生物技術虛擬實驗室建設的思考

郭健+劉微+董媛+朱潔+許會靜

摘要生物技術實驗存在著周期長、成本高以及生物安全性的問題，致使生物技術專業的實驗教學受到制約，教學質量下降，急需引進新的實驗教學模式和技術。虛擬實驗室利用計算機、網絡及仿真虛擬技術為使用者提供形象逼真的實驗場景，能激發學生的學習興趣，節約教學成本，保證實驗教學的安全性，提高生物技術實驗室的開放性和靈活性。因此，生物技術虛擬實驗室的建設對于生物技術專業的發展是十分必要的。

關鍵詞生物技術；虛擬實驗室

現代生物技術是一門理論抽象、知識繁多、技術要求嚴格的學科，因此實驗教學至關重要。在實驗教學上注重培養學生的觀察能力和動手能力，尤其應注重理論和操作技術結合，將抽象內容具體化。在傳統的實驗教學中常因教學場地、設備、經費、師資力量或生物安全性等因素的制約，導致實驗教學不完善，學生的操作機會匱乏，實驗技術能力差，對理論知識的理解也不透徹。因此，如何改建設生物技術實驗室，從而改進生物技術實驗課程，提高該課程實驗教學質量，值得深入思考。近年來，隨著計算機網絡技術的不斷發展，虛擬實驗室逐漸被引入生物技術實驗教學中。利用虛擬實驗室教學與常規教學相結合，開展人機交流互動，已成為現今實驗教學發展的新方向。

1虛擬實驗室發展概況

1.1虛擬實驗室的概念

虛擬實驗室（Virtual laboratory）的概念最早是由美國弗吉尼亞大學的教授William Wolf提出的，是指借助圖形或圖像、網絡技術和虛擬仿真技術等技術，建立一個計算機網絡化的虛擬實驗室環境。在這個環境里，用戶可以隨時進入虛擬實驗室，用鼠標來操作儀器和進行實驗，模擬真實試驗臺上的手動操作。虛擬實驗室可通過網絡技術實現不同地域，不同學科之間儀器設備、資源和數據的共享，甚至是相互之間的遠程控制。

1.2虛擬實驗室的發展現狀

早在1985年，美國國立醫學圖書館就已將人類尸體進行CT和MRI掃描，建立了“虛擬人體”系統，作為醫學相關學科的輔助教學。1995年，出現了“虛擬青蛙解剖實驗”，實驗者可利用虛擬手術刀對青蛙進行解剖，清晰地觀察到內部組織結構。2003年，中國第一軍醫大學完成了國內首例女虛擬人的數據采集。由于虛擬實驗室的應用前景廣闊，很多國家，特別是國外的一些著名大學都進行了虛擬實驗室研究與建設的工作，并已投入使用，如：霍華德·休斯醫學研究所的心臟病實驗室，約翰霍普金斯大學的虛擬工程與科學實驗室，意大利帕瓦多大學的遠程虛擬教育實驗室等；國內部分高校已開始籌建，涵蓋了廣泛的科研領域，如：清華大學的工程力學虛擬實驗室，浙江大學的物理虛擬實驗室，中國農業大學的網上虛擬土壤作物系統實驗室，北京維拓啟創信息技術有限公司的虛擬解剖實驗室系統等。

2建設生物技術虛擬實驗室的必要性

虛擬實驗室教學模式與傳統教學模式相比，具有多樣化、效率高、易操作、靈活性強、安全性高的優勢，能夠為學生提供各種教學內容，提高了教學效率和教學質量，從而在各高校得到廣泛的認可。

2.1教學環境多樣化

虛擬實驗室構建的虛擬教學環境可為學生提供實驗設計、實驗操作、數據分析等模塊。虛擬實驗室綜合圖像、動畫和聲音來對真實的生物實驗過程和現象進行模擬，使學生有沉浸感。在與真實環境高度相近的虛擬實驗室里，學生通過鼠標和鍵盤進行實驗操作，不僅有身臨其境的體驗感，同時大大提高了學習興趣。學生之間也可通過聊天室進行實驗的討論，或是隨時利用實驗平臺驗證學習過程中產生的各種疑問，培養學生的創新能力，充分發揮實驗教學的重要作用。

2.2節省教學成本

生物技術專業常會涉及到操作步驟復雜，難度系數高的實驗。學生可提前進入虛擬實驗室進行演練，提高實驗操作的熟悉度和精準度后，再進行真實實驗，不僅節省大量課堂時間，提高實驗的成功率，也降低了對昂貴實驗耗材的消耗，節約實驗成本。另外，在傳統實驗教學中，涉及到實驗周期較長的內容，多數是由教師完成大部分實驗，學生只操作關鍵部分，使教學效果大打折扣。而虛擬實驗室則降低了實驗對材料和設備的依賴，學生完全可以在虛擬實驗平臺上完成全部實驗流程。

2.3提高安全性和靈活性

生物實驗中往往會涉及有毒、有害、有強感染性的試劑和材料，使生物實驗存在一定的安全隱患。對于在傳統實驗室里易造成人身傷害的實驗，虛擬實驗室完全顯露其優勢，在對學生的安全保護層面上考慮，高校建立生物技術虛擬實驗室有很大的必要性。另外，虛擬實驗室突破了傳統實驗教學模式的時間和地域的限制，在管理和使用上有著更大的靈活性。學生可以隨時隨地進入虛擬實驗室進行操作，在平臺上進行互動交流；教師也可對學生進行監督。虛擬實驗室系統內可資源共享，設計性實驗，積極發揮學生的創造性，提高學生的學習效率，為實驗教學工作提供了極大的便利。

3虛擬實驗室在生物技術教學中存在的問題

盡管虛擬實驗室有諸多優點，但是與真實實驗室仍存在一定差異。許多實驗步驟如果只通過模擬無法反應其真實的狀態，比如操作過程的手感、觸感和力度等。學生即使模擬過實驗流程，在實體操作過程中也難免遇到各種問題。因此，不能完全依賴于虛擬實驗室創造的理想環境。另外，與傳統實驗室相比，虛擬實驗室的計算機技術和網絡技術含量非常高，因此不易開發和維護，管理者需具有充分的計算機知識，一旦計算機或者網絡出現故障，虛擬實驗室將無法使用。

4結論

生物技術虛擬實驗室對于生物技術專業的建設和發展有著重要的意義，但是在教學過程中，應做到虛實結合。開發虛擬教學資源時，充分利用虛擬教學手段的同時，應考慮虛擬實驗和真實實驗的比例，才能獲得良好的教學效果。endprint