从高校生物实验现状及问题看虚拟现实技术的作用

杨杰 孙丹枫

摘要：本文列举了虚拟现实技术在国内外发展的现状，并对我国高校生物实验存在的问题进行分析研究，阐述虚拟现实技术对于高校生物实验发展产生的作用，从而论证虚拟现实技术与高校生物试验紧密结合，将对解决高校生物实验现状和问题具有重大意义。

关键词：虚拟现实技术；高校生物实验；节约高效安全

1我国高校生物实验的现状及问题

我国有1983所高校，设置生命科学专业的知名高校并不多，如北京大学、清华大学、中国农业大学、南京大学等不足10所。据调研，不管是知名大学还是普通高校的生物实验室均存在以下五种难题：

（1）实验器材昂贵。高校生物课程需要做种类繁多的实验，不同的实验需要相应的仪器。大型实验需要的仪器，如一台液质联用仪，低档一点的100万元人民币，中档的在300万左右，高档的达600到700万。据调研：南京某著名“211、985工程”高校也只有102台高档液质联用仪，学生平时几乎没有机会接触到高档仪器，一般的普通高校配备此类高档仪器的屈指可数。

（2）师资队伍缺乏。由于实验室仪器的缺乏帶来的“蝴蝶效应”，使得熟悉和操作该仪器的教师和实验员寥寥无几，能够给学生传授知识的教师更是门可罗雀。对于我国高校生物实验带来的负面效应可见一斑。

（3）实验过程用时难以掌握。生物实验周期短则几分钟，长则几天、几周，如果一学期要做多次实验是不现实的。所以，教师只能选择一些具有典型范例并且周期不长的实验，或者把化学反应的过程跳过，让学生直接看做好的实验结果。由于客观条件限制，大部分的实验学生只能通过多媒体和书本“纸上谈兵”了。

（4）实验过程监督困难。生物实验需要按部就班，期间需要观察、度量、取样等等诸多工作，大量数据需要记录。据南京某高校生物实验室教师抱怨，因为教师不足，不可能去督促每个学生的实验，许多学生往往在实验过程中很粗心，导致实验结果不完整。

（5）实验过程的安全隐患。生物实验过程中经常会产生一些致命的物质、气体等，这就牵涉到安全问题。《中国教育报》上一篇《高校实验室的那些事儿》的文章，作者姜乃强先生感慨地写道，北京某校因3名博士生做实验所发生的高温熔炼炉爆炸的事故，造成了严重的影响。可见安全隐患一直困扰着生物实验，排除一些主观因素，如缺乏安全意识和不遵守实验规则，更重要的是如何在实验过程中开发出既安全又科学，效率又高的实验方法。

2虚拟现实技术对于生物实验的作用

虚拟现实技术是用计算机生成的系统，对于三维动态角色和场景进行全方位模拟，而用户则通过多种交互方式融入该系统。对于虚拟现实技术来说，交互程序和三维技术就像一组双子星，再好的交互体验失去了逼真的视觉冲击力一切努力效果会大打折扣。相反，优秀的三维作品失去合理的人机互动，同样它的实用性将被削弱。

（1）虚拟现实技术在西方国家生物实验中的地位。美国走在发达国家生物实验虚拟现实技术的最前端，一方面是由美国的人才储备决定的；另一方面与美国政府的大力扶持密不可分。在美国，虚拟现实技术在生物实验领域已经得到了广泛应用。高校之间利用网络实现学生跨校、跨州进行生物实验，搭建了一个全新的理论教学和虚拟实验相结合的平台，学生可以利用空闲随时随地的进行学习和实验。该平台系统由美国几所顶尖大学牵头，行业知名教授主持每季度输入新的虚拟实验加入系统，对于前期的虚拟实验进行升级，保证系统的数据始终位列世界前沿。每所高校把本校重点学科制作成虚拟仿真实验系统发布至平台，供全美所有高校学校使用。当然，从制作到最终验收相当严格，同样一种实验，由几所高校竞争，最终留下精品。学生只需要在平台中登录账号和密码，就可以在平台中找到自己需要的相应科目和实验，实验过程由电脑全程记录，便于教师和学生复查检验。

（2）虚拟现实技术在我国已引起重视。由于起步较晚和配套人才的缺乏，我国虚拟现实技术仍处于初级阶段。虚拟实验室系统在我国还没有成型，但一些重点高校，正在做相关的尝试。例如，2014年至2015年南京大学生命科学学院和南京锐美捷信息信息技术有限公司合力开发的“生物仿真实验系统”和扬州大学开发的鲫鱼解剖实验虚拟仿真系统等等。教育部也在大力推进各高校虚拟实验室平台的搭建与经验交流，于2015年7月初由江苏大学主办的“高校虚拟仿真实验教学中心建设与发展经验交流会”有40多所高校约300）k共同参加，对于推动我国虚拟现实实验室平台建设起到了积极的作用。

3虚拟现实技术对于改善和解决我国高校生物实验现状与问题具有重大意义

（1）低成本。传统生物解剖实验每一次都要灭杀一只动物。不仅对动物利用过于浪费，也是一笔不菲的开支。如果利用计算机制造出逼真的3D生物，诸多问题就迎刃而解了。同时，高质量的大型仪器利用虚拟现实技术制造出3D模型和模拟出逼真的实验过程，教师和学生都从中受益。

（2）高效率。某些传统生物实验过程时间长，实验监督困难。而生物虚拟现实技术可以节约时间，忽略掉实验过程中无关紧要的细节，实验结果和实验数据可以直接模拟呈现，远比传统的生物实验高效，还能提高学生的学习兴趣。

（3）安全可靠。虚拟现实技术模拟出虚拟的实验室环境，学生在反复操练中，不仅熟悉了实验过程还增强了理论知识理解，对于在实验室存在的安全隐患，系统会着重提醒，学生在今后的传统实验室中就不会手忙脚乱，这样既规避了风险，也保证实验的安全。

（4）人才培养。在新技术的发展运用上，人才处于第一位。美国著名的公司“暴雪”EA技术部有诸多华人的身影，华人在三维领域的天赋是有目共睹的。在中国其实不缺乏相关人才，缺的是不拘一格降人才的制度。我国政府每年也为此投入了大量的财力，理应跟上世界潮流，齐头并进。

（5）相互配合。开发系统平台的相关人员是做三维动画和程序出身的技术人才，对于专业性极强的生物实验不知如何人手，高校生物教师对虚拟现实技术也不甚了解。在双方缺乏沟通和理解的情况下，导致虚拟现实平台最终的成品和预期的往往南辕北辙，要么体验感不如人意，要么生物实验流程的脚本无从下手。其中问题是缺乏前期合理的策划、协调、沟通，教师需要把生物实验进行合理的分割，写出脚本，将每个环节耐心、细致地介绍给相关技术人员。而制作人员也要将相关技术介绍给教师，相互配合、相互理解、坦诚沟通，最终达到共同的目标。

综上所述，虚拟现实技术对于改善和解决我国高校生物实验现状和问题具有重大意义。在我国高校应该广泛运用此项技术，这样既能节省开支，又能将高校各科实验推向一个崭新的阶段。由此及彼，可以将虚拟现实技术延伸到其他学科和领域，这将会有力推动我国高校的科学研究大步向前迈进，培养出更多益于国家建设的人才。