劉向華，德 偉，劉志軍，郭 靜，張愛(ài)萍

（1.南京醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生化與分子生物學(xué)系，江蘇 南京 210029；2.江蘇省捷達(dá)軟件工程有限公司，江蘇 南京 210024）

虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種數(shù)字化多媒體輔助教學(xué)手段，是以計(jì)算機(jī)為載體，綜合運(yùn)用多媒體編程技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以大量的實(shí)驗(yàn)文字，圖片，flash動(dòng)畫(huà)以及眾多音頻視頻文件為基本組成單位，構(gòu)造了一個(gè)仿真的人機(jī)交互式的實(shí)驗(yàn)界面［1］。學(xué)生可以在這種高度仿真的環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作，通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)中的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，以增加對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。為適應(yīng)現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的需要，南京醫(yī)科大學(xué)生化與分子生物學(xué)系構(gòu)建了醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助教學(xué)內(nèi)容，建立了“理論學(xué)習(xí)→虛擬實(shí)驗(yàn)→實(shí)際操作”三步曲的教學(xué)改革模式。現(xiàn)將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的流程、要素、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下，以供各高校同行參考和指正。

1 醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的流程、要素及內(nèi)容

目前，我國(guó)多所高校都開(kāi)展了虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的前期開(kāi)發(fā)和試運(yùn)行，包括分子生物學(xué)、生理、病理、組織胚胎學(xué)等多個(gè)學(xué)科。但是虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的虛擬教學(xué)產(chǎn)品和評(píng)價(jià)體系，從而影響虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)體系的制定和推廣應(yīng)用［2］。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和系統(tǒng)主要面臨四大類用戶，開(kāi)發(fā)者、教學(xué)者、學(xué)習(xí)者和管理者：開(kāi)發(fā)者承擔(dān)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)發(fā)，教學(xué)者承擔(dān)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過(guò)程，學(xué)習(xí)者作為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體實(shí)施對(duì)象，管理者則負(fù)責(zé)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施效果評(píng)價(jià)。在構(gòu)建該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，綜合了以上四類用戶學(xué)科的不同需求，制定了合理體系化的構(gòu)建流程：編寫(xiě)實(shí)用的實(shí)驗(yàn)?zāi)_本（教學(xué)者）→利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言轉(zhuǎn)換形成軟件初稿（開(kāi)發(fā)者）→虛擬實(shí)驗(yàn)室中試用（教學(xué)者＋學(xué)習(xí)者）→收集師生教學(xué)回饋（教學(xué)者＋學(xué)習(xí)者）→專家、管理者等評(píng)議，形成修改意見(jiàn)（管理者）→進(jìn)一步優(yōu)化完善虛擬實(shí)驗(yàn)軟件（教學(xué)者＋開(kāi)發(fā)者）。需要說(shuō)明的是，上述構(gòu)建流程中的用戶角色并不是固定不變而是可以相互轉(zhuǎn)換的，以醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)專業(yè)教師為例，在虛擬軟件平臺(tái)構(gòu)建過(guò)程中同時(shí)承擔(dān)著多個(gè)角色：作為教學(xué)者要具備專業(yè)知識(shí)淵博，實(shí)驗(yàn)操作基本功扎實(shí)，教學(xué)實(shí)施過(guò)程中師生互生溝通互動(dòng)能力強(qiáng)，并善于發(fā)現(xiàn)和解決各類虛擬教學(xué)問(wèn)題等；作為開(kāi)發(fā)者要具備一定的軟件編程能力，從而能夠與計(jì)算機(jī)專業(yè)的編程人員順利溝通，完成專業(yè)性實(shí)驗(yàn)?zāi)_本文字向計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換；作為管理者，在管理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中存在流程控制、質(zhì)量評(píng)估和應(yīng)用服務(wù)等工作能力需求，從而保障虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施效果。

虛擬實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)教育、高等教育、職業(yè)教育以及遠(yuǎn)程教育中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，然而學(xué)習(xí)者能否在虛擬實(shí)驗(yàn)中獲得身臨其境的感覺(jué)，能否從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)顯得尤為關(guān)鍵。為體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)多感知性、真實(shí)性、互動(dòng)性、操作性等特點(diǎn)，在構(gòu)建分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要注重以下幾點(diǎn)基本要素的設(shè)計(jì)：①虛擬界面設(shè)計(jì)可操作性；②虛擬實(shí)驗(yàn)素材及動(dòng)畫(huà)高度寫(xiě)真性；③虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容實(shí)用性；④涵蓋豐富的2D動(dòng)畫(huà)視頻資料，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)微觀性；⑤虛擬實(shí)驗(yàn)的操作結(jié)果評(píng)價(jià)及測(cè)試性。本套分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作界面中的所有實(shí)驗(yàn)儀器、試劑和耗材的圖像均以實(shí)體為標(biāo)準(zhǔn)制作，而且隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，可觀察到實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)在可視化圖形操作界面中，適量地加入實(shí)驗(yàn)說(shuō)明框和提示框，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程中，可按照文字提示自由拖動(dòng)界面中的組織、試劑、儀器等，真實(shí)模擬了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作，使學(xué)生可以在沒(méi)有教師指導(dǎo)的情況下獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。虛擬實(shí)驗(yàn)的高度寫(xiě)真性，不僅是虛擬實(shí)驗(yàn)可視化的需要，更重要的是，它高度仿真了實(shí)際操作中的器械和過(guò)程，從而更好地指導(dǎo)學(xué)生完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作，提高了學(xué)生的實(shí)踐操作能力。教學(xué)過(guò)程中，虛擬實(shí)驗(yàn)不僅可通過(guò)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊和拖動(dòng)模擬實(shí)際操作過(guò)程，更添加了豐富的2D動(dòng)畫(huà)及視頻資料，將難以解釋的實(shí)驗(yàn)原理及操作中無(wú)法觀察到的微觀世界變化，以可視化形式動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)出來(lái)，從而使教學(xué)更直觀，更具有可感知性，也使教學(xué)形式更豐富活潑，教學(xué)的成效將會(huì)更加顯著。

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置直接影響醫(yī)學(xué)生對(duì)分子生物學(xué)理論知識(shí)的理解，對(duì)培養(yǎng)其科學(xué)作風(fēng)和科學(xué)思維能力，建立研究問(wèn)題的科學(xué)方法十分重要，進(jìn)而培養(yǎng)出全面發(fā)展的創(chuàng)新型醫(yī)學(xué)人才［3］。在依據(jù)我國(guó)醫(yī)學(xué)院校分子生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注重教學(xué)科研一體化，把科研項(xiàng)目與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，使項(xiàng)目的研究步驟與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，緊密銜接形成合乎邏輯的一套綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。經(jīng)典的分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)教師的授課思路，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，以教學(xué)中的重點(diǎn)及難點(diǎn)作為軟件的主要研發(fā)點(diǎn)。如以真核基因表達(dá)調(diào)控內(nèi)容為例，選用人類腫瘤壞死因子（hTNF－α）為研究主題，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本涵蓋了：①總RNA提取及RT－PCR虛擬實(shí)驗(yàn)：小鼠肝臟總RNA提?。粚?duì)提取的總RNA進(jìn)行分析；逆轉(zhuǎn)錄（RT）；PCR擴(kuò)增hTNF－α等；②免疫印跡技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)：小鼠肝臟組織總蛋白提取；Bradford法測(cè)蛋白濃度；SDS－PAGE分離蛋白；電轉(zhuǎn)移（半干式）；免疫印跡hTNF－α；ECL化學(xué)發(fā)光等；③分離目的基因（hTNF－α）及載體DNA：利用限制性核酸內(nèi)切酶分別切割目的基因和載體；利用連接酶將目的基因與載體DNA共價(jià)連接形成重組DNA分子；重組DNA分子轉(zhuǎn)入宿主細(xì)胞；重組子的篩選與鑒定等。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，作者將該套經(jīng)典虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)方式有機(jī)結(jié)合起來(lái)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、揚(yáng)長(zhǎng)避短，有效調(diào)動(dòng)醫(yī)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新的學(xué)習(xí)態(tài)度，提高學(xué)生對(duì)分子生物學(xué)基本技術(shù)的掌握和臨床基礎(chǔ)應(yīng)用的理解，為培養(yǎng)醫(yī)學(xué)科研型并重的復(fù)合型人才奠定了科研思維基礎(chǔ)。

2 醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在作者所在校虛擬實(shí)驗(yàn)室、數(shù)碼仿真實(shí)驗(yàn)室及E－learning網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)上教學(xué)試點(diǎn)近五年。綜合師生調(diào)查表的反饋信息，作者總結(jié)出虛擬實(shí)驗(yàn)作為分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的有益補(bǔ)充具有以下優(yōu)勢(shì)。

開(kāi)放性和靈活性：傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和地點(diǎn)上相對(duì)固定，學(xué)生無(wú)法自由地安排學(xué)習(xí)操作分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。虛擬實(shí)驗(yàn)的建立增加了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)間的靈活性，實(shí)驗(yàn)操作不再拘泥于傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生只要打開(kāi)電腦中的虛擬軟件，便可獨(dú)立、自主的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作；不僅如此，學(xué)生還可以利用課余時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，更好的發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。此外，對(duì)分子生物學(xué)有興趣的其他專業(yè)的學(xué)生也可以通過(guò)這一高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)，更好的了解分子生物學(xué)，拓寬學(xué)生的視野，促進(jìn)學(xué)科間的交流。

自主性和創(chuàng)新性：傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是教師為主導(dǎo)的灌輸式教學(xué)，注重的是知識(shí)的傳授及實(shí)驗(yàn)儀器的規(guī)范化操作，學(xué)生在學(xué)習(xí)中一直處于被動(dòng)接受狀態(tài)，不利于對(duì)學(xué)生實(shí)際操作中觀察、比較、分析、綜合等科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。而在以學(xué)生為主體的虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生自主模擬操作相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教學(xué)更有針對(duì)性；虛擬實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生犯出錯(cuò)，具有反省和自我分析機(jī)會(huì)，并通過(guò)重復(fù)練習(xí)虛擬實(shí)驗(yàn)深化對(duì)理論概念的理解和掌握，同時(shí)給予學(xué)生更多的創(chuàng)造機(jī)會(huì)，而不受資源、時(shí)間及安全因素的限制；通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能根據(jù)自己對(duì)實(shí)驗(yàn)掌握的情況自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容及進(jìn)度，自主擬定實(shí)驗(yàn)方案并在虛擬實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行相關(guān)的操作，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，提高學(xué)習(xí)效率及效果；此外，學(xué)生可通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)中預(yù)覽的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果獲得即時(shí)的實(shí)驗(yàn)反饋信息，從而不斷地改進(jìn)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新的精神。

高效性和可重復(fù)性：分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)具有周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，為維持正常的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間的完整性和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的連續(xù)性，有時(shí)教師必須提前做好相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，甚至替學(xué)生完成一部分的實(shí)驗(yàn)操作，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法全程參與此實(shí)驗(yàn)的操作，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏整體性、系統(tǒng)性和連貫性的理解，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。此外，由于對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的不熟悉和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不可控，常常導(dǎo)致傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生單次實(shí)驗(yàn)操作不能得到預(yù)期的結(jié)果，甚至損壞儀器，造成安全隱患。限于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、教學(xué)難度大等特點(diǎn)，往往沒(méi)有條件再次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，不僅打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，更限制了其求知欲望，不利于嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)作風(fēng)和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠使學(xué)生在接觸實(shí)際操作之前提前進(jìn)入虛擬的實(shí)驗(yàn)氛圍，掌握必要的基礎(chǔ)理論和知識(shí)，還可以在虛擬環(huán)境中模擬操作，提高安全防護(hù)意識(shí)，從而在真正動(dòng)手實(shí)踐操作中，順利完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程的同時(shí)，更能集中精力觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析思考實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而有利于學(xué)生整體科研思維能力的培養(yǎng)。利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，學(xué)生可在計(jì)算機(jī)上用很短的時(shí)間內(nèi)完成現(xiàn)實(shí)中較長(zhǎng)時(shí)間才能完成的實(shí)驗(yàn)，并可獨(dú)立、自主、反復(fù)地進(jìn)行關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)步驟的操作，更可以在這一不斷學(xué)習(xí)、不斷思考的過(guò)程中激發(fā)科研興趣，增強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)本身設(shè)計(jì)思路和反應(yīng)規(guī)律的分析和思考，提高了學(xué)習(xí)效率。

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是信息時(shí)代的產(chǎn)物，多門(mén)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究都認(rèn)為它在教育科研領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向，它必將促進(jìn)教學(xué)觀念與教學(xué)形式的變革。將虛擬實(shí)驗(yàn)仿真軟件引入教學(xué)中，既擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)的范圍，又能將課堂上較難理解的理論知識(shí)形象生動(dòng)化的通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真軟件展現(xiàn)出來(lái)，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣［4］。當(dāng)然，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的一種形式，不可能完全取代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)堅(jiān)持“實(shí)際操作為主，虛擬實(shí)驗(yàn)為輔”的原則，將傳統(tǒng)教學(xué)與虛擬實(shí)驗(yàn)兩者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)分子生物學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展起到推動(dòng)作用，促進(jìn)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革并加強(qiáng)高校信息化建設(shè)的步伐。

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