生物技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思考

郭健+劉微+董媛+朱潔+許會(huì)靜

摘要生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)存在著周期長(zhǎng)、成本高以及生物安全性的問(wèn)題，致使生物技術(shù)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到制約，教學(xué)質(zhì)量下降，急需引進(jìn)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和技術(shù)。虛擬實(shí)驗(yàn)室利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)及仿真虛擬技術(shù)為使用者提供形象逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，節(jié)約教學(xué)成本，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性，提高生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放性和靈活性。因此，生物技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)對(duì)于生物技術(shù)專業(yè)的發(fā)展是十分必要的。

關(guān)鍵詞生物技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)室

現(xiàn)代生物技術(shù)是一門(mén)理論抽象、知識(shí)繁多、技術(shù)要求嚴(yán)格的學(xué)科，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)至關(guān)重要。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上注重培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和動(dòng)手能力，尤其應(yīng)注重理論和操作技術(shù)結(jié)合，將抽象內(nèi)容具體化。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常因教學(xué)場(chǎng)地、設(shè)備、經(jīng)費(fèi)、師資力量或生物安全性等因素的制約，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)不完善，學(xué)生的操作機(jī)會(huì)匱乏，實(shí)驗(yàn)技術(shù)能力差，對(duì)理論知識(shí)的理解也不透徹。因此，如何改建設(shè)生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，從而改進(jìn)生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程，提高該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，值得深入思考。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室逐漸被引入生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。利用虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與常規(guī)教學(xué)相結(jié)合，開(kāi)展人機(jī)交流互動(dòng)，已成為現(xiàn)今實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的新方向。

1虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展概況

1.1虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念

虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual laboratory）的概念最早是由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的教授William Wolf提出的，是指借助圖形或圖像、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)等技術(shù)，建立一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境里，用戶可以隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，用鼠標(biāo)來(lái)操作儀器和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模擬真實(shí)試驗(yàn)臺(tái)上的手動(dòng)操作。虛擬實(shí)驗(yàn)室可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同地域，不同學(xué)科之間儀器設(shè)備、資源和數(shù)據(jù)的共享，甚至是相互之間的遠(yuǎn)程控制。

1.2虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展現(xiàn)狀

早在1985年，美國(guó)國(guó)立醫(yī)學(xué)圖書(shū)館就已將人類尸體進(jìn)行CT和MRI掃描，建立了“虛擬人體”系統(tǒng)，作為醫(yī)學(xué)相關(guān)學(xué)科的輔助教學(xué)。1995年，出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)者可利用虛擬手術(shù)刀對(duì)青蛙進(jìn)行解剖，清晰地觀察到內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。2003年，中國(guó)第一軍醫(yī)大學(xué)完成了國(guó)內(nèi)首例女虛擬人的數(shù)據(jù)采集。由于虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用前景廣闊，很多國(guó)家，特別是國(guó)外的一些著名大學(xué)都進(jìn)行了虛擬實(shí)驗(yàn)室研究與建設(shè)的工作，并已投入使用，如：霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的心臟病實(shí)驗(yàn)室，約翰霍普金斯大學(xué)的虛擬工程與科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，意大利帕瓦多大學(xué)的遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室等；國(guó)內(nèi)部分高校已開(kāi)始籌建，涵蓋了廣泛的科研領(lǐng)域，如：清華大學(xué)的工程力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)的物理虛擬實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的網(wǎng)上虛擬土壤作物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，北京維拓啟創(chuàng)信息技術(shù)有限公司的虛擬解剖實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)等。

2建設(shè)生物技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的必要性

虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，具有多樣化、效率高、易操作、靈活性強(qiáng)、安全性高的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供各種教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，從而在各高校得到廣泛的認(rèn)可。

2.1教學(xué)環(huán)境多樣化

虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的虛擬教學(xué)環(huán)境可為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析等模塊。虛擬實(shí)驗(yàn)室綜合圖像、動(dòng)畫(huà)和聲音來(lái)對(duì)真實(shí)的生物實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象進(jìn)行模擬，使學(xué)生有沉浸感。在與真實(shí)環(huán)境高度相近的虛擬實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，不僅有身臨其境的體驗(yàn)感，同時(shí)大大提高了學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生之間也可通過(guò)聊天室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的討論，或是隨時(shí)利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的各種疑問(wèn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要作用。

2.2節(jié)省教學(xué)成本

生物技術(shù)專業(yè)常會(huì)涉及到操作步驟復(fù)雜，難度系數(shù)高的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可提前進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行演練，提高實(shí)驗(yàn)操作的熟悉度和精準(zhǔn)度后，再進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，不僅節(jié)省大量課堂時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)的成功率，也降低了對(duì)昂貴實(shí)驗(yàn)耗材的消耗，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。另外，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，涉及到實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)的內(nèi)容，多數(shù)是由教師完成大部分實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只操作關(guān)鍵部分，使教學(xué)效果大打折扣。而虛擬實(shí)驗(yàn)室則降低了實(shí)驗(yàn)對(duì)材料和設(shè)備的依賴，學(xué)生完全可以在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成全部實(shí)驗(yàn)流程。

2.3提高安全性和靈活性

生物實(shí)驗(yàn)中往往會(huì)涉及有毒、有害、有強(qiáng)感染性的試劑和材料，使生物實(shí)驗(yàn)存在一定的安全隱患。對(duì)于在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室里易造成人身傷害的實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)室完全顯露其優(yōu)勢(shì)，在對(duì)學(xué)生的安全保護(hù)層面上考慮，高校建立生物技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室有很大的必要性。另外，虛擬實(shí)驗(yàn)室突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的時(shí)間和地域的限制，在管理和使用上有著更大的靈活性。學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作，在平臺(tái)上進(jìn)行互動(dòng)交流；教師也可對(duì)學(xué)生進(jìn)行監(jiān)督。虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)內(nèi)可資源共享，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，積極發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作提供了極大的便利。

3虛擬實(shí)驗(yàn)室在生物技術(shù)教學(xué)中存在的問(wèn)題

盡管虛擬實(shí)驗(yàn)室有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室仍存在一定差異。許多實(shí)驗(yàn)步驟如果只通過(guò)模擬無(wú)法反應(yīng)其真實(shí)的狀態(tài)，比如操作過(guò)程的手感、觸感和力度等。學(xué)生即使模擬過(guò)實(shí)驗(yàn)流程，在實(shí)體操作過(guò)程中也難免遇到各種問(wèn)題。因此，不能完全依賴于虛擬實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造的理想環(huán)境。另外，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)含量非常高，因此不易開(kāi)發(fā)和維護(hù)，管理者需具有充分的計(jì)算機(jī)知識(shí)，一旦計(jì)算機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，虛擬實(shí)驗(yàn)室將無(wú)法使用。

4結(jié)論

生物技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)于生物技術(shù)專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展有著重要的意義，但是在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)做到虛實(shí)結(jié)合。開(kāi)發(fā)虛擬教學(xué)資源時(shí)，充分利用虛擬教學(xué)手段的同時(shí)，應(yīng)考慮虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的比例，才能獲得良好的教學(xué)效果。endprint