唐超智 劉慶薈 張順利

(河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新鄉(xiāng) 453007)

1941年，Coons首次用熒光標(biāo)記抗體與抗原特異結(jié)合成功，免疫熒光標(biāo)記技術(shù)問世[1]。經(jīng)過不斷發(fā)展和完善，免疫熒光標(biāo)記技術(shù)已成為現(xiàn)代分子生物學(xué)、免疫學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的常用實(shí)驗(yàn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于組織抗原定位定量分析、病原微生物鑒定、抗體檢測、腫瘤診斷及免疫球蛋白代謝監(jiān)測等方面，表現(xiàn)出極高的靈敏度、特異性和準(zhǔn)確率[2]。

盡管免疫熒光實(shí)驗(yàn)在科學(xué)研究事業(yè)和生產(chǎn)生活領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前我國高等學(xué)校生命科學(xué)、畜牧獸醫(yī)學(xué)和檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)等專業(yè)本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)體系中，絕大多數(shù)并未開設(shè)免疫熒光實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其主要原因是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，免疫熒光實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)成本較高，比如高品質(zhì)的進(jìn)口熒光標(biāo)記抗體價(jià)格往往比較貴，而高分辨率的熒光顯微鏡也很難達(dá)到每個(gè)學(xué)生一臺。此外，一些其他的限制因素也使得免疫熒光實(shí)驗(yàn)開設(shè)困難重重，比如暗室觀察熒光時(shí)難以在多人班級的課堂上實(shí)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)的時(shí)間相對較長也不便于正常單元課堂的時(shí)間內(nèi)完成等。缺乏免疫熒光實(shí)驗(yàn)的技能培訓(xùn)導(dǎo)致許多本科生在今后的工作中應(yīng)用免疫熒光實(shí)驗(yàn)技術(shù)時(shí)缺乏充分的知識經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐操作能力，難以滿足崗位招聘的即用需求。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建一個(gè)虛擬系統(tǒng)來模仿現(xiàn)實(shí)世界的技術(shù)，又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。置身于該虛擬系統(tǒng)中，操作者感知到跟現(xiàn)實(shí)世界十分接近的場地環(huán)境和目標(biāo)對象，開展著與現(xiàn)實(shí)世界十分雷同的事物發(fā)生過程。虛擬仿真技術(shù)可幫助人們反復(fù)獲取重要的知識經(jīng)驗(yàn)，卻不會受到現(xiàn)實(shí)世界的諸多限制，其已成為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、臨床治療醫(yī)學(xué)和現(xiàn)代教育事業(yè)發(fā)展的重要手段[3]。

近年來，我國高等教育教學(xué)領(lǐng)域掀起了應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的浪潮。當(dāng)前的工科和醫(yī)學(xué)院校，已在逐步拋棄具有高昂實(shí)驗(yàn)成本、巨大安全隱患和場地條件要求苛刻等弊端的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。為鼓勵發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，教育部于2015年設(shè)立了100個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，2016年又新增了200個(gè)，2017年則提出在未來4年(2017～2020年)內(nèi)立項(xiàng)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1 000項(xiàng)。

通過參加國內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會，筆者發(fā)現(xiàn)免疫熒光實(shí)驗(yàn)技術(shù)虛擬仿真教學(xué)體系開發(fā)的呼聲很高，但由于研發(fā)免疫熒光虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅要求構(gòu)建者團(tuán)隊(duì)具有淵博的免疫學(xué)專業(yè)知識，且須熟悉3DS Max、Photoshop、Flash和Dreamweaver等軟件的操作[4-6]，這種難度較高的挑戰(zhàn)使得該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)研發(fā)遲遲難以啟動。為此，本文提出了構(gòu)建免疫熒光實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的具體方法，期望有助于推動該項(xiàng)工作的快速發(fā)展。

2 免疫熒光實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬仿真教學(xué)模式構(gòu)建方法

2.1免疫熒光實(shí)驗(yàn)虛擬教學(xué)軟件整體設(shè)計(jì) 應(yīng)用Dreamweaver制作虛擬仿真教學(xué)網(wǎng)頁，設(shè)置免疫熒光實(shí)驗(yàn)虛擬教學(xué)軟件的登錄主界面模塊和具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊下設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)操作流程、具體實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果獲得和分析6個(gè)子菜單選項(xiàng)，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Whole structure diagram of virtual simulation experiment teaching platform

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊下，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇很容易設(shè)置，實(shí)驗(yàn)原理和結(jié)果分析部分為通識內(nèi)容，整理文獻(xiàn)資料填充即可，實(shí)驗(yàn)器材、具體實(shí)驗(yàn)操作需依據(jù)實(shí)驗(yàn)操作流程確定。因此，制定實(shí)驗(yàn)操作流程，按照實(shí)驗(yàn)操作流程制作實(shí)驗(yàn)操作需用的各種二維圖片、三維虛擬模型及動畫素材，再把這些素材按照實(shí)驗(yàn)操作流程的順序整合成計(jì)算機(jī)語言，形成虛擬實(shí)驗(yàn)操作程序，是開發(fā)整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2免疫熒光實(shí)驗(yàn)操作流程制定 參考當(dāng)前國內(nèi)外普遍使用的實(shí)驗(yàn)方案，免疫熒光實(shí)驗(yàn)的具體操作流程主要包括樣本取材、制片、脫蠟復(fù)水、封閉、一抗和二抗孵育、結(jié)果觀察等步驟[7]，如圖2所示。

2.3虛擬模型和動畫的確定及制作 對實(shí)驗(yàn)流程中涉及的環(huán)境、器材、試劑和人等虛擬內(nèi)容進(jìn)行歸納整理，應(yīng)用Photoshop、3DS Max、Flash等軟件建立二維圖、三維虛擬模型和動畫素材，如表1所示。

2.4將素材嵌入虛擬仿真平臺 建模完成后，還需經(jīng)過以下幾個(gè)環(huán)節(jié)將其嵌入虛擬仿真平臺，完成免疫熒光虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的構(gòu)建。

圖2 免疫熒光實(shí)驗(yàn)基本流程Fig.2 Basic flow of immunofluorescence experiment

表1虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退夭膮R總

Tab.1Asummaryofvirtualexperimentmode

素材類別虛擬對象類別虛擬模型名稱二維圖片類(Photoshop)背景類背景圖標(biāo)識修飾類圖標(biāo)、不規(guī)則符號、裝飾圖等三維模型類(3DS Max)人教師、學(xué)生、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員、管理員等環(huán)境設(shè)施類常規(guī)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)臺、暗室等儀器設(shè)備類熒光顯微鏡、切片機(jī)、恒溫箱、搖床等器皿工具類燒杯、染色缸、PBS洗瓶、膠頭滴管、廢液缸、載玻片、蓋玻片、染色架、離心管、離心管架、避光濕盒、濾紙、計(jì)時(shí)器等試劑一抗、熒光標(biāo)記二抗、山羊血清封閉液、pH7.4 PBS緩沖液、三蒸水等特殊對象類水滴、水流、水霧、熒光等動畫視頻類(Flash)結(jié)果觀察及分析的動畫視頻正確、錯(cuò)誤結(jié)果觀察及分析的動畫視頻展示

第一，轉(zhuǎn)換在不同建模軟件中制作的各種模型的格式，使其能夠插入到虛擬平臺中，變?yōu)槟鼙徽{(diào)用和處理的對象。第二，在Dreamweaver中創(chuàng)建站點(diǎn)后，進(jìn)行網(wǎng)頁制作，之后進(jìn)行站點(diǎn)的測試和發(fā)布。每一界面是通過超文本標(biāo)記語言(Hypertext markup language,HTML)編寫的文件，把這些素材按照實(shí)驗(yàn)操作流程的順序分門別類整合到不同的網(wǎng)頁界面，使用瀏覽器將HTML語言翻譯成瀏覽者看到的絢麗多彩的界面。第三，設(shè)置鼠標(biāo)點(diǎn)擊選擇的交互方式完成各個(gè)虛擬模型之間的人機(jī)交互、元素交互，搭建成為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。第四，將虛擬實(shí)驗(yàn)軟件轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓤?zhí)行文件，整合成計(jì)算機(jī)語言，形成虛擬實(shí)驗(yàn)操作軟件程序，最終實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的漫游功能、演示功能、互動功能和考核功能，在網(wǎng)頁上發(fā)布，有效運(yùn)用到學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中。

綜上所述，通過Photoshop 進(jìn)行二維圖片整理、3DS Max進(jìn)行三維模型建立、Flash進(jìn)行視頻動畫制作獲取需用的虛擬實(shí)驗(yàn)素材，運(yùn)用Dreamweaver軟件和專業(yè)HTML編輯器，進(jìn)行網(wǎng)頁設(shè)計(jì)、編碼和開發(fā)，把各種素材整合，以PC機(jī)為硬件平臺，完成免疫熒光實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真教學(xué)軟件構(gòu)建。

3 結(jié)語

虛擬仿真教學(xué)模式在國內(nèi)外多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展均十分迅速，國外的一些虛擬實(shí)驗(yàn)室使用了功能更強(qiáng)大的3D CAD進(jìn)行機(jī)器人智能領(lǐng)域建模[8]。高端生物學(xué)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目近年來也正在逐步開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[9]，張玲等[10]基于 VRP 和 3DS Max 構(gòu)建了SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳虛擬實(shí)驗(yàn)取得了成功。

本文對免疫熒光實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬仿真教學(xué)模式的構(gòu)建方法進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整理和歸納了構(gòu)建的各個(gè)環(huán)節(jié)，其在具體構(gòu)建時(shí)可根據(jù)需要，插入補(bǔ)充模塊。此外，網(wǎng)頁設(shè)計(jì)技術(shù)的精湛程度，素材模擬效果的逼真情況，虛擬平臺與數(shù)據(jù)庫的連接狀況均是極具挑戰(zhàn)性的操作環(huán)節(jié)。由于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展目前才剛剛起步，可借鑒的現(xiàn)成資源相對缺乏，構(gòu)建出效果優(yōu)良的免疫熒光實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要進(jìn)一步實(shí)踐應(yīng)用。