虚拟实验在生物化学实验教学中的应用

1、虚拟实验在生物化学实验教学中的应用 虚拟实验在生物化学实验教学中的应用 【摘 要】生物化学是实践性比拟强的学科，理论讲授和实验操作相结合才能到达好的教学效果。虚拟现实技术的开展为生物化学实验教学提供了一条新的途径。本文对虚拟仿真生物化学实验的开发过程、应用现状、优缺点和应用前景等内容进行了初步探讨。 【关键词】虚拟实验；三维；实验教学 0 引言 生物化学主要研究动、植物有机体的化学组成、分子结构和物质代谢过程。它是农业院校生物技术、生物科学、动物医学、动物科学、植物保护、食品科学等专业非常重要的专业根底课。生物化学是一门实践性非常强的学科，学生在学习过程中要理论联系实践，通过实验来验证理论知识

2、和加深对理论知识的理解。通过生物化学实验的操作能够直接提高学生的动手能力和培养学生观察问题、分析问题、解决问题的能力。生物化学实验中需要用到实验设备和大量的化学试剂，其中很多试剂还具有毒性，经常接触都老师和学生的健康造成伤害。 虚拟仿真实验是指借助于多媒体技术和虚拟现实等技术在营造可辅助、局部替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验工程。通过虚拟实验可以使学生提前熟悉了解实验原理、掌握实验过程和操作步骤、了解实验过程中可能出现的问题和解决方法1-2。通过生物化学虚拟仿真实验与真实实验操作相结合可以显著提高学生的学习兴趣和学习效果，对于学

3、生掌握生物化学实验操作技能具有重要意义。 1 生物化学虚拟实验现状 近年来，随着虚拟现实技术的开展，虚拟实验在实验教学中的应用也越来越广泛，涉及到多个专业和学科。国内外很多的高校、科研院所以及远程教育机构都积极地投入虚拟实验平台的构建，开展虚拟实验教学研究。目前教育部批准了两批共200个国家级虚拟仿真教学实验中心，其中包括清华大学的数字化制造系统虚拟仿真实验教学中心；北京师范大学、郑州大学的化学虚拟仿真实验教学中心；浙江大学、山东大学、北京协和医学院、哈尔滨医科大学、南通大学、重庆医科大学等的医学虚拟仿真实验教学中心；东北师范大学、临沂大学的生物学虚拟仿真实验教学中心等。 关于生物化学虚拟仿真

4、实验研究较少，没有完整的生物化学实验平台。只有生物化学专业教师自己开发的局部虚拟实验软件，如梁亦龙开发了虚拟PCR实验【3】；黄佳玲报道了采用Flash技术开发的聚丙烯酰胺凝胶电泳的虚拟实验【4】等，各高校和研究所都还没有国家级的生物化学虚拟实验教学中心获得批准。 2 生物化学虚拟实验开发根本过程 虚拟实验平台的开发一般可分为数字模型建立、制作交互程序和程序发布三个阶段。 2.1 数字模型建立 首先要制作三维的数字模型。模型一般采用3D Max、Maya、Silo等三维建模软件制作。在建模时要根据真实仪器的数据建立模型，保证产品模型的尺寸比例协调和模型外观在视觉上的真实性；另外三维模型要尽量减

5、少面数，删除冗余的点面，合并同类模型以降低模型的复杂程度，提高交互程序调用模型的速度。三维建好模型后，进行材质编辑和场景灯光设置。然后对模型进行渲染，使模型到达真实实验仪器的效果。还可以根据虚拟实验需要制作三维动画。 2.2 交互程序设计 采用Unity 3D、VRML、Virtools等虚拟现实开发软件进行交互程序设计。首先导入制作好的三维模型，创立虚拟实验场景。场景包括程序的界面、声音、文字、图片等；然后对实验仪器、药品等三维模型添加动作、事件等要素。其中动作包括模型的移动、旋转、缩放、切换视角等；事件包括模型对鼠标、键盘的响应等交互事件，当用户执行某个操作时，能够对该操作做出正确响应。

6、2.3 程序发布 在完成虚拟仿真设置后，需要将程序发布生成可以独立运行的虚拟实验程序。一般可以生成单机的虚拟实验程序，也可以发布成为网络格式，使学生可以自己在电脑操作虚拟仿真实验，随时随地做实验、学习实验步骤。 3 生物化学虚拟实验的优势和存在的问题 3.1 虚拟实验存在的优势 虚拟实验教学在培养学生的实践能力、研究能力、创新能力和综合素质等方面有着其他教学环节所不能替代的独特作用。一个能够模拟真实实验的虚拟实验平台既能促进学生的学习兴趣，又能够让教学过程从课堂得到延伸。虚拟实验比单纯的文字、图像更加形象、生动、完整、便于理解和记忆，它模拟了真实实验环境，可以提高学生的学习兴趣和学习积极性；而

7、且虚拟实验不受时间和空间的限制，可以自由学习，不受实验室、讲师约束，学生可根据自己的情况安排学习时间，随时随地的学习，有很大的灵活性；虚拟实验还突破了传统实验教学场地、材料和实验仪器的限制，可以大量学生同时进行虚拟实验，能够节约现实教学资源，共享教学设施，提高学生实践操作能力；对于一些危险性较高的实验或是不具备条件开展的实验，通过虚拟实验的学习可以使学生掌握这些实验的根本内容。 3.2 虚拟实验存在的问题 因为生物化学和虚拟现实技术是两个完全不同的专业领域，两个不同专业人员合作才能开发出真实、实用的虚拟实验软件。软件设计必须要符合真实实验的过程，还要有原理讲解和步骤说明，这需要生物化学教师把握

8、；而软件的开发还要考虑学生使用该软件的能力，操作要简便。如何促进生物化学专业教师和多媒体开发专业人员交流合作，共同开发实验软件是目前需要解决的问题。 4 总结 虚拟仿真实验的开发将能够有效缓解学校在经费、实验室、仪器等方面的缺乏和困难，而且利用网络进行虚拟实验教学可以突破传统实验对时空的限制，无论是学生还是教师，都可以自由、随时随地上网进入虚拟实验室，进行操作仪器、实验学习，有助于提高实验教学质量和学生学习的积极性和主动性，网上虚拟实验室的开发与应用将会对实验教学改革产生重大的影响。 【参考文献】 【1】李彩虹，丁航， 邱文峰，等.虚拟现实技术在医学生物化学实验教学中的应用策略研究J.中国教育技术装备，2021：126-127. 【2】张丽娟，古同男.虚拟网络实验室带动生物化学教学模式改革J.实验室研究与探索，2021：192-194.