屠潔 陳欣 王卉平

【摘 要】近年來，數(shù)字化學(xué)習(xí)工具的開發(fā)與應(yīng)用已取得了非常顯著的進步，有力促進了信息技術(shù)環(huán)境下的學(xué)習(xí)實踐。這其中，利用網(wǎng)絡(luò)和虛擬技術(shù)開發(fā)虛擬實驗，可以有效降低實驗成本和提高實驗效率，并且有助于學(xué)生深入理解生物化學(xué)實驗的微觀機制，是改革實驗教學(xué)手段的一個重要發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】虛擬實驗 生物化學(xué) 實驗教學(xué)

生物化學(xué)與分子生物學(xué)實驗技術(shù)是生命科學(xué)研究的重要手段，是生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)的重要的實踐性課程，該課程的教學(xué)效果直接影響學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，尤其是對相關(guān)專業(yè)研究生的培養(yǎng)質(zhì)量（如論文質(zhì)量和研究生的實驗技能）至關(guān)重要。而生物化學(xué)與分子生物學(xué)實驗是通過微觀領(lǐng)域的深入研究不斷地揭示了各種生命奧秘，因此學(xué)生了解生命本質(zhì)必須能夠進入微觀世界，傳統(tǒng)的教學(xué)手段對微觀世界的動態(tài)變化的展示卻顯得不夠充分，但信息技術(shù)提供了這種可能。運用多媒體課件教學(xué)，動態(tài)模擬，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，把學(xué)生的思維帶進微觀世界模擬的實驗環(huán)境之中，誘導(dǎo)學(xué)生觀察思考，相互討論，共同探究規(guī)律，較好地實現(xiàn)教學(xué)效果。虛擬實驗就是基于信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)上構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，使現(xiàn)有各種教學(xué)實驗室的數(shù)字化和虛擬化。

一、虛擬實驗的概念

虛擬實驗的概念，最早在1989 年由美國的William Wolf教授提出，用來描述一個計算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗環(huán)境。虛擬實驗概念的提出至今僅為十多年的時間，但因其廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)外有很多組織都已經(jīng)開展了虛擬實驗系統(tǒng)的研究和建設(shè)工作，特別是在國外一些著名的大學(xué)，已有較多建好并投入使用的虛擬實驗系統(tǒng)，涵蓋了計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)學(xué)、人工智能、生命科學(xué)、化學(xué)、物理、生物工程、通訊、3DCAD、圖形圖像、農(nóng)業(yè)科學(xué)等教學(xué)、科研領(lǐng)域。

目前，國內(nèi)在虛擬實驗方面開展的工作還不多，已有部分高校初步建立了虛擬實驗室。例如：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了網(wǎng)上虛擬土壤作物系統(tǒng)實驗室，應(yīng)用計算機模擬植物在三維空間中的生長發(fā)育狀況，探討虛擬植物模型在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵問題。縱觀近年來虛擬實驗室在國內(nèi)高校的發(fā)展和應(yīng)用， 可以看出虛擬實驗室已經(jīng)實實在在地改變了人們對實驗室的看法。由于它不但能有效地降低實驗成本， 提高實驗效率， 而且可以實現(xiàn)異地協(xié)作和實驗資源共享， 因此這種實驗方式也越來越受到國內(nèi)高校和科研機構(gòu)的重視和青睞， 成為強化實驗室建設(shè)、改革實驗教學(xué)手段的一個重要發(fā)展方向。

虛擬實驗在生物化學(xué)與分子生物學(xué)教學(xué)中的實踐意義

生物化學(xué)與分子生物學(xué)實驗教學(xué)一般都是在實驗室中進行，往往是教師介紹相應(yīng)實驗項目的原理，學(xué)生則按照教材所示實驗步驟進行操作，對于實驗過程中具體的細節(jié)尚處于一知半解狀態(tài)；而且，生物化學(xué)和分子生物學(xué)實驗所用試劑費用較高，教學(xué)經(jīng)費往往不允許學(xué)生進行反復(fù)實驗，一些較為前沿的實驗項目還會因為實驗經(jīng)費和所需儀器的限制無法開設(shè)；另外，在實驗進行過程中，往往需要較長的等待時間如PCR擴增時要等待1個多小時、SDS-PAGE時電泳要等待1小時左右，后面的凝膠染色、脫色又有很長時間等待，有限的課程實驗時間只能開設(shè)非常有限的實驗項目。綜上所述，實驗教學(xué)過程費時費力，卻難以達到預(yù)期效果。

虛擬實驗則可以很好地解決上述問題，開展虛擬實驗的虛擬實驗環(huán)境由虛擬實驗臺、虛擬器材庫和開放式實驗室管理系統(tǒng)組成。虛擬實驗臺與真實實驗臺類似，可供學(xué)生自己動手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實驗儀器設(shè)備。教師利用虛擬器材庫中的器材自由搭建任意合理的典型實驗，或?qū)嶒灠咐瑢W(xué)生既可以在虛擬實驗臺上動手操作，又可自主設(shè)計實驗，有利于培養(yǎng)的操作能力、分析診斷能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新意識。在虛擬實驗中，學(xué)生更易獲得相關(guān)的知識，科學(xué)的指導(dǎo)和敏捷的反饋。

二、生物化學(xué)與分子生物學(xué)虛擬實驗的運用現(xiàn)狀

目前，相當(dāng)部分的物理與化學(xué)虛擬實驗室逐漸運用于實驗教學(xué)，但是有關(guān)于生命科學(xué)的相關(guān)虛擬實驗平臺均尚處于建設(shè)之中。原因有多方面的，如生命科學(xué)現(xiàn)象比較復(fù)雜，虛擬實驗平臺的開發(fā)也就相對較為復(fù)雜；生物化學(xué)與分子生物學(xué)實驗項目繁多，有時候?qū)嶒灢牧系倪x擇、方法的選擇不同就是不同的實驗項目，要建設(shè)一個相對較為完善的虛擬實驗平臺工作量非常大，需要耗費大量的人力物力；另外，生物化學(xué)與分子生物學(xué)虛擬實驗平臺建設(shè)需要計算機工程和生物化學(xué)與分子生物學(xué)專業(yè)人才共同努力才能完成的一項工作，而大部分實驗教學(xué)中兩個學(xué)科之間交叉得比較少，也就是專業(yè)課程老師的計算機基礎(chǔ)相對較為薄弱，而計算機工程的專業(yè)人士的生物化學(xué)與分子生物學(xué)背景又相對欠缺。因此，生物化學(xué)與分子生物學(xué)虛擬實驗尚有待于探索和研發(fā)。

三、展望

虛擬實驗輔助生物化學(xué)與分子生物學(xué)實驗教學(xué)是一種全新的嘗試，能提升課程學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量。但是，由于生物化學(xué)與分子生物學(xué)實驗本身的復(fù)雜性，虛擬實驗軟件的研發(fā)尚處于起步階段，其進一步開發(fā)需要投入很大的人力和物力，需要計算機工程和生物化學(xué)與分子生物學(xué)專業(yè)人才共同努力才能完成。綜上所述，針對課程特點合理選用開發(fā)技術(shù)，逐步實現(xiàn)教學(xué)型虛擬實驗室的建設(shè)和應(yīng)用，使虛擬實驗成為實驗教學(xué)的有益的、必要的補充。

【參考文獻】

[1]易杰，高東輝. 實驗技術(shù)類教學(xué)體系和課程體系構(gòu)建的思考，現(xiàn)代中西醫(yī)結(jié)合雜志，2009，18（2）：2485-2486.

[2]卞存軍.虛擬實驗室構(gòu)建與教學(xué).時代教育， 2011（1）：235-236.

[3]許曉東， 劉玉， 江建軍， 等. 基于網(wǎng)絡(luò)的研究性教學(xué)模式探索. 高等工程教育研究，2006（1） ：107-110.