生物技术虚拟实验室建设的思考

郭健+刘微+董媛+朱洁+许会静

摘要生物技术实验存在着周期长、成本高以及生物安全性的问题，致使生物技术专业的实验教学受到制约，教学质量下降，急需引进新的实验教学模式和技术。虚拟实验室利用计算机、网络及仿真虚拟技术为使用者提供形象逼真的实验场景，能激发学生的学习兴趣，节约教学成本，保证实验教学的安全性，提高生物技术实验室的开放性和灵活性。因此，生物技术虚拟实验室的建设对于生物技术专业的发展是十分必要的。

关键词生物技术；虚拟实验室

现代生物技术是一门理论抽象、知识繁多、技术要求严格的学科，因此实验教学至关重要。在实验教学上注重培养学生的观察能力和动手能力，尤其应注重理论和操作技术结合，将抽象内容具体化。在传统的实验教学中常因教学场地、设备、经费、师资力量或生物安全性等因素的制约，导致实验教学不完善，学生的操作机会匮乏，实验技术能力差，对理论知识的理解也不透彻。因此，如何改建设生物技术实验室，从而改进生物技术实验课程，提高该课程实验教学质量，值得深入思考。近年来，随着计算机网络技术的不断发展，虚拟实验室逐渐被引入生物技术实验教学中。利用虚拟实验室教学与常规教学相结合，开展人机交流互动，已成为现今实验教学发展的新方向。

1虚拟实验室发展概况

1.1虚拟实验室的概念

虚拟实验室（Virtual laboratory）的概念最早是由美国弗吉尼亚大学的教授William Wolf提出的，是指借助图形或图像、网络技术和虚拟仿真技术等技术，建立一个计算机网络化的虚拟实验室环境。在这个环境里，用户可以随时进入虚拟实验室，用鼠标来操作仪器和进行实验，模拟真实试验台上的手动操作。虚拟实验室可通过网络技术实现不同地域，不同学科之间仪器设备、资源和数据的共享，甚至是相互之间的远程控制。

1.2虚拟实验室的发展现状

早在1985年，美国国立医学图书馆就已将人类尸体进行CT和MRI扫描，建立了“虚拟人体”系统，作为医学相关学科的辅助教学。1995年，出现了“虚拟青蛙解剖实验”，实验者可利用虚拟手术刀对青蛙进行解剖，清晰地观察到内部组织结构。2003年，中国第一军医大学完成了国内首例女虚拟人的数据采集。由于虚拟实验室的应用前景广阔，很多国家，特别是国外的一些著名大学都进行了虚拟实验室研究与建设的工作，并已投入使用，如：霍华德·休斯医学研究所的心脏病实验室，约翰霍普金斯大学的虚拟工程与科学实验室，意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室等；国内部分高校已开始筹建，涵盖了广泛的科研领域，如：清华大学的工程力学虚拟实验室，浙江大学的物理虚拟实验室，中国农业大学的网上虚拟土壤作物系统实验室，北京维拓启创信息技术有限公司的虚拟解剖实验室系统等。

2建设生物技术虚拟实验室的必要性

虚拟实验室教学模式与传统教学模式相比，具有多样化、效率高、易操作、灵活性强、安全性高的优势，能够为学生提供各种教学内容，提高了教学效率和教学质量，从而在各高校得到广泛的认可。

2.1教学环境多样化

虚拟实验室构建的虚拟教学环境可为学生提供实验设计、实验操作、数据分析等模块。虚拟实验室综合图像、动画和声音来对真实的生物实验过程和现象进行模拟，使学生有沉浸感。在与真实环境高度相近的虚拟实验室里，学生通过鼠标和键盘进行实验操作，不仅有身临其境的体验感，同时大大提高了学习兴趣。学生之间也可通过聊天室进行实验的讨论，或是随时利用实验平台验证学习过程中产生的各种疑问，培养学生的创新能力，充分发挥实验教学的重要作用。

2.2节省教学成本

生物技术专业常会涉及到操作步骤复杂，难度系數高的实验。学生可提前进入虚拟实验室进行演练，提高实验操作的熟悉度和精准度后，再进行真实实验，不仅节省大量课堂时间，提高实验的成功率，也降低了对昂贵实验耗材的消耗，节约实验成本。另外，在传统实验教学中，涉及到实验周期较长的内容，多数是由教师完成大部分实验，学生只操作关键部分，使教学效果大打折扣。而虚拟实验室则降低了实验对材料和设备的依赖，学生完全可以在虚拟实验平台上完成全部实验流程。

2.3提高安全性和灵活性

生物实验中往往会涉及有毒、有害、有强感染性的试剂和材料，使生物实验存在一定的安全隐患。对于在传统实验室里易造成人身伤害的实验，虚拟实验室完全显露其优势，在对学生的安全保护层面上考虑，高校建立生物技术虚拟实验室有很大的必要性。另外，虚拟实验室突破了传统实验教学模式的时间和地域的限制，在管理和使用上有着更大的灵活性。学生可以随时随地进入虚拟实验室进行操作，在平台上进行互动交流；教师也可对学生进行监督。虚拟实验室系统内可资源共享，设计性实验，积极发挥学生的创造性，提高学生的学习效率，为实验教学工作提供了极大的便利。

3虚拟实验室在生物技术教学中存在的问题

尽管虚拟实验室有诸多优点，但是与真实实验室仍存在一定差异。许多实验步骤如果只通过模拟无法反应其真实的状态，比如操作过程的手感、触感和力度等。学生即使模拟过实验流程，在实体操作过程中也难免遇到各种问题。因此，不能完全依赖于虚拟实验室创造的理想环境。另外，与传统实验室相比，虚拟实验室的计算机技术和网络技术含量非常高，因此不易开发和维护，管理者需具有充分的计算机知识，一旦计算机或者网络出现故障，虚拟实验室将无法使用。

4结论

生物技术虚拟实验室对于生物技术专业的建设和发展有着重要的意义，但是在教学过程中，应做到虚实结合。开发虚拟教学资源时，充分利用虚拟教学手段的同时，应考虑虚拟实验和真实实验的比例，才能获得良好的教学效果。endprint