免疫熒光實驗虛擬仿真教學模式構想①

唐超智 劉慶薈 張順利

(河南師范大學生命科學學院，新鄉 453007)

1941年，Coons首次用熒光標記抗體與抗原特異結合成功，免疫熒光標記技術問世[1]。經過不斷發展和完善，免疫熒光標記技術已成為現代分子生物學、免疫學和臨床醫學領域的常用實驗技術，廣泛應用于組織抗原定位定量分析、病原微生物鑒定、抗體檢測、腫瘤診斷及免疫球蛋白代謝監測等方面，表現出極高的靈敏度、特異性和準確率[2]。

盡管免疫熒光實驗在科學研究事業和生產生活領域均具有廣泛的應用，當前我國高等學校生命科學、畜牧獸醫學和檢驗醫學等專業本科生的實驗教學培養體系中，絕大多數并未開設免疫熒光實驗項目。其主要原因是傳統實驗教學模式下，免疫熒光實驗項目的開設成本較高，比如高品質的進口熒光標記抗體價格往往比較貴，而高分辨率的熒光顯微鏡也很難達到每個學生一臺。此外，一些其他的限制因素也使得免疫熒光實驗開設困難重重，比如暗室觀察熒光時難以在多人班級的課堂上實現，該實驗的時間相對較長也不便于正常單元課堂的時間內完成等。缺乏免疫熒光實驗的技能培訓導致許多本科生在今后的工作中應用免疫熒光實驗技術時缺乏充分的知識經驗和實踐操作能力，難以滿足崗位招聘的即用需求。

1 虛擬仿真實驗教學模式發展現狀

虛擬仿真技術是指運用計算機軟件構建一個虛擬系統來模仿現實世界的技術，又稱虛擬現實技術。置身于該虛擬系統中，操作者感知到跟現實世界十分接近的場地環境和目標對象，開展著與現實世界十分雷同的事物發生過程。虛擬仿真技術可幫助人們反復獲取重要的知識經驗，卻不會受到現實世界的諸多限制，其已成為工農業生產、國防建設、臨床治療醫學和現代教育事業發展的重要手段[3]。

近年來，我國高等教育教學領域掀起了應用虛擬仿真技術的浪潮。當前的工科和醫學院校，已在逐步拋棄具有高昂實驗成本、巨大安全隱患和場地條件要求苛刻等弊端的傳統實驗教學模式，建立虛擬仿真實驗教學模式。為鼓勵發展虛擬仿真實驗教學模式，教育部于2015年設立了100個國家級虛擬仿真實驗教學示范中心，2016年又新增了200個，2017年則提出在未來4年(2017～2020年)內立項國家級虛擬仿真實驗項目1 000項。

通過參加國內虛擬仿真實驗教學研討會，筆者發現免疫熒光實驗技術虛擬仿真教學體系開發的呼聲很高，但由于研發免疫熒光虛擬仿真實驗系統不僅要求構建者團隊具有淵博的免疫學專業知識，且須熟悉3DS Max、Photoshop、Flash和Dreamweaver等軟件的操作[4-6]，這種難度較高的挑戰使得該實驗項目的虛擬仿真教學系統研發遲遲難以啟動。為此，本文提出了構建免疫熒光實驗項目虛擬仿真教學系統的具體方法，期望有助于推動該項工作的快速發展。

2 免疫熒光實驗項目虛擬仿真教學模式構建方法

2.1免疫熒光實驗虛擬教學軟件整體設計 應用Dreamweaver制作虛擬仿真教學網頁，設置免疫熒光實驗虛擬教學軟件的登錄主界面模塊和具體實驗教學模塊，實驗教學模塊下設實驗項目選擇、實驗原理、實驗器材、實驗操作流程、具體實驗操作、結果獲得和分析6個子菜單選項，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗教學平臺整體結構圖Fig.1 Whole structure diagram of virtual simulation experiment teaching platform

在實驗教學模塊下，實驗項目選擇很容易設置，實驗原理和結果分析部分為通識內容，整理文獻資料填充即可，實驗器材、具體實驗操作需依據實驗操作流程確定。因此，制定實驗操作流程，按照實驗操作流程制作實驗操作需用的各種二維圖片、三維虛擬模型及動畫素材，再把這些素材按照實驗操作流程的順序整合成計算機語言，形成虛擬實驗操作程序，是開發整個實驗教學模塊的關鍵環節。

2.2免疫熒光實驗操作流程制定 參考當前國內外普遍使用的實驗方案，免疫熒光實驗的具體操作流程主要包括樣本取材、制片、脫蠟復水、封閉、一抗和二抗孵育、結果觀察等步驟[7]，如圖2所示。

2.3虛擬模型和動畫的確定及制作 對實驗流程中涉及的環境、器材、試劑和人等虛擬內容進行歸納整理，應用Photoshop、3DS Max、Flash等軟件建立二維圖、三維虛擬模型和動畫素材，如表1所示。

2.4將素材嵌入虛擬仿真平臺 建模完成后，還需經過以下幾個環節將其嵌入虛擬仿真平臺，完成免疫熒光虛擬仿真實驗項目的構建。

圖2 免疫熒光實驗基本流程Fig.2 Basic flow of immunofluorescence experiment

表1虛擬實驗模型素材匯總

Tab.1Asummaryofvirtualexperimentmode

素材類別虛擬對象類別虛擬模型名稱二維圖片類(Photoshop)背景類背景圖標識修飾類圖標、不規則符號、裝飾圖等三維模型類(3DS Max)人教師、學生、實驗技術人員、管理員等環境設施類常規實驗室、實驗臺、暗室等儀器設備類熒光顯微鏡、切片機、恒溫箱、搖床等器皿工具類燒杯、染色缸、PBS洗瓶、膠頭滴管、廢液缸、載玻片、蓋玻片、染色架、離心管、離心管架、避光濕盒、濾紙、計時器等試劑一抗、熒光標記二抗、山羊血清封閉液、pH7.4 PBS緩沖液、三蒸水等特殊對象類水滴、水流、水霧、熒光等動畫視頻類(Flash)結果觀察及分析的動畫視頻正確、錯誤結果觀察及分析的動畫視頻展示

第一，轉換在不同建模軟件中制作的各種模型的格式，使其能夠插入到虛擬平臺中，變為能被調用和處理的對象。第二，在Dreamweaver中創建站點后，進行網頁制作，之后進行站點的測試和發布。每一界面是通過超文本標記語言(Hypertext markup language,HTML)編寫的文件，把這些素材按照實驗操作流程的順序分門別類整合到不同的網頁界面，使用瀏覽器將HTML語言翻譯成瀏覽者看到的絢麗多彩的界面。第三，設置鼠標點擊選擇的交互方式完成各個虛擬模型之間的人機交互、元素交互，搭建成為虛擬實驗系統。第四，將虛擬實驗軟件轉變為可執行文件，整合成計算機語言，形成虛擬實驗操作軟件程序，最終實現虛擬實驗教學軟件的漫游功能、演示功能、互動功能和考核功能，在網頁上發布，有效運用到學生實驗教學之中。

綜上所述，通過Photoshop 進行二維圖片整理、3DS Max進行三維模型建立、Flash進行視頻動畫制作獲取需用的虛擬實驗素材，運用Dreamweaver軟件和專業HTML編輯器，進行網頁設計、編碼和開發，把各種素材整合，以PC機為硬件平臺，完成免疫熒光實驗的虛擬仿真教學軟件構建。

3 結語

虛擬仿真教學模式在國內外多個領域內的發展均十分迅速，國外的一些虛擬實驗室使用了功能更強大的3D CAD進行機器人智能領域建模[8]。高端生物學技術的實驗項目近年來也正在逐步開展虛擬仿真實驗教學模式[9]，張玲等[10]基于 VRP 和 3DS Max 構建了SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳虛擬實驗取得了成功。

本文對免疫熒光實驗項目虛擬仿真教學模式的構建方法進行了精心設計，系統整理和歸納了構建的各個環節，其在具體構建時可根據需要，插入補充模塊。此外，網頁設計技術的精湛程度，素材模擬效果的逼真情況，虛擬平臺與數據庫的連接狀況均是極具挑戰性的操作環節。由于生物學實驗虛擬仿真教學領域的發展目前才剛剛起步，可借鑒的現成資源相對缺乏，構建出效果優良的免疫熒光實驗項目需要進一步實踐應用。