医学生物化学实验平台的搭建

张晓敏 孙晓鑫

1.华北理工大学 生命科学学院 河北 唐山 063012；

2.华北理工大学 机械工程学院 河北 唐山 063012

1 设计背景

第一次将虚拟实验室概念是1989年由william wolf教授提出的，把它定义为：一个综合各种工具和技术，能够使用它们从时间上突破地区和空间上的限制，并且能够使用者自由地分享和整合数据来开展实验。国内的现代化虚拟实验室建设虽然目前起步较晚，但近年来也已经得到了新的蓬勃发展，一些高等学校也已经开始尝试创设自己的虚拟实验室[1-2]。

虚拟实验室主要有交互式与非交互式两种类型，其中非交互式虚拟实验室的实现相对简单，但效果稍差，交互式虚拟实验室操作性强，效果优[3]。本文着重讨论交互式虚拟实验室的创设工作。

1.1 设计的必要性

虚拟生物实验室是将教学展示在了搭建的三维环境中，运用到传统生物教学中将产生深刻影响，本文就生物化学实验：DNA的提取与鉴定，对虚拟生物实验室的搭建等题目进行描述。

1.1.1 避免传统实验室可能的风险，安全环保。本实验所涉及的异丙醇和氯仿均不同程度的会对人体产生危害，在进行部分操作时稍有不慎，不仅会威胁到学生们的人身安全，还可能将污染物表露在空气中，从而对环境有着不可逆的破坏。因此，本实验如若不简化实验方法，很难在本科实验教学中进行。

但是在虚拟生物实验室，学生通过反复地练习，可以大大降低失误的概率，从而解决该问题。此外，学生还可以在操作不当时及时终止实验，在保证安全的情况下，有效提高学生的实践动手能力，提升实验教学效果。

1.1.2 不再局限于时间和空间上的限制，能够有效提高教学水平并且降低教学成本是网络的开发性使虚拟生物实验室得以面世，它让教学过程不再受限于时空和试验的次数，师生能够在不同的时间和地点进行参与。实际教学中本实验所用到的紫外灯操作较为烦琐，反复开机不仅损害机器，还会浪费大量的电能。通过运用虚拟生物实验室，可以极大地降低设备材料的支出、能源消耗的无形支出、实验室的建设支出以及设备维护的支出，能够减少真实实验室中对于设备的依赖性，降低实验经费的消耗。

1.1.3 营造多样化的学习场景，进一步调动学生的学习积极性。随着时代的发展和科技的进步，学生的学习方法经历了三个阶段，分别是程序化学习、课件化学习、网络化学习，而目前已经到达了智能化学习阶段。远程教育网络化教学已经得到了很好的推广和应用，其中最为核心的组成部分是虚拟教室。虚拟生物实验室综合了图像、文字、声音以及动画等信息，形成了与部分范围的现实环境在视觉、听觉等方面均比较相似的数字化环境。此外，通过鼠标、键盘等与之进行交互，使学生感受到身入其境，能够充分激发学生的学习兴味，进而调动起学习的主动性。

1.2 现有产品分析

虚拟实验室的起点是1985年美国国立医学图书馆进行的人体解剖图像数字化研究，成长 至今，国内外涌现了大量技术成熟的实验室：德国Ruhr大学的网络虚拟实验室、麻省理工学院的Web Lab远程实验室、nobook虚拟实验室、中南大学的虚拟实验平台、北京大学的地球科学虚拟仿真实验教学中心等[9]。

从现有的这些虚拟实验室进行分析，我们不难发现，计算机、应用程序和仪器硬件组成了虚拟生物实验室的虚拟仪器系统。它们具有很多共同的特点：①都是以日趋成长的计算机技术为基础，具有良好的先进性和准确性。②均为软硬件联合的方式，进行功能模块重组配置，具有良好的灵活性和开放性。③均通过网络输导和远程控制，具有时空上的可扩张性。

基于此，我们设计的虚拟生物实验室主要运用3DStudioMAX、VisualStudio、JavaScript 等软件。

1.3 对于现有教学的帮助及局限性

现存的虚拟实验室在远程教育和重复实验上均有精彩的表现。

①教学方式灵活、方便。虚拟实验室教学不同于传统的单一教学模式，它能够提供给学生各式各样的实验内容，学生也可以根据自己的需求选择实验的内容，随时随地多次练习实验操作[10]。 ②低成本的特点有利于进一步发展。虚拟生物实验室可以进行资源的共享， 引进该教学方式可以为校内外的各学科普遍使用，能够节省大量低水平的资金损耗，有益于整体上改进办学条件，提高讲习水准。③符合我国国情。我国幅员辽阔，教育水平极不均衡，在科教兴国的指引下，虚拟实验室可以为教育水平低的地区提供更好的机会。

虽然大部分高校已经涉猎虚拟实验室的研究，但现如今还存在着很大的局限性。

①缺乏团队合作交流。在现实实验室操作过程中，大多为团队协作完成，通过整个实验操作过程也可有效的锻炼学生的团结协作能力，有利于学生们各自发挥自己的长处。而在虚拟生物实验室中，是学生自己进行操作，缺少团队意识的培养。因此真实实验室应与虚拟实验室相互促进，这样才能更好地培养新型创新型人才。②不能完全体现现实。虚拟生物实验室因为是在虚拟环境下进行的一种虚拟实验，结果通过大数据得出，但实际实验过程存在着大量的不确定要素，例如人为误差和设备材料误差等，都可能会对结果产生影响[5]，所以并不能完全反映现实过程，因此我们要客观看待虚拟实验室，不能完全依赖虚拟实验室，而只是将它作为辅助教学的工具进行使用。③受技术研发的限制，模式较为单一和封闭。由于研发人员技术不成熟，很多 操作无法实现，使实验模式较为单一， 从而使师生间的互动大大减少，也限制了学生们的部分思维方式， 所以下一阶段的任务应向沉浸性更强、方式更多样的方向发展。

2 设计流程

2.1 用户分析

虚拟实验室面向的对象主要是老师和学生，对他们进行需求分析。在学校除了统一安排实验操作，学生很少有机会实际操作学习，在网上观看视频体验性差，学习效率低，很多情况老师也无法解释。

目前现有实验学习软件用户体验性差，交互性低，无法很好满足用户需求。虚拟实验方便学生学习，同时也能让老师更好的教学。

2.2 系统设计

2.2.1 平台设计内容和方案。本项目的模型搭建是以实验室的实际布局为模板，按照真实的实验过程进行交互操作，充分使学生身临其境，为学生提供了一个内容多样、环境真实、并且可以全程进行独立操作的虚拟仿真实验平台。在本平台，学生大致了解实验室的实验环境的同时，还可以学习本实验的基础知识，从而并进一步熟悉实验操作方法，能够锤炼学生的动手能力，为进行实际的操作奠定了扎实的理论根本[4]。

以DNA的提取与鉴定为例，如果依旧通过传统的教学方式（ppt讲解）进行实验的原理的教授,学生在整个学习过程中始终处于被动的状态，很难真正的沉浸到该实验中，使学生的学习积极性大幅下降，而实验操作方法的生疏和数据分析能力的不足，使学生很难将学到的知识实际运用到对实验结果的分析中[7]。

针对于此，本项目利用现代信息技术，使用3D Max等工具制作了仿真资源：模型、动画等，运用 C语言并通过WEBGL工具进行了程序的开发[6]，最终整合形成DNA提取与鉴定的虚拟仿真实验教学软件。使用本软件，学生可以预习实验内容，自主学习该实验的实验目的、实验原理、实验操作过程中的注意事项等，当然，这个过程为“互动式”的。当学生完成该步骤后，可以通过视频进一步的学习实验的基本操作步骤和方法，本软件也能够模拟实验操作中的每个步骤，并伴有提示文字及解释申明。在学生掌握了整个实验的流程之后，可以进行在线操作。在该过程中，如果学生出现了操作的失误，软件会弹出提示框并指出错误点。在学生使用该软件时，实验中会缓存数据并对数据进行一定的处理，最终生成对应的结果（谱图、计算结果）等，学生可以分析实验得出的结果，从而得出相应的分析报告。

2.2.2 实验过程及设备使用情况。

2.2.2.1 实验材料的选取及处理。

→取一块肝脏，放到研钵中研碎；

→取容量为 1.5ml 的离心管，将研磨液倒入；

→用微量移液器取450ul裂解缓冲液、75ul的10%SDS和3ul的蛋白酶K至离心管，混匀。55℃，3h（期间将管子颠倒多次） 至过夜；

→用微量移液器取 150ul的NaCl至离心管；

→调离心机设置：8000rpm，20min，并将离心管放入（注：要保持平衡），启动；

→在离心完成后的离心管中取出 500ul 的上清液至另一离心管，并弃去沉淀；

→向500ul的上清液中加入500ul预冷的异丙醇溶液，将其混匀，在20℃下静置30min；

→调离心机设置：14000rpm，10min，将离心管置入，启动离心机。

2.2.2.2 DNA的提取[8]。

→倒掉上清液，沉淀加70%酒精洗涤离心，室温挥发酒精5-10min，加TE500ul，加10ulRNAase，在65℃下，保存15min；

→取等体积酸液至离心管中，来回颠倒10min，直接放入离心机中，启动；

→用移液管取出上清液至另一离心管（注：勿触两张之间白色的蛋白层） ；

→加入等体积的酚，颠倒混匀，静置10min，置于离心机，启动；

→在另一离心管中加入上清液，再将等体积的氯仿加入，轻摇混匀，静置10min，置于离心机，启动；

→在离心管中加入上清液，再依次加入1/10体积2M NaCl和等体积的在-20 ℃下保存的无水乙醇，静置10min；

→调离心机设置：13000rpm，5min放入离心管，启动；

→去上清，加入125ul70%酒精，离心，小心倒掉酒精，用70%酒精再洗一次，然后45℃烘箱烘干25min，用双蒸水沿管壁沿四周冲洗（在80-250ul之间），溶解12～24h，-20℃保存备用。

2.2.2.3 DNA鉴定。

→在锥形瓶中放入适量的琼脂糖粉末，再加入适量的0.5×TBE电泳缓冲液，将锥形瓶放入微波炉，并加热，直至完全融化，摇匀锥形瓶中的液体并冷却至约 60℃，加入适量的溴化乙锭；

→ 用透明胶带将一块有机玻璃制胶版槽四周封严，将胶液滴入，使之填补胶带与胶槽之间的间隙；

→水平放置胶槽，把梳子插在其中一端，缓缓将已冷却至60℃左右的胶液倒入胶槽内，当胶液彻底凝固后，垂直拔起梳子，并将透明胶带小心撕下，再将胶槽放入电泳槽内，并使加样孔的一端置于靠近阴极的一端。向电泳槽内滴加0.5×TBE电泳缓冲液，直至液面覆盖过胶面即可；

→将待检测的样品按缓冲液∶样品＝1∶5的比例在洁净载玻片上小心的混匀，将混匀后的液体依次加入到加样孔中（使用合适量程的移液枪）；

→将电泳仪和电泳槽接通，并通电，调节稳压输出（≤5V/cm），开始电泳；

→ 注意蓝色条带移动的距离，即溴酚蓝的移动距离。当条带移动到间距胶槽的边沿约1cm时即可停止电泳，切断电源；

→ 染色：把胶槽取出，并水平放置于一张保鲜膜上，再放入EB溶液中， 完全浸入约30min。将一张保鲜膜平铺在紫外透视仪的样品台上，并赶去其中的气泡，然后把已染色的凝胶放在上面。关闭样品室室外门，打开紫外灯（254nm或360nm），并透过观察孔观察[11]。

虚拟仿真平台DNA提取与鉴定资源库建设框架如图1所示：

图1 虚拟仿真平台DNA提取与鉴定资源库建设框架图

2.2.3 平台搭建技术方面的研究内容。

2.2.3.1 建立数据库。为了开发和维护的便利，应用平台将对数据库的访问都封装进了DBUtil类中。首先数据库中可以封存每个用户的登录信息，用户进行登录操作时都需要将登录信息与数据库中的内容进行比对，如果登录信息正确则继续。另外，数据库中保存着建立的模型、材质、贴图之间的对应关系，确保程序能够正确找到对应的文件。

根据DNA提取与鉴定的实验需求， 搭建平台的第一步骤为设计和建立数据库，分为器材库（电泳仪、电泳槽、板槽、离心管）、试剂库（琼脂糖、电泳缓冲液、双蒸水、氯仿、NACl等），生物组织库（肝脏、组织、血液）、实验场景库、用户信息库（登录账号、密码、邮箱)。

2.2.3.2 搭建步骤。初始化3D场景：主要包含以下几个模块：创建着色器对象；得到顶点着色器和片元着色器源码；编译着色器创建程序对象；为程序对象分配着色器对象；连接程序对象。

在场景中放置着许多类型的实验材料，如器官、组织、血液，学生可选择不同的材料作为实验。采用射线拾取法用于存储和记录捕捉到物体，声明射线拾取物体数组以及射线相交对象。

2.2.3.3 实验步骤。

function single(equ){ Equ.step;//准备实验If(hcy&&DNA==1)// 如果已经加

入待测、缓冲液

if(equ instanceof Transmission){

//到传递设备equ.hasElectric = true;

//使其带电if(equ.canMove){

//允许电流通过

if(equ instanceof KaiGuan){

//开关可以接很多导线CalToSingle(equ.output);}}}

//递归调用

else if(equ instanceof Output){

//到输出设备equ.hasElectric = true;

//使其带电equ.isShow = true;

If(color==blue)(如果观察到溴酚蓝的移动）

{

If (distance==1)//当移动到1cm 处

equ.hasElectric = true//停止电泳

}

Equ.color// 上色Equ.打开紫光灯观察

}

2.2.4 视频制作。动画将使用 MAYA 和 3D Max完成动画的建模、材质、灯光、渲染等步骤。后期将通过Adobe After Effects、Adobe Premiere 进行后期的视频的剪辑配音配乐等。

图2 技术路线图

2.3 实验检测

针对学生是否能根据教师安排进行该实验，在进入实验课程后进行点击模拟操作，在操作过程中虚拟实验室能够显示出相应实验的设备、试剂和题目，且能完成相应的操作。测试结果为操作成功。

3 创新性分析

3.1 教学模式新颖，为实验提供了新场所

融合仿真技术、多媒体技术与虚拟技术，能够创设与现实实验不同的虚拟生物实验室，是一种新型教学模式，不仅改善了实验教学的教学环境，同时还激发了学生学习兴趣，能够有效增强学生的跨学科的意识。可以资源共享，具有高效性在资金有限的情况下，虚拟实验室可以创造一个相对灵活先进的实验教学环境。实验的教学不再局限于课堂中，动手操作的空间和时间得到了延伸，使全国各大高校教学水平和教学质量大幅提高。

3.2 供给了一个操作简便、交互性强的学习实验技能的操作平台

多媒体技术、仿真技术等有机结合形成了虚拟生物实验室，尤其是多媒体构建的图文并茂的人机交互方式，使之成为一个操作简便、交互性强的平台。

3.3 具有可延续性

伴随着高新技术的不断发展，教学改革也加紧了步伐，为满足教改的需求，实验课需要不断再设计与补充，这体现出了虚拟现实技术具有良好的二次开发性，这有效减轻了从新开发实验致使的资源浪费问题。先进的计算机技术是虚拟生物实验室的中心内容，这也增加了前沿学科知识走进实验教学课堂的可能。虚拟生物实验室作为传统生物实验教学模式的补充和扩展，具有鲜活的生命力。虽然现有技术存在一定的缺陷，但希望本文能给读者一些启发，共同使虚拟生物实验室技术趋于完美。