醫學生物化學實驗平臺的搭建

張曉敏 孫曉鑫

1.華北理工大學 生命科學學院 河北 唐山 063012；

2.華北理工大學 機械工程學院 河北 唐山 063012

1 設計背景

第一次將虛擬實驗室概念是1989年由william wolf教授提出的，把它定義為：一個綜合各種工具和技術，能夠使用它們從時間上突破地區和空間上的限制，并且能夠使用者自由地分享和整合數據來開展實驗。國內的現代化虛擬實驗室建設雖然目前起步較晚，但近年來也已經得到了新的蓬勃發展，一些高等學校也已經開始嘗試創設自己的虛擬實驗室[1-2]。

虛擬實驗室主要有交互式與非交互式兩種類型，其中非交互式虛擬實驗室的實現相對簡單，但效果稍差，交互式虛擬實驗室操作性強，效果優[3]。本文著重討論交互式虛擬實驗室的創設工作。

1.1 設計的必要性

虛擬生物實驗室是將教學展示在了搭建的三維環境中，運用到傳統生物教學中將產生深刻影響，本文就生物化學實驗：DNA的提取與鑒定，對虛擬生物實驗室的搭建等題目進行描述。

1.1.1 避免傳統實驗室可能的風險，安全環保。本實驗所涉及的異丙醇和氯仿均不同程度的會對人體產生危害，在進行部分操作時稍有不慎，不僅會威脅到學生們的人身安全，還可能將污染物表露在空氣中，從而對環境有著不可逆的破壞。因此，本實驗如若不簡化實驗方法，很難在本科實驗教學中進行。

但是在虛擬生物實驗室，學生通過反復地練習，可以大大降低失誤的概率，從而解決該問題。此外，學生還可以在操作不當時及時終止實驗，在保證安全的情況下，有效提高學生的實踐動手能力，提升實驗教學效果。

1.1.2 不再局限于時間和空間上的限制，能夠有效提高教學水平并且降低教學成本是網絡的開發性使虛擬生物實驗室得以面世，它讓教學過程不再受限于時空和試驗的次數，師生能夠在不同的時間和地點進行參與。實際教學中本實驗所用到的紫外燈操作較為煩瑣，反復開機不僅損害機器，還會浪費大量的電能。通過運用虛擬生物實驗室，可以極大地降低設備材料的支出、能源消耗的無形支出、實驗室的建設支出以及設備維護的支出，能夠減少真實實驗室中對于設備的依賴性，降低實驗經費的消耗。

1.1.3 營造多樣化的學習場景，進一步調動學生的學習積極性。隨著時代的發展和科技的進步，學生的學習方法經歷了三個階段，分別是程序化學習、課件化學習、網絡化學習，而目前已經到達了智能化學習階段。遠程教育網絡化教學已經得到了很好的推廣和應用，其中最為核心的組成部分是虛擬教室。虛擬生物實驗室綜合了圖像、文字、聲音以及動畫等信息，形成了與部分范圍的現實環境在視覺、聽覺等方面均比較相似的數字化環境。此外，通過鼠標、鍵盤等與之進行交互，使學生感受到身入其境，能夠充分激發學生的學習興味，進而調動起學習的主動性。

1.2 現有產品分析

虛擬實驗室的起點是1985年美國國立醫學圖書館進行的人體解剖圖像數字化研究，成長 至今，國內外涌現了大量技術成熟的實驗室：德國Ruhr大學的網絡虛擬實驗室、麻省理工學院的Web Lab遠程實驗室、nobook虛擬實驗室、中南大學的虛擬實驗平臺、北京大學的地球科學虛擬仿真實驗教學中心等[9]。

從現有的這些虛擬實驗室進行分析，我們不難發現，計算機、應用程序和儀器硬件組成了虛擬生物實驗室的虛擬儀器系統。它們具有很多共同的特點：①都是以日趨成長的計算機技術為基礎，具有良好的先進性和準確性。②均為軟硬件聯合的方式，進行功能模塊重組配置，具有良好的靈活性和開放性。③均通過網絡輸導和遠程控制，具有時空上的可擴張性。

基于此，我們設計的虛擬生物實驗室主要運用3DStudioMAX、VisualStudio、JavaScript 等軟件。

1.3 對于現有教學的幫助及局限性

現存的虛擬實驗室在遠程教育和重復實驗上均有精彩的表現。

①教學方式靈活、方便。虛擬實驗室教學不同于傳統的單一教學模式，它能夠提供給學生各式各樣的實驗內容，學生也可以根據自己的需求選擇實驗的內容，隨時隨地多次練習實驗操作[10]。 ②低成本的特點有利于進一步發展。虛擬生物實驗室可以進行資源的共享， 引進該教學方式可以為校內外的各學科普遍使用，能夠節省大量低水平的資金損耗，有益于整體上改進辦學條件，提高講習水準。③符合我國國情。我國幅員遼闊，教育水平極不均衡，在科教興國的指引下，虛擬實驗室可以為教育水平低的地區提供更好的機會。

雖然大部分高校已經涉獵虛擬實驗室的研究，但現如今還存在著很大的局限性。

①缺乏團隊合作交流。在現實實驗室操作過程中，大多為團隊協作完成，通過整個實驗操作過程也可有效的鍛煉學生的團結協作能力，有利于學生們各自發揮自己的長處。而在虛擬生物實驗室中，是學生自己進行操作，缺少團隊意識的培養。因此真實實驗室應與虛擬實驗室相互促進，這樣才能更好地培養新型創新型人才。②不能完全體現現實。虛擬生物實驗室因為是在虛擬環境下進行的一種虛擬實驗，結果通過大數據得出，但實際實驗過程存在著大量的不確定要素，例如人為誤差和設備材料誤差等，都可能會對結果產生影響[5]，所以并不能完全反映現實過程，因此我們要客觀看待虛擬實驗室，不能完全依賴虛擬實驗室，而只是將它作為輔助教學的工具進行使用。③受技術研發的限制，模式較為單一和封閉。由于研發人員技術不成熟，很多 操作無法實現，使實驗模式較為單一， 從而使師生間的互動大大減少，也限制了學生們的部分思維方式， 所以下一階段的任務應向沉浸性更強、方式更多樣的方向發展。

2 設計流程

2.1 用戶分析

虛擬實驗室面向的對象主要是老師和學生，對他們進行需求分析。在學校除了統一安排實驗操作，學生很少有機會實際操作學習，在網上觀看視頻體驗性差，學習效率低，很多情況老師也無法解釋。

目前現有實驗學習軟件用戶體驗性差，交互性低，無法很好滿足用戶需求。虛擬實驗方便學生學習，同時也能讓老師更好的教學。

2.2 系統設計

2.2.1 平臺設計內容和方案。本項目的模型搭建是以實驗室的實際布局為模板，按照真實的實驗過程進行交互操作，充分使學生身臨其境，為學生提供了一個內容多樣、環境真實、并且可以全程進行獨立操作的虛擬仿真實驗平臺。在本平臺，學生大致了解實驗室的實驗環境的同時，還可以學習本實驗的基礎知識，從而并進一步熟悉實驗操作方法，能夠錘煉學生的動手能力，為進行實際的操作奠定了扎實的理論根本[4]。

以DNA的提取與鑒定為例，如果依舊通過傳統的教學方式（ppt講解）進行實驗的原理的教授,學生在整個學習過程中始終處于被動的狀態，很難真正的沉浸到該實驗中，使學生的學習積極性大幅下降，而實驗操作方法的生疏和數據分析能力的不足，使學生很難將學到的知識實際運用到對實驗結果的分析中[7]。

針對于此，本項目利用現代信息技術，使用3D Max等工具制作了仿真資源：模型、動畫等，運用 C語言并通過WEBGL工具進行了程序的開發[6]，最終整合形成DNA提取與鑒定的虛擬仿真實驗教學軟件。使用本軟件，學生可以預習實驗內容，自主學習該實驗的實驗目的、實驗原理、實驗操作過程中的注意事項等，當然，這個過程為“互動式”的。當學生完成該步驟后，可以通過視頻進一步的學習實驗的基本操作步驟和方法，本軟件也能夠模擬實驗操作中的每個步驟，并伴有提示文字及解釋申明。在學生掌握了整個實驗的流程之后，可以進行在線操作。在該過程中，如果學生出現了操作的失誤，軟件會彈出提示框并指出錯誤點。在學生使用該軟件時，實驗中會緩存數據并對數據進行一定的處理，最終生成對應的結果（譜圖、計算結果）等，學生可以分析實驗得出的結果，從而得出相應的分析報告。

2.2.2 實驗過程及設備使用情況。

2.2.2.1 實驗材料的選取及處理。

→取一塊肝臟，放到研缽中研碎；

→取容量為 1.5ml 的離心管，將研磨液倒入；

→用微量移液器取450ul裂解緩沖液、75ul的10%SDS和3ul的蛋白酶K至離心管，混勻。55℃，3h（期間將管子顛倒多次） 至過夜；

→用微量移液器取 150ul的NaCl至離心管；

→調離心機設置：8000rpm，20min，并將離心管放入（注：要保持平衡），啟動；

→在離心完成后的離心管中取出 500ul 的上清液至另一離心管，并棄去沉淀；

→向500ul的上清液中加入500ul預冷的異丙醇溶液，將其混勻，在20℃下靜置30min；

→調離心機設置：14000rpm，10min，將離心管置入，啟動離心機。

2.2.2.2 DNA的提取[8]。

→倒掉上清液，沉淀加70%酒精洗滌離心，室溫揮發酒精5-10min，加TE500ul，加10ulRNAase，在65℃下，保存15min；

→取等體積酸液至離心管中，來回顛倒10min，直接放入離心機中，啟動；

→用移液管取出上清液至另一離心管（注：勿觸兩張之間白色的蛋白層） ；

→加入等體積的酚，顛倒混勻，靜置10min，置于離心機，啟動；

→在另一離心管中加入上清液，再將等體積的氯仿加入，輕搖混勻，靜置10min，置于離心機，啟動；

→在離心管中加入上清液，再依次加入1/10體積2M NaCl和等體積的在-20 ℃下保存的無水乙醇，靜置10min；

→調離心機設置：13000rpm，5min放入離心管，啟動；

→去上清，加入125ul70%酒精，離心，小心倒掉酒精，用70%酒精再洗一次，然后45℃烘箱烘干25min，用雙蒸水沿管壁沿四周沖洗（在80-250ul之間），溶解12～24h，-20℃保存備用。

2.2.2.3 DNA鑒定。

→在錐形瓶中放入適量的瓊脂糖粉末，再加入適量的0.5×TBE電泳緩沖液，將錐形瓶放入微波爐，并加熱，直至完全融化，搖勻錐形瓶中的液體并冷卻至約 60℃，加入適量的溴化乙錠；

→ 用透明膠帶將一塊有機玻璃制膠版槽四周封嚴，將膠液滴入，使之填補膠帶與膠槽之間的間隙；

→水平放置膠槽，把梳子插在其中一端，緩緩將已冷卻至60℃左右的膠液倒入膠槽內，當膠液徹底凝固后，垂直拔起梳子，并將透明膠帶小心撕下，再將膠槽放入電泳槽內，并使加樣孔的一端置于靠近陰極的一端。向電泳槽內滴加0.5×TBE電泳緩沖液，直至液面覆蓋過膠面即可；

→將待檢測的樣品按緩沖液∶樣品＝1∶5的比例在潔凈載玻片上小心的混勻，將混勻后的液體依次加入到加樣孔中（使用合適量程的移液槍）；

→將電泳儀和電泳槽接通，并通電，調節穩壓輸出（≤5V/cm），開始電泳；

→ 注意藍色條帶移動的距離，即溴酚藍的移動距離。當條帶移動到間距膠槽的邊沿約1cm時即可停止電泳，切斷電源；

→ 染色：把膠槽取出，并水平放置于一張保鮮膜上，再放入EB溶液中， 完全浸入約30min。將一張保鮮膜平鋪在紫外透視儀的樣品臺上，并趕去其中的氣泡，然后把已染色的凝膠放在上面。關閉樣品室室外門，打開紫外燈（254nm或360nm），并透過觀察孔觀察[11]。

虛擬仿真平臺DNA提取與鑒定資源庫建設框架如圖1所示：

圖1 虛擬仿真平臺DNA提取與鑒定資源庫建設框架圖

2.2.3 平臺搭建技術方面的研究內容。

2.2.3.1 建立數據庫。為了開發和維護的便利，應用平臺將對數據庫的訪問都封裝進了DBUtil類中。首先數據庫中可以封存每個用戶的登錄信息，用戶進行登錄操作時都需要將登錄信息與數據庫中的內容進行比對，如果登錄信息正確則繼續。另外，數據庫中保存著建立的模型、材質、貼圖之間的對應關系，確保程序能夠正確找到對應的文件。

根據DNA提取與鑒定的實驗需求， 搭建平臺的第一步驟為設計和建立數據庫，分為器材庫（電泳儀、電泳槽、板槽、離心管）、試劑庫（瓊脂糖、電泳緩沖液、雙蒸水、氯仿、NACl等），生物組織庫（肝臟、組織、血液）、實驗場景庫、用戶信息庫（登錄賬號、密碼、郵箱)。

2.2.3.2 搭建步驟。初始化3D場景：主要包含以下幾個模塊：創建著色器對象；得到頂點著色器和片元著色器源碼；編譯著色器創建程序對象；為程序對象分配著色器對象；連接程序對象。

在場景中放置著許多類型的實驗材料，如器官、組織、血液，學生可選擇不同的材料作為實驗。采用射線拾取法用于存儲和記錄捕捉到物體，聲明射線拾取物體數組以及射線相交對象。

2.2.3.3 實驗步驟。

function single(equ){ Equ.step;//準備實驗If(hcy&&DNA==1)// 如果已經加

入待測、緩沖液

if(equ instanceof Transmission){

//到傳遞設備equ.hasElectric = true;

//使其帶電if(equ.canMove){

//允許電流通過

if(equ instanceof KaiGuan){

//開關可以接很多導線CalToSingle(equ.output);}}}

//遞歸調用

else if(equ instanceof Output){

//到輸出設備equ.hasElectric = true;

//使其帶電equ.isShow = true;

If(color==blue)(如果觀察到溴酚藍的移動）

{

If (distance==1)//當移動到1cm 處

equ.hasElectric = true//停止電泳

}

Equ.color// 上色Equ.打開紫光燈觀察

}

2.2.4 視頻制作。動畫將使用 MAYA 和 3D Max完成動畫的建模、材質、燈光、渲染等步驟。后期將通過Adobe After Effects、Adobe Premiere 進行后期的視頻的剪輯配音配樂等。

圖2 技術路線圖

2.3 實驗檢測

針對學生是否能根據教師安排進行該實驗，在進入實驗課程后進行點擊模擬操作，在操作過程中虛擬實驗室能夠顯示出相應實驗的設備、試劑和題目，且能完成相應的操作。測試結果為操作成功。

3 創新性分析

3.1 教學模式新穎，為實驗提供了新場所

融合仿真技術、多媒體技術與虛擬技術，能夠創設與現實實驗不同的虛擬生物實驗室，是一種新型教學模式，不僅改善了實驗教學的教學環境，同時還激發了學生學習興趣，能夠有效增強學生的跨學科的意識。可以資源共享，具有高效性在資金有限的情況下，虛擬實驗室可以創造一個相對靈活先進的實驗教學環境。實驗的教學不再局限于課堂中，動手操作的空間和時間得到了延伸，使全國各大高校教學水平和教學質量大幅提高。

3.2 供給了一個操作簡便、交互性強的學習實驗技能的操作平臺

多媒體技術、仿真技術等有機結合形成了虛擬生物實驗室，尤其是多媒體構建的圖文并茂的人機交互方式，使之成為一個操作簡便、交互性強的平臺。

3.3 具有可延續性

伴隨著高新技術的不斷發展，教學改革也加緊了步伐，為滿足教改的需求，實驗課需要不斷再設計與補充，這體現出了虛擬現實技術具有良好的二次開發性，這有效減輕了從新開發實驗致使的資源浪費問題。先進的計算機技術是虛擬生物實驗室的中心內容，這也增加了前沿學科知識走進實驗教學課堂的可能。虛擬生物實驗室作為傳統生物實驗教學模式的補充和擴展，具有鮮活的生命力。雖然現有技術存在一定的缺陷，但希望本文能給讀者一些啟發，共同使虛擬生物實驗室技術趨于完美。