校教育中教學過程的不完善，硬件設施的缺乏，教學環境等問題。從更開闊的視野以及多重的角度參透教育的特點，并對其開展一系列問題的分析研究。學生可以在過程當中進行深入探索和自主學習，為學生學習知識增加了樂趣，提高了學習的積極性。同時對計算機的操作，也提高了學生的綜合能力，獨立思考能力以及主觀能動性。使學生更加積極向上，提高教學的質量和效果。不過，虛擬現實技術的發展尚處于起步階段，還存在很多問題沒有得到解決，還需要進一步研究[6]。

[1]Ruwei Yun.VR for explaining the concept“relative motion in physics”Eurographics/ACM SIGGRAPH Workshop on Compute[J].Graphics Education，2014（6）.

[2]徐輝，馬秀峰.虛擬現實教育應用探析[J].山西師范大學學報:自然科學版,2013,24(6):95-97.

[3]張璇.虛擬現實技術在實驗教學中應用的探討[J].邢臺職業技術學院學報,2014,26(3):6-8.

[4]Brent G Wilson.Metaphors for Instruction:Why We Talk About Learning Environments Educational Technology[J].2013.

[5]陳曉歡，王穎穎，左云飛．虛擬實驗室在分子診斷學中的應用[J]．實驗室建設與管理，2015，14（1）：126－128.

[6]劉梅.虛擬現實技術在教學中的應用探究[J].時代人物教學園地,2014(11):145.