“biochemistry cells”生化学习互动程序设计的实践与思考

余其奕，金俊昌，张一东，宋潇达，李植

（中国药科大学，江苏南京 211198）

随着科技的发展，计算机辅助教学逐渐成为一种新型的教学方式，其中尤以虚拟仿真实验最受学生的欢迎，但是市面上没有关于生物化学的计算机辅助实验软件。近年来，模拟经营类游戏的受众面越来越广，已经延伸至高校学生群体，目前已有将游戏化设计在教学中应用的案例[1]。

受以上案例启发，课题组将生化知识与计算机辅助教学结合，融入模拟经营类游戏元素，设计开发出一款学习互动实验软件——“biochemistry cells”。

1 技术路线设计

1.1 软件开发流程

通过应用2D平面游戏开发引擎“唤境”开展生物化学学习程序的研究。为更好地完成生化学习软件的制作，实验小组成员对生物化学与分子生物学各反应原理进行相关研究，寻找出具有典型性并易于展示的基本内容，最终从自身实际经验出发，综合学生对生化学习的反馈，考虑到开发难度，决定选择生物氧化为制作内容。通过比对市面上多种开发软件的优劣，进而对开发软件进行了广泛筛选，以突出更强的可操作性和更好的视觉冲击，综合考虑到引擎的使用难度，采用“唤境”引擎开发2D平面展示部分。

“唤境”引擎实现了对游戏场景的搭建以及生化基本反应的表现。在编写过程中，课题组成员对二维细胞及线粒体2D平面模型进行素材收集绘制，以完成程序场景搭建。在第一图层（细胞）中，实验使用添加按钮的方式，在细胞图层中的线粒体上添加事件，通过细胞图层中的可选部分线粒体跳转至第二图层（线粒体）。在细胞图层中需要突出体现线粒体的轮廓，方便用户进行识别与点击。在线粒体图层中，实验将预设各类参数，图层上方展示预设的各类参数变量，这些参数变量包括生化反应所需的典型原料与反应条件等。线粒体图层中通过安放按钮并加入条件设置，完成“交易”功能。线粒体图层中的“交易”界面以图层上方的各类参数变量为基本“交易单位”，程序可通过“交易”事件展示生化反应的基本要素与流程（见图1）。

图1 交易界面

2.2 软件设计

考虑到细胞中线粒体的代谢活动以及学生学习生物化学的实际需求，开发人员选择围绕细胞呼吸-电子传递链这一生物氧化中不可或缺的组成部分构建相关的程序。同时考虑到ATP是能量流通的主要形式，本程序以ATP的变化体现生物氧化反应的进行。

电子传递链通过复合物1～复合物4来传递电子，程序的核心是在一次生物氧化反应中，通过调节复合物参数来影响电子的传递，从而改变反应最终的结果——ATP的生成量。因此，开发组将4种复合物设置为核心参数，用以控制反应。使用者在一次电子传递开始前，可以在相关的界面内消耗已有的ATP，控制细胞合成复合物并使其参与本次的电子传递过程。同时调控界面内也有相关的知识介绍，让使用者在直观感受生物氧化反应调控的同时也能收获到相关的生物化学知识。

细胞所处的环境会对细胞的代谢活动产生影响，因此开发人员引进温度作为环境变量，同时引入解偶联剂变量作为平衡温度影响的手段。温度会对线粒体中电子的传递和细胞呼吸产生很大的影响，例如当温度过低时反应效率大大降低，此时可以消耗ATP主动解偶联平衡温度的不利影响。引入外部环境因素和内部应对手段，可以让使用者直观地感受到生物体对外界环境的应答与适应性，在了解相关知识的同时对细胞的“动态平衡”有更深的理解。

为了保证程序的科学性并符合实际，经过测试人员认真测试并反馈，开发人员多次严谨论证调整参数，在保证程序的科学严谨性同时确保不影响趣味性。同时为了增加程序的趣味性和挑战性，开发人员针对此部分设置了特定目标（可选），即在规定反应次数内生成特定数量的ATP，这使得学有余力的同学能够活用收获的知识，探寻反应的可能性，让学生在使用程序的过程中既能学习到生化知识，又能感受到生物化学的趣味之处。

2.3 软件使用方法

在进行生物氧化反应之前，操作者可以消耗细胞中已有的ATP来调整参与此反应的4种复合物的数量，以此控制反应的产物量（主要为ATP）。反应产生的ATP可以用于调整下一刻反应，也可用于细胞中其他场所的反应。同时下一刻反应受上一轮反应的结果反馈，并影响更下一刻的反应。

3 软件的测试及结果

3.1 实验设计

招募有生化学习经历的3个班级学生作为测试者，每个班级为一组，随机分为3个测试组。测试组1使用“biochemistry cells”生物化学学习互动程序；测试组2观看有关生物氧化知识的视频《电子传递链Electron transport chain》[2]，综合考虑游戏时长和视频时长，决定学习时长均为8 min；测试组3不进行任何形式的复习。在实验结束2 min后，利用手机平台发布测试：生化互动学习软件成果测试问卷，测试内容为有关生物氧化知识的考题（共8题），匿名提交，不公布成绩与错题，并叮嘱测试者不要查找正确答案或进行复习，将3个测试组得分进行统计。测试组1另做一份关于生化互动学习软件评价的问卷，并对本软件发表看法。

3.2 结果与分析

最终收集了共59份生化互动学习软件成果测试问卷的反馈，其中测试组1有12份、测试组2有19份、测试组3有28份，汇总统计结果如图2所示。实验结果表明，测试组1和测试组2平均成绩提高明显，分别较测试组3高出10.13%和22.61%。平均成绩的提升表明使用“biochemistry cells”生物化学学习互动程序对生物氧化的知识掌握有着明显的促进作用。

图2 生化互动学习软件成果测试问卷成绩

4 改进方案

收集到的游戏评价中，部分测试者认为参与感不强，建议增强程序的可操作性和趣味性，结合测试结果显示测试组1的平均成绩低于测试组2，认为此程序现阶段开发部分较少，编程功能有限，无法完全做到游戏的趣味性和学习程序的教育性相结合，此软件现阶段还不能完全代替经典的生化教学视频的作用和地位。大多数测试者给出了积极的评价，愿意推荐给他人，并期待着此软件的进一步更新。课题组充分吸取了实验得到的经验和建议，对本程序做出了如下改进。

4.1 使用3D游戏开发引擎

目前，2D平面游戏开发引擎“唤境”功能较少，只能展示平面结构，不能将各个生物大分子及细胞器直观地展示出来，项目中预期的设想无法完全用此引擎达到。经过项目组的调研，Unity 3D以及配套的3D建模软件3D Studio Max可以满足展示立体结构和复杂变换等功能，足以满足现阶段项目的需求。

项目组成员学习了3D Studio Max建模方法，联系了会使用Unity 3D的开发人员，目前于2D游戏上的思路正在逐步嫁接到3D平台上，并出现了显著的成效。如图3所示，3D引擎的使用使得生物大分子结构更加清楚，生化过程更加清晰，更有益于使用者对生化知识的理解。

图3 使用Unity 3D建模后的3D细胞图

4.2 增加程序趣味性

部分测试者认为此程序趣味性不强，建议增强程序中教育功能和游戏趣味的结合。如图4所示，项目组进行了初步的尝试，暂时加入了一个小游戏板块。在每一轮调整参与反应的4种复合物的数量之前，增加一个操纵细胞“捕捉”葡萄糖的小游戏，时长为20 s，捕捉到的葡萄糖用于接下来的ATP合成。这个环节的设置，在不失教育性的情况下增加了游戏环节，增添了本程序趣味性。今后，会考虑继续借鉴当下热门游戏的玩法，在软件持续开发过程中保持游戏环节的比例，使得本软件更加吸引使用者，提升用户友好性，让生化学习不再枯燥单调。

图4 模拟细胞摄取葡萄糖数据变化统计界面

5 结语

在软件开发时，小组成员认识到该应用程序具有高度的拓展性与兼容性。此设计思路不但可以应用于生物化学的学习中，还可以拓展至医学药学等相关学科。例如，针对神经细胞、干细胞、肝细胞、视锥细胞等细胞的类似应用的开发；引入“对抗”机制，开发细胞与病原体的对抗，让使用者对病原体的致病性有一定的了解；引入“突发事件”，还可以将病理学和药理学结合起来，产生新的玩法；将宏观的组织和器官与微观的细胞相结合，运用生化知识，结合策略类游戏玩法，让生理学、细胞生物学、生物化学有机结合，从而让使用者对机体的正常生命活动有一个全面而清晰的认识。