劉春英

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266109）

0 引言

生物化學(xué)主要研究動(dòng)、植物有機(jī)體的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)和物質(zhì)代謝過(guò)程。它是農(nóng)業(yè)院校生物技術(shù)、生物科學(xué)、動(dòng)物醫(yī)學(xué)、動(dòng)物科學(xué)、植物保護(hù)、食品科學(xué)等專(zhuān)業(yè)非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。生物化學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中要理論聯(lián)系實(shí)踐，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論知識(shí)和加深對(duì)理論知識(shí)的理解。通過(guò)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作能夠直接提高學(xué)生的動(dòng)手能力和培養(yǎng)學(xué)生觀察問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中需要用到實(shí)驗(yàn)設(shè)備和大量的化學(xué)試劑，其中很多試劑還具有毒性，經(jīng)常接觸都老師和學(xué)生的健康造成傷害。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生提前熟悉了解實(shí)驗(yàn)原理、掌握實(shí)驗(yàn)過(guò)程和操作步驟、了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題和解決方法[1-2]。通過(guò)生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合可以顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，對(duì)于學(xué)生掌握生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技能具有重要意義。

1 生物化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，涉及到多個(gè)專(zhuān)業(yè)和學(xué)科。國(guó)內(nèi)外很多的高校、科研院所以及遠(yuǎn)程教育機(jī)構(gòu)都積極地投入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建，開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。目前教育部批準(zhǔn)了兩批共200個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，其中包括清華大學(xué)的數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；北京師范大學(xué)、鄭州大學(xué)的化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；浙江大學(xué)、山東大學(xué)、北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院、哈爾濱醫(yī)科大學(xué)、南通大學(xué)、重慶醫(yī)科大學(xué)等的醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；東北師范大學(xué)、臨沂大學(xué)的生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等。

關(guān)于生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究較少，沒(méi)有完整的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。只有生物化學(xué)專(zhuān)業(yè)教師自己開(kāi)發(fā)的部分虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，如梁亦龍開(kāi)發(fā)了虛擬PCR實(shí)驗(yàn)[3]；黃佳玲報(bào)道了采用Flash技術(shù)開(kāi)發(fā)的聚丙烯酰胺凝膠電泳的虛擬實(shí)驗(yàn)[4]等，各高校和研究所都還沒(méi)有國(guó)家級(jí)的生物化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心獲得批準(zhǔn)。

2 生物化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)基本過(guò)程

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)一般可分為數(shù)字模型建立、制作交互程序和程序發(fā)布三個(gè)階段。

2.1 數(shù)字模型建立

首先要制作三維的數(shù)字模型。模型一般采用3D Max、Maya、Silo等三維建模軟件制作。在建模時(shí)要根據(jù)真實(shí)儀器的數(shù)據(jù)建立模型，保證產(chǎn)品模型的尺寸比例協(xié)調(diào)和模型外觀在視覺(jué)上的真實(shí)性；另外三維模型要盡量減少面數(shù)，刪除冗余的點(diǎn)面，合并同類(lèi)模型以降低模型的復(fù)雜程度，提高交互程序調(diào)用模型的速度。三維建好模型后，進(jìn)行材質(zhì)編輯和場(chǎng)景燈光設(shè)置。然后對(duì)模型進(jìn)行渲染，使模型達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器的效果。還可以根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)需要制作三維動(dòng)畫(huà)。

2.2 交互程序設(shè)計(jì)

采用Unity 3D、VRML、Virtools等虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行交互程序設(shè)計(jì)。首先導(dǎo)入制作好的三維模型，創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。場(chǎng)景包括程序的界面、聲音、文字、圖片等；然后對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、藥品等三維模型添加動(dòng)作、事件等要素。其中動(dòng)作包括模型的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放、切換視角等；事件包括模型對(duì)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)的響應(yīng)等交互事件，當(dāng)用戶(hù)執(zhí)行某個(gè)操作時(shí)，能夠?qū)υ摬僮髯龀稣_響應(yīng)。

2.3 程序發(fā)布

在完成虛擬仿真設(shè)置后，需要將程序發(fā)布生成可以獨(dú)立運(yùn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)程序。一般可以生成單機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)程序，也可以發(fā)布成為網(wǎng)絡(luò)格式，使學(xué)生可以自己在電腦操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)步驟。

3 生物化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)存在的優(yōu)勢(shì)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面有著其他教學(xué)環(huán)節(jié)所不能替代的獨(dú)特作用。一個(gè)能夠模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既能促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能夠讓教學(xué)過(guò)程從課堂得到延伸。虛擬實(shí)驗(yàn)比單純的文字、圖像更加形象、生動(dòng)、完整、便于理解和記憶，它模擬了真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性；而且虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間和空間的限制，可以自由學(xué)習(xí)，不受實(shí)驗(yàn)室、講師約束，學(xué)生可根據(jù)自己的情況安排學(xué)習(xí)時(shí)間，隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)，有很大的靈活性；虛擬實(shí)驗(yàn)還突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)地、材料和實(shí)驗(yàn)儀器的限制，可以大量學(xué)生同時(shí)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，能夠節(jié)約現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，共享教學(xué)設(shè)施，提高學(xué)生實(shí)踐操作能力；對(duì)于一些危險(xiǎn)性較高的實(shí)驗(yàn)或是不具備條件開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生掌握這些實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

因?yàn)樯锘瘜W(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是兩個(gè)完全不同的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，兩個(gè)不同專(zhuān)業(yè)人員合作才能開(kāi)發(fā)出真實(shí)、實(shí)用的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件。軟件設(shè)計(jì)必須要符合真實(shí)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，還要有原理講解和步驟說(shuō)明，這需要生物化學(xué)教師把握；而軟件的開(kāi)發(fā)還要考慮學(xué)生使用該軟件的能力，操作要簡(jiǎn)便。如何促進(jìn)生物化學(xué)專(zhuān)業(yè)教師和多媒體開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)人員交流合作，共同開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)軟件是目前需要解決的問(wèn)題。

4 總結(jié)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)將能夠有效緩解學(xué)校在經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)室、儀器等方面的不足和困難，而且利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)時(shí)空的限制，無(wú)論是學(xué)生還是教師，都可以自由、隨時(shí)隨地上網(wǎng)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行操作儀器、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革產(chǎn)生重大的影響。

［1］李彩虹,丁航,邱文峰,等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略研究[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2013(06):126-127.

［2］張麗娟,古同男.虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室?guī)?dòng)生物化學(xué)教學(xué)模式改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015(05):192-194.

［3］梁亦龍,盧利平,范歡,等.虛擬實(shí)驗(yàn)在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2012(02):45-47.

［4］黃佳玲,馬生健,曾富華.基于Flash的生物化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室研究與開(kāi)發(fā)——聚丙烯酰胺凝膠盤(pán)狀電泳[J].高校生物學(xué)教學(xué)研究(電子版),2014(02):52-56.