基于Flash的生物化學虛擬仿真實驗室的開發與評價

閆路娜 王會勇

摘要：闡述了生物化學虛擬仿真實驗室的設計、開發及實現過程，并對其教學效果進行了評價，結果表明：基于Flash 技術的生物化學虛擬仿真實驗系統，可為學生提供一個操作簡便、交互性強的學習實驗技能的操作平臺，具有激發學生的學習興趣，拓展知識面，促進學生對實驗原理的理解和對實驗操作規范的掌握，提高實驗教學效果的作用，是生物化學實驗教學的重要輔助手段。

關鍵詞：生物化學;虛擬仿真實驗室; Flash; 開發;評價

中圖分類號：Q 5-33; G434? ? ? ?文獻標志碼：A

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）24-0226-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Development and Evaluation of Virtual Simulation Laboratory for Biochemistry Based on Flash

YAN Lu-na1; WANG Hui-yong2

（1. College of biological sciences and engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2. College of information science and engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract： The paper introduces the design scheme， the development and the realization process of the biochemistry virtual simulation laboratory， and evaluates the teaching effect of the biochemistry virtual simulation laboratory. The result shows that the biochemical virtual simulation laboratory system relying on Flash developed independently can provide the students with a simple and interactive operating platform for learning experiment skills. It can stimulate students' interest in learning， expand the scope of knowledge， promote students' understanding of the experimental principles and grasp the standard of experimental operation， and improve the effect of experimental teaching， and it is an important assistant method in biochemistry experiment teaching.

Key words： Biochemistry; virtual simulation laboratory; Flash; development; evaluation

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術，在計算機上所進行的對傳統實驗各操作環節的模擬和仿真[1]。自1989年由美國學者William Wolf提出以來，因其具有的低成本、可重復、實驗內容表達豐富、共享性好且不受地域場地限制等優勢而備受關注，尤其是在臨床醫學、電子工程、化學、生物學等實驗教學中得到了廣泛應用[2-4]。從構建技術上來看，仿真實驗主要是基于Flash、VRML、Java、Virtools和3D Max等技術進行開發[5-7]。其中Flash具有操作簡便、編程元素豐富、輸出文件小、交互性強等優點，成為高校、職業技術學院、中小學等非商業機構開發仿真實驗的首選[5]。

生物化學實驗是生命科學領域的一門專業基礎課程，也是高校生物、食品、農學、醫藥等相關專業的必修實驗課。它應用化學的方法和手段來研究有機體中的糖類、脂類、蛋白質、核酸等的分子組成、理化性質、分離純化過程等內容。與普通化學實驗等進行化學反應和分離出“克”數量級的產物相比，生物化學實驗進行的是“毫克”和“微克”數量級的研究，往往在實驗操作中看不到所研究的物質，實驗原理更為抽象，經常造成學生對實驗技術理解困難，嚴重影響生物化學實驗的教學效果。因此，基于flash動畫的虛擬仿真實驗課件的設計開發對傳統的生物化學實驗教學無疑是一個很好的補充。

1 生物化學虛擬仿真實驗平臺的設計方案

結合生物化學實驗教學大綱，我們選取了考馬斯亮藍結合法測定蛋白質濃度等6個實驗作為建設內容。為便于開發工作的同步進行，我們將每個實驗都分解為實驗簡介、實驗講義、實驗視頻、實驗原理、實驗演示、實驗考核五個基本模塊分別構建，其仿真實驗系統結構如圖1所示。

2 生物化學虛擬仿真實驗平臺的開發與實現

2.1 素材的收集與處理

生物化學虛擬仿真實驗平臺的開發離不開素材的準備，素材是仿真實驗項目開發的基礎。根據生物化學虛擬仿真實驗平臺的整體架構，首先收集了生物化學實驗項目相關的文本文字（*.txt; *.doc）、圖形和圖像（*.bmp; *.jpg）、聲音（*.mp3）和視頻（*.avi）等不同格式的素材資料，并按照動畫制作和平臺構建需要，利用Windows、Photoshop、Premiere和ChemDraw等專業軟件對其內容和格式進行了必要的編輯、加工和處理。

2.2 仿真實驗的Flash動畫制作

生物化學仿真實驗依托Flash 8 軟件開發制作，每個實驗項目都包括前期準備（腳本編寫與場景設計）、動畫制作和測試與導出三個步驟，其中動畫制作是整個仿真實驗的核心。Flash動畫制作又包括動畫元件制作、圖層和時間軸構建、動作設計和交互控制等多個復雜環節，具體制作過程可參考方其桂（2015）完成[8]，這里不再贅述。圖2所示是實驗“大腸桿菌質粒DNA的提取與檢測”的“離心過程”Flash動畫的圖層構建和播放效果。

2.3 虛擬仿真實驗平臺系統的實現

在Flash生物化學仿真實驗的基礎上，結合實驗講義（.txt）和實驗教學視頻（.avi）素材，以Visual Studio 2010作為開發環境，基于.NET Framework 4.0框架開發了生物化學虛擬實驗平臺軟件系統。該平臺由教學演示模塊和仿真操作模塊構成，打開應用程序后，進入登錄界面（圖3），在該界面下拉菜單可以選擇要進入的實驗，點擊“進入實驗”按鈕進入到實驗界面。從這可以查看實驗簡介、實驗講義、視頻和仿真動畫等教學資源，圖4所示是生物化學虛擬實驗室平臺上的“大腸桿菌質粒DNA的提取與檢測”仿真動畫運行界面。

3 生物化學虛擬仿真實驗平臺應用教學評價

為測試生物化學虛擬實驗室系統的使用效果，2018年12月，我們隨機抽取了某高校生物技術、生物科學、藥物制劑、藥學等專業的103名學生設計了A、B、C三類10個問題進行了調查，共回收調查問卷98份，反饋率95.1%。。結果發現，本項目構建的生物化學虛擬仿真實驗，有60.2%的學生表示非常喜歡，另有35.7%的學生較為喜歡，具體如表1和表2所示。

在生物化學虛擬仿真實驗的使用效果上，91.8%的學生認為能調動自己學習的積極性，94.9%的學生認為能拓寬實驗的知識面，95.9%的學生認為能提高教學效果。具體來看，認為虛擬仿真實驗對理解實驗原理、了解實驗操作步驟、掌握實驗操作規范和對實驗結果分析有較大幫助的學生分別占總調查人數的62.2%、73.5%、63.3%和52.1%。

在生物化學虛擬仿真實驗的教學和使用方式上，66.7%的學生支持虛擬實驗與真實實驗相結合的教學方式，其中39.0%的學生認為虛擬仿真實驗可作為實驗預習的一部分，應用于每一個實驗項目;另有58.1%的學生贊同將虛擬仿真實驗應用于因學時、場地等限制無法開展的項目。

在開放式題型C“您對目前生物化學虛擬實驗試用的建議”時發現，學生反映較多的建議是：1）希望實驗步驟更詳細一些，講解更全面;2）增加常用實驗儀器的使用詳解，包含設備照片，內部圖解結構等;3）升級實驗平臺系統，開發通用格式以適應手機和網絡同步播放;4）增加實驗大綱外的拓展性實驗的虛擬仿真，豐富生物化學實驗教學內容。這些也為本虛擬仿真實驗平臺進一步完善提供了寶貴的依據。

4結語

生物化學虛擬仿真實驗室是現實生物化學實驗教學的重要輔助手段，也成為當前國內外高校生物化學實驗室建設的一個熱點[9-10]。本研究開發的生物化學虛擬實驗室平臺軟件系統，以Visual Studio 為開發環境，利用.NET Framework和GUI技術，融合Flash動畫、教學視頻、實驗講義等資料，采用C#語言實現，具有交互性能好，自由性和可擴展性強等特點，在實際教學中受到了學生的熱情歡迎，并取得了良好的反饋效果。但同時我們也發現，該系統還存在一些不足之處，因此，繼續改進和完善生物化學虛擬仿真實驗室平臺系統，改革生物化學實驗教學模式，提高實驗教學效果，將是我們今后不斷努力的方向。

參考文獻：

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[2] 劉英杰，楊雪，闞寶朋.基于3dsMax 和Virtools 的大學物理虛擬實驗的設計與開發[J].現代教育技術，2008（6）：88-92.

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[5] 張學軍，李剛.基于Flash 的虛擬實驗操作交互設計研究[J].中國遠程教育，2011（9）：84-88.

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[8] 方其桂.Flash多媒體課件制作實例教程[M].北京：清華大學出版社，2015：4-15.

[9] 張麗娟，古同男.虛擬網絡實驗室帶動生物化學教學模式改革[J].實驗室研究與探索，2015，34（5）：192-192，213.

[10] Trindade V M T，Zanatta G，Arantes P R，et al. Virtual laboratory activities in basic biochemistry[J].Procedia Social and Behavioral Sciences，2013（106）：3329-3334.

【通聯編輯：唐一東】