虛擬仿真實驗在生物化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

生物化學(xué)是醫(yī)學(xué)類院校的專業(yè)基礎(chǔ)課，以實驗性為主要特征，除要求學(xué)生掌握抽象、駁雜的基礎(chǔ)理論知識、緊跟技術(shù)的最新進展外，更要求學(xué)生將實踐和理論相結(jié)合，著重培養(yǎng)學(xué)生的靈活思維、觀察和動手能力。相應(yīng)的實驗教學(xué)也是特別的重要，用于幫助學(xué)生深入理解基本原理，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。然而各高校實驗教學(xué)長期存在資源匱乏、實驗項目單一并長期未做改變、學(xué)生不重視等問題，導(dǎo)致生物化學(xué)實驗教學(xué)滿足不了當(dāng)代技術(shù)大爆發(fā)的需要。

在虛擬仿真實驗的開發(fā)過程中，構(gòu)筑出一個綜合多種工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境，利用此虛擬場景，用戶得以高效利用世界上分布的各種數(shù)據(jù)、信息、設(shè)備等資源[1]，為生物化學(xué)的實驗教學(xué)提供全新的教學(xué)思維模式和更便利的學(xué)習(xí)機會。

一、傳統(tǒng)實驗教學(xué)的缺點

臨床生物化學(xué)的傳授，實驗教學(xué)極為重要，直接影響到人才培養(yǎng)的質(zhì)量。目前，本課程的實驗教學(xué)存在如下問題：

(一)實驗內(nèi)容單一

臨床生物化學(xué)實驗中常應(yīng)用有毒、腐蝕性的試劑，基于安全目的，學(xué)校通常選擇相對低危險性實驗組織教學(xué)，造成實驗項目選擇范圍窄，甚至是過時的、廢棄的技術(shù)。

(二)固定設(shè)備投入巨大

近年來生物、醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，涉及到的設(shè)備更新快、價值高。而受體制陳舊、經(jīng)費緊張等因素影響，國內(nèi)多數(shù)高校科技前沿知識、前沿技能應(yīng)用較少，難以開發(fā)和開展新實驗[2]。

(三)時間和空間對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的限制

傳統(tǒng)實驗教學(xué)通常以3—6名學(xué)生為一組，既使上課時間也不能保證每位學(xué)生都能參與實驗所有的操作。課上沒學(xué)會的，學(xué)生想繼續(xù)學(xué)習(xí)或者練習(xí)，卻受到場地、器材、耗材的限制而無法進行。

(四)學(xué)生動手能力差

實驗課前，由教師完成實驗設(shè)計和準(zhǔn)備，以實驗“醋酸纖維素薄膜電泳”為例，緩沖液配制和設(shè)備調(diào)試均由教師完成，學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)操作后，只需按要求進行點樣、電泳、染色和脫色后就能得到結(jié)果，一般不會有大問題出現(xiàn)。而學(xué)生僅僅是“照葫蘆畫瓢”，且未全程參與實驗的全部環(huán)節(jié)，無整體思維，更無發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的環(huán)節(jié)。故在臨床工作中遇到相似的情景，也無從檢視原因和恰當(dāng)解決。

二、虛擬仿真實驗技術(shù)概述

虛擬仿真實驗技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的一類，是通過模擬現(xiàn)實實驗環(huán)境的綜合性集成技術(shù)。通過虛擬仿真實驗，實驗者可以操作虛擬的實驗工具，完成各類型實驗。由于虛擬仿真實驗的發(fā)展?jié)摿薮蟆?yīng)用前景廣闊，國內(nèi)外許多高校和機構(gòu)紛紛開展虛擬實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建、具體實驗的設(shè)計和制作，其中部分高校已經(jīng)具備臨床醫(yī)學(xué)的虛擬仿真實驗平臺和實驗，如北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院、南京醫(yī)科大學(xué)、浙江大學(xué)等。但是臨床生物化學(xué)虛擬仿真實驗并未受到重視，也沒有現(xiàn)成的虛擬實驗平臺可供選擇。

(一)虛擬仿真實驗技術(shù)的優(yōu)點

1.有利于學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)

利用虛擬實驗平臺，學(xué)生可以全程參與文獻查找、設(shè)計實驗、準(zhǔn)備材料、配制試劑、操作實驗、分析討論等環(huán)節(jié)，按照個人的理解和設(shè)計進行實驗操作，同時允許學(xué)生出現(xiàn)操作錯誤或?qū)嶒炇。箤W(xué)生勇于動手和探索，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3]。

2.有利于提高效率、降低消耗

在傳統(tǒng)生物化學(xué)實驗中，學(xué)生需要重復(fù)實驗，以得到更好的結(jié)果，但這樣浪費實驗耗材，導(dǎo)致實驗時間延長。運用虛擬仿真實驗，通過多次的虛擬實驗操作鍛煉提高學(xué)生操作的熟練度，從而減小實驗誤差，進而得到更為準(zhǔn)確的實驗結(jié)果；不僅為實驗教學(xué)順利進行提供時間保障、消除空間限制，同時也可以降低實驗消耗。

3.避免安全隱患

傳統(tǒng)生物化學(xué)實驗中，學(xué)生難免會接觸到有害、有毒試劑，且易發(fā)生實驗事故，如被家兔或小白鼠抓傷。利用虛擬仿真實驗練習(xí)，學(xué)生不會接觸到上述危險因素，而且虛擬仿真實驗平臺可以通過多方式多途徑預(yù)防安全事故的發(fā)生，如實驗室安全準(zhǔn)入制度、實驗安全警示，從而使學(xué)生對危險因素有充分的認(rèn)識和警惕，進而降低或杜絕安全事故的發(fā)生。

4.實驗項目的更新更快

在教學(xué)經(jīng)費相對有限的情況下，應(yīng)用虛擬仿真實驗可通過模擬先進的實驗設(shè)備，完成虛擬化的實驗內(nèi)容，發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，克服實驗條件落后等問題，同時將最新的醫(yī)學(xué)技術(shù)引入實驗中，確保實驗教學(xué)的先進性。

(二)生物化學(xué)虛擬仿真實驗?zāi)K的構(gòu)建

虛擬仿真實驗一般有兩種不同形式：非交互和交互式。非交互式虛擬仿真實驗是指學(xué)生可看該實驗的內(nèi)容,但不能自己動手操作,如一些演示性的虛擬實驗場景。交互式虛擬仿真實驗是指學(xué)生不僅可以觀看該實驗的場景,還可以運用鼠標(biāo)等輸入設(shè)備對整個實驗進行實時控制，此類型仿真實驗較前者有諸多優(yōu)點,如操作性強、參與感佳、隨機性好、實時效果優(yōu)等。

下文重點討論交互式虛擬仿真實驗的構(gòu)建策略，它通過將虛擬的、仿真的實驗平臺與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,為生物化學(xué)實驗課程的發(fā)展提供遠(yuǎn)景方案。總的來說虛擬仿真實驗成本低、功能全,又能滿足遠(yuǎn)程教學(xué)跨越地域的要求。

1.建立三維數(shù)字模型

依據(jù)真實儀器的數(shù)據(jù)，工作人員采用Unity 3D、VRML、Virtools等三維建模軟件制作數(shù)字模型，由視覺上的真實性，確保虛擬模型的協(xié)調(diào)尺寸比例和外觀與環(huán)境的適應(yīng)性；此外三維模型要盡量減少面數(shù)，刪除冗余的點面，同類模型應(yīng)合并以降低設(shè)計的復(fù)雜程度，提高運行模型的速率。開發(fā)完成三維模型，編輯材質(zhì)、設(shè)置場景燈光后，對模型進行技術(shù)渲染，以達(dá)到真實實驗儀器的效果。

2.生物化學(xué)實驗?zāi)K的開發(fā)

開發(fā)常用的臨床生物化學(xué)實驗?zāi)K，如細(xì)胞核的分離純化、DNA的提取、PAGE、PCR等作為一級界面，點擊進入實驗?zāi)康摹⒃怼⑦^程、步驟、注意事項等二級界面，如點擊步驟可進入三級工作臺界面。學(xué)生依照提示，通過鼠標(biāo)等完成模擬實驗工具移動，如試劑配制、樣品添加等實驗操作。多次操作仿真實驗的過程有利于學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解，同時能極大提升學(xué)生的實踐操作能力。

這種虛擬化的實驗平臺，使生物化學(xué)中一些有污染、花費高的實驗項目，如凝膠電泳、液相層析等實驗項目能夠反復(fù)實踐，有利于學(xué)生更好地掌握實驗知識和技能。

3.開發(fā)交互程序

工作人員在設(shè)計交互程序時，采用虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件VRML、Unity 3D、Virtools等進行，制作完成仿真三維模型后導(dǎo)入，虛擬實驗平臺得以建立，包括桌面、圖像、文字、音頻等；之后對三維仿真模型添加要素比如動作、事件等，動作包括模型的移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、切換視角等；事件包括模型對鼠標(biāo)、鍵盤的響應(yīng)等交互事件，當(dāng)學(xué)生執(zhí)行某個要素時，能夠?qū)υ撘刈鞒鰧?yīng)的響應(yīng)。

4.運行程序

完成虛擬實驗平臺的構(gòu)建后，發(fā)布程序生成可以獨立運行的虛擬程序，生成單機模式或聯(lián)網(wǎng)模式的虛擬平臺，也可以兼而有之。利用計算機，學(xué)生可以進入虛擬實驗平臺，隨時隨地模擬操作，便于實驗內(nèi)容的預(yù)習(xí)、溫習(xí)。

三、教學(xué)結(jié)果分析

2016年以來，新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院開始分階段、分批次采用虛擬仿真實驗進行教學(xué)，在實驗課程教學(xué)上取得明顯效果。實驗課程結(jié)束后，我們采用試卷測試和問卷調(diào)查進行期末教學(xué)效果評估。

(一)試卷測試結(jié)果分析

將2017級和2018級臨床專業(yè)兩屆的8個班級學(xué)生各分為兩組，第一組學(xué)生在進行生物化學(xué)實驗操作前，進入仿真實驗平臺模擬操作，完成后進行實際實驗環(huán)節(jié)，稱為“實驗組”；第二組學(xué)生按照傳統(tǒng)方法教與學(xué)，由教師講述原理、演示操作，學(xué)生觀摩后進行操作實驗稱為“對照組”。學(xué)期中間穿插兩次技能測試，最后進行理論測試，考核的內(nèi)容著眼于查找文獻、設(shè)計實驗、技能掌握、原理應(yīng)用與問題解決以及課堂表現(xiàn)和實驗報告等其他方面。結(jié)果顯示：實驗組學(xué)生的總成績較對照組提高7.5分，在考核項目等所有方面實驗組學(xué)生的成績均明顯高于對照組(見表1)。該考核結(jié)果直接表明，應(yīng)用虛擬實驗室指導(dǎo)學(xué)生練習(xí)操作技能，可明顯提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)質(zhì)量。

表1 2017級和2018級期末實驗成績分析結(jié)果

(二)問卷調(diào)查結(jié)果分析

每學(xué)年教學(xué)實踐結(jié)束，針對開展虛擬仿真實驗的班級，發(fā)出“虛擬仿真實驗對學(xué)生操作技能培養(yǎng)效果的調(diào)查問卷”，2017年發(fā)出問卷63份，實際回收62份；2018年發(fā)出問卷68份，實際回收65份。兩年合計結(jié)果如下(表2)。

表2 虛擬仿真實驗對學(xué)生操作技能培養(yǎng)效果的調(diào)查問卷

四、結(jié)束語

實驗教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合，著重培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，同時將虛擬仿真實驗帶入實驗教學(xué)中，使學(xué)生由”要我學(xué)”變?yōu)椤蔽乙獙W(xué)”，不但有助于加深學(xué)生熟悉基礎(chǔ)知識、積蓄創(chuàng)新意識，同時豐富教學(xué)內(nèi)涵、拓寬學(xué)生的視野，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性；也擺脫了傳統(tǒng)實驗開展在時間和空間上的束縛，有效緩解學(xué)校在經(jīng)費等方面的不足，緊跟醫(yī)療新技術(shù)的步伐，有著傳統(tǒng)實驗無法比擬的優(yōu)勢。

采用虛擬仿真實驗的實驗教學(xué)，學(xué)生可自由進出虛擬實驗室，進行操作儀器、實驗學(xué)習(xí)，虛擬仿真實驗的開發(fā)與應(yīng)用將會對傳統(tǒng)實驗教學(xué)產(chǎn)生巨大的沖擊。但是虛擬實驗室僅為真實實驗教學(xué)的輔助，不可能產(chǎn)生真實的實驗數(shù)據(jù)，故實驗教學(xué)的內(nèi)容不能全部采用虛擬仿真實驗。因此，在規(guī)劃、構(gòu)建當(dāng)前實驗教學(xué)體系時，要求教師加強實驗資料收集和資源整合，協(xié)調(diào)現(xiàn)實實驗教學(xué)與虛擬仿真實驗的比例，達(dá)到優(yōu)化醫(yī)學(xué)生物化學(xué)實驗教學(xué)體系的最佳效果。