虚拟仿真实验在生物化学实验教学中的应用

(新乡医学院三全学院 基础医学院，河南 新乡 453000)

生物化学是医学类院校的专业基础课，以实验性为主要特征，除要求学生掌握抽象、驳杂的基础理论知识、紧跟技术的最新进展外，更要求学生将实践和理论相结合，着重培养学生的灵活思维、观察和动手能力。相应的实验教学也是特别的重要，用于帮助学生深入理解基本原理，培养学生的综合素质。然而各高校实验教学长期存在资源匮乏、实验项目单一并长期未做改变、学生不重视等问题，导致生物化学实验教学满足不了当代技术大爆发的需要。

在虚拟仿真实验的开发过程中，构筑出一个综合多种工具和技术的信息化、网络化的集成环境，利用此虚拟场景，用户得以高效利用世界上分布的各种数据、信息、设备等资源[1]，为生物化学的实验教学提供全新的教学思维模式和更便利的学习机会。

一、传统实验教学的缺点

临床生物化学的传授，实验教学极为重要，直接影响到人才培养的质量。目前，本课程的实验教学存在如下问题：

(一)实验内容单一

临床生物化学实验中常应用有毒、腐蚀性的试剂，基于安全目的，学校通常选择相对低危险性实验组织教学，造成实验项目选择范围窄，甚至是过时的、废弃的技术。

(二)固定设备投入巨大

近年来生物、医学技术发展迅速，涉及到的设备更新快、价值高。而受体制陈旧、经费紧张等因素影响，国内多数高校科技前沿知识、前沿技能应用较少，难以开发和开展新实验[2]。

(三)时间和空间对传统实验教学的限制

传统实验教学通常以3—6名学生为一组，既使上课时间也不能保证每位学生都能参与实验所有的操作。课上没学会的，学生想继续学习或者练习，却受到场地、器材、耗材的限制而无法进行。

(四)学生动手能力差

实验课前，由教师完成实验设计和准备，以实验“醋酸纤维素薄膜电泳”为例，缓冲液配制和设备调试均由教师完成，学生在课堂上学习操作后，只需按要求进行点样、电泳、染色和脱色后就能得到结果，一般不会有大问题出现。而学生仅仅是“照葫芦画瓢”，且未全程参与实验的全部环节，无整体思维，更无发现问题、思考问题和解决问题的环节。故在临床工作中遇到相似的情景，也无从检视原因和恰当解决。

二、虚拟仿真实验技术概述

虚拟仿真实验技术是虚拟现实技术中的一类，是通过模拟现实实验环境的综合性集成技术。通过虚拟仿真实验，实验者可以操作虚拟的实验工具，完成各类型实验。由于虚拟仿真实验的发展潜力巨大、应用前景广阔，国内外许多高校和机构纷纷开展虚拟实验教学平台的构建、具体实验的设计和制作，其中部分高校已经具备临床医学的虚拟仿真实验平台和实验，如北京协和医学院、南京医科大学、浙江大学等。但是临床生物化学虚拟仿真实验并未受到重视，也没有现成的虚拟实验平台可供选择。

(一)虚拟仿真实验技术的优点

1.有利于学生素质的培养

利用虚拟实验平台，学生可以全程参与文献查找、设计实验、准备材料、配制试剂、操作实验、分析讨论等环节，按照个人的理解和设计进行实验操作，同时允许学生出现操作错误或实验失败，使学生勇于动手和探索，有利于学生创新能力的培养[3]。

2.有利于提高效率、降低消耗

在传统生物化学实验中，学生需要重复实验，以得到更好的结果，但这样浪费实验耗材，导致实验时间延长。运用虚拟仿真实验，通过多次的虚拟实验操作锻炼提高学生操作的熟练度，从而减小实验误差，进而得到更为准确的实验结果；不仅为实验教学顺利进行提供时间保障、消除空间限制，同时也可以降低实验消耗。

3.避免安全隐患

传统生物化学实验中，学生难免会接触到有害、有毒试剂，且易发生实验事故，如被家兔或小白鼠抓伤。利用虚拟仿真实验练习，学生不会接触到上述危险因素，而且虚拟仿真实验平台可以通过多方式多途径预防安全事故的发生，如实验室安全准入制度、实验安全警示，从而使学生对危险因素有充分的认识和警惕，进而降低或杜绝安全事故的发生。

4.实验项目的更新更快

在教学经费相对有限的情况下，应用虚拟仿真实验可通过模拟先进的实验设备，完成虚拟化的实验内容，发挥专业优势，克服实验条件落后等问题，同时将最新的医学技术引入实验中，确保实验教学的先进性。

(二)生物化学虚拟仿真实验模块的构建

虚拟仿真实验一般有两种不同形式：非交互和交互式。非交互式虚拟仿真实验是指学生可看该实验的内容,但不能自己动手操作,如一些演示性的虚拟实验场景。交互式虚拟仿真实验是指学生不仅可以观看该实验的场景,还可以运用鼠标等输入设备对整个实验进行实时控制，此类型仿真实验较前者有诸多优点,如操作性强、参与感佳、随机性好、实时效果优等。

下文重点讨论交互式虚拟仿真实验的构建策略，它通过将虚拟的、仿真的实验平台与网络技术相结合,为生物化学实验课程的发展提供远景方案。总的来说虚拟仿真实验成本低、功能全,又能满足远程教学跨越地域的要求。

1.建立三维数字模型

依据真实仪器的数据，工作人员采用Unity 3D、VRML、Virtools等三维建模软件制作数字模型，由视觉上的真实性，确保虚拟模型的协调尺寸比例和外观与环境的适应性；此外三维模型要尽量减少面数，删除冗余的点面，同类模型应合并以降低设计的复杂程度，提高运行模型的速率。开发完成三维模型，编辑材质、设置场景灯光后，对模型进行技术渲染，以达到真实实验仪器的效果。

2.生物化学实验模块的开发

开发常用的临床生物化学实验模块，如细胞核的分离纯化、DNA的提取、PAGE、PCR等作为一级界面，点击进入实验目的、原理、过程、步骤、注意事项等二级界面，如点击步骤可进入三级工作台界面。学生依照提示，通过鼠标等完成模拟实验工具移动，如试剂配制、样品添加等实验操作。多次操作仿真实验的过程有利于学生对基础理论的理解，同时能极大提升学生的实践操作能力。

这种虚拟化的实验平台，使生物化学中一些有污染、花费高的实验项目，如凝胶电泳、液相层析等实验项目能够反复实践，有利于学生更好地掌握实验知识和技能。

3.开发交互程序

工作人员在设计交互程序时，采用虚拟现实开发软件VRML、Unity 3D、Virtools等进行，制作完成仿真三维模型后导入，虚拟实验平台得以建立，包括桌面、图像、文字、音频等；之后对三维仿真模型添加要素比如动作、事件等，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，当学生执行某个要素时，能够对该要素作出对应的响应。

4.运行程序

完成虚拟实验平台的构建后，发布程序生成可以独立运行的虚拟程序，生成单机模式或联网模式的虚拟平台，也可以兼而有之。利用计算机，学生可以进入虚拟实验平台，随时随地模拟操作，便于实验内容的预习、温习。

三、教学结果分析

2016年以来，新乡医学院三全学院开始分阶段、分批次采用虚拟仿真实验进行教学，在实验课程教学上取得明显效果。实验课程结束后，我们采用试卷测试和问卷调查进行期末教学效果评估。

(一)试卷测试结果分析

将2017级和2018级临床专业两届的8个班级学生各分为两组，第一组学生在进行生物化学实验操作前，进入仿真实验平台模拟操作，完成后进行实际实验环节，称为“实验组”；第二组学生按照传统方法教与学，由教师讲述原理、演示操作，学生观摩后进行操作实验称为“对照组”。学期中间穿插两次技能测试，最后进行理论测试，考核的内容着眼于查找文献、设计实验、技能掌握、原理应用与问题解决以及课堂表现和实验报告等其他方面。结果显示：实验组学生的总成绩较对照组提高7.5分，在考核项目等所有方面实验组学生的成绩均明显高于对照组(见表1)。该考核结果直接表明，应用虚拟实验室指导学生练习操作技能，可明显提高学生的综合素质，同时激发学生的学习热情，提高教学质量。

表1 2017级和2018级期末实验成绩分析结果

(二)问卷调查结果分析

每学年教学实践结束，针对开展虚拟仿真实验的班级，发出“虚拟仿真实验对学生操作技能培养效果的调查问卷”，2017年发出问卷63份，实际回收62份；2018年发出问卷68份，实际回收65份。两年合计结果如下(表2)。

表2 虚拟仿真实验对学生操作技能培养效果的调查问卷

四、结束语

实验教学与理论教学相结合，着重培养学生的动手能力，同时将虚拟仿真实验带入实验教学中，使学生由”要我学”变为”我要学”，不但有助于加深学生熟悉基础知识、积蓄创新意识，同时丰富教学内涵、拓宽学生的视野，发挥学生学习的主观能动性；也摆脱了传统实验开展在时间和空间上的束缚，有效缓解学校在经费等方面的不足，紧跟医疗新技术的步伐，有着传统实验无法比拟的优势。

采用虚拟仿真实验的实验教学，学生可自由进出虚拟实验室，进行操作仪器、实验学习，虚拟仿真实验的开发与应用将会对传统实验教学产生巨大的冲击。但是虚拟实验室仅为真实实验教学的辅助，不可能产生真实的实验数据，故实验教学的内容不能全部采用虚拟仿真实验。因此，在规划、构建当前实验教学体系时，要求教师加强实验资料收集和资源整合，协调现实实验教学与虚拟仿真实验的比例，达到优化医学生物化学实验教学体系的最佳效果。