穩(wěn)定同位素前處理及測(cè)試虛擬仿真設(shè)計(jì)

高春霞 胡松

摘 要：穩(wěn)定同位素技術(shù)是廣泛應(yīng)用于海洋生態(tài)學(xué)研究中的一項(xiàng)重要生化示蹤技術(shù)，針對(duì)海洋生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的因該技術(shù)前處理復(fù)雜、測(cè)試儀器和實(shí)驗(yàn)成本昂貴等因素導(dǎo)致的無(wú)法推廣教學(xué)這一困難問(wèn)題，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的前處理和大型儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作模塊。結(jié)合現(xiàn)代化仿真技術(shù)構(gòu)建多元化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)魚(yú)組織樣品干燥、粉碎、稱量及同位素儀器測(cè)試的虛擬仿真過(guò)程，加強(qiáng)教學(xué)過(guò)程的直觀性、可視性和易操作性，不僅保護(hù)了精密儀器，避免了資源浪費(fèi)，更便于學(xué)生理解，優(yōu)化教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，最終達(dá)到學(xué)生能獨(dú)立上手進(jìn)行同位素樣品實(shí)際測(cè)試以及獨(dú)立開(kāi)展科學(xué)研究的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真???實(shí)驗(yàn)教學(xué)???穩(wěn)定同位素???前處理和測(cè)試

中圖分類號(hào)：X52?????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Virtual?Simulation?Design?for?Pretreatment?and?Testing?of?Stable?Isotopes

GAO?Chunxia??HU?Song*

（College?of?marine?and?sciences，?Shanghai?Ocean?University，?Shanghai，?201306?China）

Abstract：?Stable?isotope?technology?is?an?important?biochemical?tracer?technique?which?is?widely?used?in?marine?ecology?research.?In?view?of?the?difficult?problem?that?the?teaching?can?not?be?promoted?in?the?experimental?teaching?of?marine?ecology?due?to?the?complex?pretreatment?and?the?high?cost?of?testing?instruments?and?experiments?of?this?technology，?virtual?simulation?experiment?operation?modules?of?the?corresponding?pretreatment?and?large-scale?instruments?are?designed.?Combined?with?modern?simulation?technology，?a?diversified?virtual?simulation?experiment?platform?is?constructed，?and?through?the?realization?of?the?virtual?simulation?process?of?drying，?crushing，?weighing?and?isotope?instrument?testing?of?fish?tissue?samples，?the?intuitiveness，??visuality?and?easy?operation?of?the?teaching?process?are?strengthened，?which?not?only?protect?the?precision?instruments?and?avoid?the?waste?of?resources，?but?also?make?it?easier?for?students?to?understand，?optimize?the?teaching?effect，?and?stimulates?students'?learning?interest?and?innovative?ability，?and?finally?achieve?the?goal?that?students?are?able?to?independently?carry?out?practical?testing?of?isotope?samples?and?independently?carry?out?scientific?research.

Key?Words：?Virtual?simulation;?Experimental?teaching;?Stable?isotope;?Pretreatment?and?testing

海洋生態(tài)學(xué)是海洋學(xué)科人才培養(yǎng)的重要課程[1]，而穩(wěn)定同位素技術(shù)現(xiàn)已成為海洋生態(tài)學(xué)中的重要技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于海洋生態(tài)系統(tǒng)中追蹤基礎(chǔ)碳源和食源、構(gòu)建食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和示蹤污染物等研究中，在海洋生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域以及漁業(yè)資源管理學(xué)科中應(yīng)用前景廣闊[2]。與傳統(tǒng)食性技術(shù)相比，穩(wěn)定同位素技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)海洋攝食生態(tài)學(xué)以及生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)關(guān)系共存等問(wèn)題進(jìn)行定量化研究，揭示生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[3]。目前該技術(shù)與生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)交叉融合已經(jīng)產(chǎn)生出穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)這一獨(dú)立的新分支學(xué)科，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)境科學(xué)和法醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域[2]。穩(wěn)定同位素測(cè)定依賴于同位素質(zhì)譜儀，該儀器是檢測(cè)行業(yè)的重要精密儀器，掌握樣品前處理和質(zhì)譜操作技能將有助于學(xué)生在今后的科學(xué)研究以及檢測(cè)行業(yè)等具有無(wú)限廣闊的前途。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)系到人才培養(yǎng)的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式受限于各種條件的約束，學(xué)生只能在限定的時(shí)間和地點(diǎn)完成特定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，極大地制約了學(xué)生研究能力的培養(yǎng)[4]。魚(yú)類穩(wěn)定同位素測(cè)試是海洋生態(tài)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，然而穩(wěn)定同位素樣品前處理和測(cè)試過(guò)程具有多項(xiàng)微觀實(shí)驗(yàn)步驟，其操作環(huán)節(jié)繁瑣、關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)步驟難以把握、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、儀器設(shè)備臺(tái)數(shù)與實(shí)驗(yàn)室空間不足、儀器設(shè)備精密以及實(shí)驗(yàn)成本昂貴等問(wèn)題都嚴(yán)重制約著學(xué)生全程參與實(shí)踐教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是近年來(lái)興起的新的教學(xué)方式，采用虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)的教學(xué)方法彌補(bǔ)實(shí)體教學(xué)的不足，促進(jìn)教育的不斷創(chuàng)新，目前已經(jīng)在多個(gè)教學(xué)領(lǐng)域得到廣泛使用[5-9]。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依托上海海洋大學(xué)雄厚的科研積累和水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心以及大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，將同位素前處理以及樣品測(cè)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中微觀的操作宏觀化，通過(guò)反復(fù)地操作來(lái)加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和精密儀器機(jī)理的理解，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和自主學(xué)習(xí)的能力，為學(xué)生獨(dú)立的科研能力培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

1???設(shè)計(jì)策略

1.1???實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)

穩(wěn)定同位素仿真實(shí)驗(yàn)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是緊貼教學(xué)大綱，滿足學(xué)生反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)需求，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中不能到現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)際設(shè)備的短板，其次是促進(jìn)學(xué)生快速掌握不同生物樣品的組織處理方法和精密儀器的操作方法，培養(yǎng)學(xué)生具備良好的實(shí)驗(yàn)素質(zhì)。在人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)等現(xiàn)代化信息技術(shù)的指導(dǎo)下，結(jié)合海洋學(xué)和水產(chǎn)學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建高度仿真的二維或三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)的可視化程度，使學(xué)生感受真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)沉浸，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)空界限，實(shí)現(xiàn)與虛擬對(duì)象的自由交互，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和積極性，使其能夠獲得真實(shí)的體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

1.2???實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則

穩(wěn)定同位素虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)需要遵循一定的設(shè)計(jì)原則，具體如下。

1.2.1?科學(xué)性原則

穩(wěn)定同位素在自然界中含量較低，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定過(guò)程中的各項(xiàng)科學(xué)操作精度都要求較高，故科學(xué)性是此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中必須要遵循的首要原則和最根本的原則。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、過(guò)程與方法要遵循穩(wěn)定同位素前處理和儀器操作、測(cè)定的真實(shí)過(guò)程，所有儀器構(gòu)造、圖表繪制、操作步驟等均要求科學(xué)性和合理性，“凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢”，科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅提升了學(xué)生的真實(shí)感受，而且有助于學(xué)生掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)。

1.2.2??交互性原則

交互性原則是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[10]。所有模擬場(chǎng)景制作逼真，學(xué)生在自然狀態(tài)下與虛擬環(huán)境的實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行交互，使學(xué)生產(chǎn)生真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)，強(qiáng)烈的沉浸感進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，吸引學(xué)生真正融入實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)自主練習(xí)訓(xùn)練其操作技能，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

1.2.3??開(kāi)放性原則

建構(gòu)主義理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生是學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體，而虛擬仿真設(shè)計(jì)為學(xué)生提供了不受時(shí)間和空間限制的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；另外，教師也可借助相關(guān)模塊了解學(xué)習(xí)效果，形成學(xué)生—教師雙向交互、互相反饋的教學(xué)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)的目的。

2???主要虛擬模塊與功能

2.1???實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

同位素虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要依托上海海洋大學(xué)國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心、大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、海洋科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心等實(shí)體平臺(tái)，遵循“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則[11]，結(jié)合學(xué)科和技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、特色，借助現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)、多媒體、視頻、圖像、人機(jī)交互等信息技術(shù)，綜合運(yùn)用元素分析-穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀、超聲波清洗儀、冷凍干燥機(jī)、冷凍混合球磨儀等操作界面為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開(kāi)展樣品的干燥、粉碎、稱量等前處理實(shí)驗(yàn)以及同位素測(cè)試等實(shí)驗(yàn)。

2.2???主要功能模塊

同位素測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的主界面（見(jiàn)圖1）分為學(xué)習(xí)模式和考核模式兩種，方便學(xué)生的學(xué)習(xí)以及后續(xù)的技能考核，兩種模式中實(shí)驗(yàn)步驟相似，但步驟操作方式由指示性操控轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)指示操控模式，從而達(dá)到鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能目的。選擇模式之后進(jìn)入菜單界面，學(xué)生可以較快了解到菜單界面內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)菜單欄、系統(tǒng)功能、信息提示欄和模式切換，清楚操作的具體位置。

整個(gè)虛擬仿真操作界面簡(jiǎn)單明了，左側(cè)為實(shí)驗(yàn)菜單工具欄區(qū)域，學(xué)生通過(guò)點(diǎn)擊按鈕獲取實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、設(shè)備和樣品認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)步驟、模式以及視頻資料等信息，其中實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介模塊（見(jiàn)圖2）向?qū)W生詳細(xì)闡明該實(shí)驗(yàn)的目的和實(shí)驗(yàn)意義，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)之前深刻理解穩(wěn)定同位素技術(shù)在海洋生態(tài)學(xué)研究中的重要地位以及掌握這項(xiàng)技術(shù)的重要性。

為了能讓學(xué)生盡快熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及更快地掌握后續(xù)操作，通過(guò)設(shè)置設(shè)備認(rèn)知和樣品認(rèn)知模塊（見(jiàn)圖3）來(lái)達(dá)到這一目的。在樣品認(rèn)知模塊，向?qū)W生展示攝食生態(tài)研究中的常見(jiàn)樣品類型，如魚(yú)類、蝦類樣品，向?qū)W生描述不同種類特征、其樣品肌肉的采集位置以及采集中的注意事項(xiàng)，高度逼真的3D建模保證了仿真的真實(shí)性和交互性。在設(shè)備認(rèn)知模塊中逐一向?qū)W生展示樣品前處理過(guò)程中涉及冷凍干燥機(jī)、超聲波清洗儀、冷凍混合球磨儀等重要儀器的知識(shí)，并且以360°立體展示儀器構(gòu)造，加深學(xué)生的記憶以及通過(guò)三維技術(shù)提高他們對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，寓教于樂(lè)。

認(rèn)知模塊之后帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)步驟模塊，該模塊通過(guò)將每一個(gè)操作步驟虛擬化，學(xué)生在線學(xué)習(xí)每一個(gè)操作步驟熟悉實(shí)驗(yàn)流程，達(dá)到真實(shí)教學(xué)的效果。模塊中再細(xì)分出5個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟（見(jiàn)圖4），學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中可以根據(jù)實(shí)際需要重復(fù)學(xué)習(xí)某一步驟，這樣能夠極大地提高教學(xué)效果。考慮到實(shí)際操作過(guò)程中存在一些注意事項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)（如樣品包埋過(guò)程）以及為了進(jìn)一步鞏固學(xué)生的認(rèn)知，增加視頻資料模塊（見(jiàn)圖4），針對(duì)其中4個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K錄制視頻來(lái)展示操作過(guò)程及其注意事項(xiàng)，從視覺(jué)上進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的記憶和梳理每個(gè)步驟的細(xì)節(jié)之處，以視覺(jué)和虛擬實(shí)體感覺(jué)相結(jié)合的方式加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的熟悉程度以及提高學(xué)生的理解力，真正做到讓每一個(gè)學(xué)生都能理解和操控實(shí)驗(yàn)，具備專業(yè)的實(shí)驗(yàn)技能。

該實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用到的儀器種類較多，包括冷凍干燥機(jī)、冷凍混合球磨儀、百萬(wàn)分之一的精密天平和元素分析-穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀，為了讓學(xué)生更快熟悉儀器操作，如前所述，在虛擬仿真設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)置儀器設(shè)備認(rèn)知模塊、儀器虛擬操作步驟模塊和視頻資料模塊來(lái)提高教學(xué)效果，尤其是在儀器虛擬操作中，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)將儀器操控軟件界面（見(jiàn)圖5）展示給每一位學(xué)生，學(xué)生的操作猶如實(shí)體操作，相比實(shí)景操作學(xué)生只能遠(yuǎn)觀，無(wú)法人人操作的弊端，該技術(shù)讓每一位學(xué)生身臨其境，對(duì)高效教學(xué)的輔助貢獻(xiàn)巨大。

在學(xué)生的操作階段，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還設(shè)計(jì)了針對(duì)每一步驟對(duì)應(yīng)的不同考核題（見(jiàn)圖6），以檢驗(yàn)學(xué)生的操作成果，這樣不僅加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，也有利于提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力。

3???設(shè)計(jì)特色及教學(xué)效果

穩(wěn)定同位素測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)具備高度逼真的三維空間、儀器構(gòu)造和科學(xué)的模塊設(shè)計(jì)，這是本實(shí)驗(yàn)的主要特色之一。本著“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，將傳統(tǒng)的以教師PPT授課為主的單一灌輸式模式變更為鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景從圖片中轉(zhuǎn)移到高度仿真的虛擬環(huán)境中，通過(guò)開(kāi)放式和交互式的方式，有效鍛煉和提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)技能。該虛擬仿真設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)置實(shí)驗(yàn)流程模塊讓學(xué)生們學(xué)習(xí)樣品前處理儀器及質(zhì)譜儀操作知識(shí)、了解實(shí)驗(yàn)操作流程，掌握實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)；通過(guò)設(shè)置考核模塊加深學(xué)生對(duì)儀器的理解和提升對(duì)遇到問(wèn)題的解決能力。整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、循序漸進(jìn)，教師的“教”水到渠成，學(xué)生的“學(xué)”融會(huì)貫通，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

在該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中對(duì)各資源模塊進(jìn)行了合理化設(shè)計(jì)，包括設(shè)置清晰明了的導(dǎo)航欄目、學(xué)習(xí)過(guò)程直接跳轉(zhuǎn)到指定模塊、操作模塊高亮化、微觀實(shí)驗(yàn)視頻圖解等，初學(xué)者按照界面導(dǎo)航指引，有條理性地進(jìn)行學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)習(xí)資源的最大化利用，有力避免了無(wú)效學(xué)習(xí)。同位素測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)的交互性促進(jìn)了學(xué)生對(duì)同位素實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟及理論知識(shí)的掌握，更通過(guò)提供反復(fù)練習(xí)的環(huán)境為學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中構(gòu)建出“已有知識(shí)深化—難點(diǎn)問(wèn)題分析和解決—形成新知識(shí)”的良好學(xué)習(xí)循環(huán)，這種高效的交互性不僅拓展了學(xué)生對(duì)知識(shí)理解的廣度和深度，也提升了其分析和解決問(wèn)題的能力。

4???結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)通過(guò)逼真的三維立體表現(xiàn)形式將抽象的實(shí)驗(yàn)過(guò)程形象地演示出來(lái)，最大限度發(fā)揮了虛擬資源的優(yōu)勢(shì)，極大地提升了教學(xué)效果，未來(lái)將會(huì)成為海洋科學(xué)和水產(chǎn)學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)教學(xué)的重要手段。學(xué)生通過(guò)虛擬仿真互動(dòng)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)掌握穩(wěn)定同位素樣品前處理及測(cè)試方法、質(zhì)譜儀等常用儀器的操作規(guī)程，為學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)在線網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放式自主學(xué)習(xí)、師生討論和自我測(cè)試，熟悉科學(xué)研究的過(guò)程等，對(duì)穩(wěn)定同位素技術(shù)進(jìn)行了直觀深入的探索，滿足虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，最大程度提高學(xué)習(xí)效果，起到寓教于樂(lè)的良好效果。

參考文獻(xiàn)

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