郭健+劉微+董媛+朱潔+許會靜

摘要生物技術(shù)實驗存在著周期長、成本高以及生物安全性的問題，致使生物技術(shù)專業(yè)的實驗教學(xué)受到制約，教學(xué)質(zhì)量下降，急需引進新的實驗教學(xué)模式和技術(shù)。虛擬實驗室利用計算機、網(wǎng)絡(luò)及仿真虛擬技術(shù)為使用者提供形象逼真的實驗場景，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，節(jié)約教學(xué)成本，保證實驗教學(xué)的安全性，提高生物技術(shù)實驗室的開放性和靈活性。因此，生物技術(shù)虛擬實驗室的建設(shè)對于生物技術(shù)專業(yè)的發(fā)展是十分必要的。

關(guān)鍵詞生物技術(shù)；虛擬實驗室

現(xiàn)代生物技術(shù)是一門理論抽象、知識繁多、技術(shù)要求嚴格的學(xué)科，因此實驗教學(xué)至關(guān)重要。在實驗教學(xué)上注重培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和動手能力，尤其應(yīng)注重理論和操作技術(shù)結(jié)合，將抽象內(nèi)容具體化。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中常因教學(xué)場地、設(shè)備、經(jīng)費、師資力量或生物安全性等因素的制約，導(dǎo)致實驗教學(xué)不完善，學(xué)生的操作機會匱乏，實驗技術(shù)能力差，對理論知識的理解也不透徹。因此，如何改建設(shè)生物技術(shù)實驗室，從而改進生物技術(shù)實驗課程，提高該課程實驗教學(xué)質(zhì)量，值得深入思考。近年來，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬實驗室逐漸被引入生物技術(shù)實驗教學(xué)中。利用虛擬實驗室教學(xué)與常規(guī)教學(xué)相結(jié)合，開展人機交流互動，已成為現(xiàn)今實驗教學(xué)發(fā)展的新方向。

1虛擬實驗室發(fā)展概況

1.1虛擬實驗室的概念

虛擬實驗室（Virtual laboratory）的概念最早是由美國弗吉尼亞大學(xué)的教授William Wolf提出的，是指借助圖形或圖像、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)等技術(shù)，建立一個計算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境。在這個環(huán)境里，用戶可以隨時進入虛擬實驗室，用鼠標(biāo)來操作儀器和進行實驗，模擬真實試驗臺上的手動操作。虛擬實驗室可通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)不同地域，不同學(xué)科之間儀器設(shè)備、資源和數(shù)據(jù)的共享，甚至是相互之間的遠程控制。

1.2虛擬實驗室的發(fā)展現(xiàn)狀

早在1985年，美國國立醫(yī)學(xué)圖書館就已將人類尸體進行CT和MRI掃描，建立了“虛擬人體”系統(tǒng)，作為醫(yī)學(xué)相關(guān)學(xué)科的輔助教學(xué)。1995年，出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖實驗”，實驗者可利用虛擬手術(shù)刀對青蛙進行解剖，清晰地觀察到內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。2003年，中國第一軍醫(yī)大學(xué)完成了國內(nèi)首例女虛擬人的數(shù)據(jù)采集。由于虛擬實驗室的應(yīng)用前景廣闊，很多國家，特別是國外的一些著名大學(xué)都進行了虛擬實驗室研究與建設(shè)的工作，并已投入使用，如：霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的心臟病實驗室，約翰霍普金斯大學(xué)的虛擬工程與科學(xué)實驗室，意大利帕瓦多大學(xué)的遠程虛擬教育實驗室等；國內(nèi)部分高校已開始籌建，涵蓋了廣泛的科研領(lǐng)域，如：清華大學(xué)的工程力學(xué)虛擬實驗室，浙江大學(xué)的物理虛擬實驗室，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的網(wǎng)上虛擬土壤作物系統(tǒng)實驗室，北京維拓啟創(chuàng)信息技術(shù)有限公司的虛擬解剖實驗室系統(tǒng)等。

2建設(shè)生物技術(shù)虛擬實驗室的必要性

虛擬實驗室教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，具有多樣化、效率高、易操作、靈活性強、安全性高的優(yōu)勢，能夠為學(xué)生提供各種教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，從而在各高校得到廣泛的認可。

2.1教學(xué)環(huán)境多樣化

虛擬實驗室構(gòu)建的虛擬教學(xué)環(huán)境可為學(xué)生提供實驗設(shè)計、實驗操作、數(shù)據(jù)分析等模塊。虛擬實驗室綜合圖像、動畫和聲音來對真實的生物實驗過程和現(xiàn)象進行模擬，使學(xué)生有沉浸感。在與真實環(huán)境高度相近的虛擬實驗室里，學(xué)生通過鼠標(biāo)和鍵盤進行實驗操作，不僅有身臨其境的體驗感，同時大大提高了學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生之間也可通過聊天室進行實驗的討論，或是隨時利用實驗平臺驗證學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的各種疑問，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，充分發(fā)揮實驗教學(xué)的重要作用。

2.2節(jié)省教學(xué)成本

生物技術(shù)專業(yè)常會涉及到操作步驟復(fù)雜，難度系數(shù)高的實驗。學(xué)生可提前進入虛擬實驗室進行演練，提高實驗操作的熟悉度和精準度后，再進行真實實驗，不僅節(jié)省大量課堂時間，提高實驗的成功率，也降低了對昂貴實驗耗材的消耗，節(jié)約實驗成本。另外，在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，涉及到實驗周期較長的內(nèi)容，多數(shù)是由教師完成大部分實驗，學(xué)生只操作關(guān)鍵部分，使教學(xué)效果大打折扣。而虛擬實驗室則降低了實驗對材料和設(shè)備的依賴，學(xué)生完全可以在虛擬實驗平臺上完成全部實驗流程。

2.3提高安全性和靈活性

生物實驗中往往會涉及有毒、有害、有強感染性的試劑和材料，使生物實驗存在一定的安全隱患。對于在傳統(tǒng)實驗室里易造成人身傷害的實驗，虛擬實驗室完全顯露其優(yōu)勢，在對學(xué)生的安全保護層面上考慮，高校建立生物技術(shù)虛擬實驗室有很大的必要性。另外，虛擬實驗室突破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的時間和地域的限制，在管理和使用上有著更大的靈活性。學(xué)生可以隨時隨地進入虛擬實驗室進行操作，在平臺上進行互動交流；教師也可對學(xué)生進行監(jiān)督。虛擬實驗室系統(tǒng)內(nèi)可資源共享，設(shè)計性實驗，積極發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，為實驗教學(xué)工作提供了極大的便利。

3虛擬實驗室在生物技術(shù)教學(xué)中存在的問題

盡管虛擬實驗室有諸多優(yōu)點，但是與真實實驗室仍存在一定差異。許多實驗步驟如果只通過模擬無法反應(yīng)其真實的狀態(tài)，比如操作過程的手感、觸感和力度等。學(xué)生即使模擬過實驗流程，在實體操作過程中也難免遇到各種問題。因此，不能完全依賴于虛擬實驗室創(chuàng)造的理想環(huán)境。另外，與傳統(tǒng)實驗室相比，虛擬實驗室的計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)含量非常高，因此不易開發(fā)和維護，管理者需具有充分的計算機知識，一旦計算機或者網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，虛擬實驗室將無法使用。

4結(jié)論

生物技術(shù)虛擬實驗室對于生物技術(shù)專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展有著重要的意義，但是在教學(xué)過程中，應(yīng)做到虛實結(jié)合。開發(fā)虛擬教學(xué)資源時，充分利用虛擬教學(xué)手段的同時，應(yīng)考慮虛擬實驗和真實實驗的比例，才能獲得良好的教學(xué)效果。endprint