虚拟现实技术在微生物学实验教学中应用研究

刘远，薛晨，熊明华，张辉，王光利，李 峰

(淮北师范大学 生命科学学院，安徽 淮北 235000)

伴随互联网技术和多媒体技术的不断发展，教育部依据《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》指出，从2013年开始启动国家虚拟仿真实验教学中心建设.VR技术(Virtual Reality)，即虚拟现实技术，是指用户与三维环境通过计算机软硬件技术直接进行通信的一种虚拟环境，同时使用户具有沉浸感[1].虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面.随着当今计算机图像处理水平的不断提高，计算机3D建模技术不断完善，VR教学在教学领域走进高校实验室真正成为可能，当VR在教学中普及时，将会深化高校教学改革，激发学生自主学习积极性，实现体验式教学.随着VR技术的不断发展完善，将进一步推动教育的发展.

在本科阶段学习培养微生物实验操作过程中，微生物学实验作为最基础的课程，有着特别的实验技术和实验方法，包括准确使用显微镜观察微生物、无菌操作、纯种分离等.微生物学实验的教学质量和效果对学生的基本实验操作能力的培养具有重要作用.然而，过去微生物实验教学主要采用传统的教学模式，主要体现在教师对实验原理和方法的口头讲解，以及学生动手实践过程中教师辅助指导.这种传统模式充分体现了教师是教学活动的中心和主体，而学生则缺少学习的自觉性，难以调动学生学习的能动性和创造性，限制了学生创造性思维能力和基本微生物学实验操作技能的提高，不利于高层次的创新型人才培养[2].

虚拟实验室是通过虚拟现实技术构建虚拟化的实验仪器、虚拟化的设备和虚拟化的场景，以软件的形式展现的物理实验过程的应用系统.虚拟实验室由实验课程、虚拟器材库、网上管理系统等组成[3].学生在进行微生物实验中遇到准备工作复杂、实验周期长、或实验本身要求精准，难以达到理想状态下的试验条件，虚拟实验室就体现出其明显优势，实验效率高，实验消耗低等的优点.淮北师范大学生物学虚拟实验室教学中心应用VR技术在微生物学实验教学过程中的实践经验为虚拟现实技术在实验教学中的应用提供借鉴.

1 VR技术在微生物学实验教学的特点

1.1 拓展课堂实验教学，优化教学内容

学生在VR环境中对传统微生物实验进行熟练操作，将实验教学内容进行整合，对重点，难点多次操作练习，使微生物实验灵活性增加，实验教学内容得到丰富，不受传统硬件条件的制约.很多新的实验难以操作，结果难以实现，而通过虚拟技术则克服了这一缺点[4].

1.2 提高微生物实验教学效率.

当前的实验课堂教学，由于实验教学课程操作步骤繁多，在过程中容易因注意力不集中导致步骤出错，而且教师不能顾及每个学生，难免导致教学效果不理想.通过学生在虚拟实验中的互动，教师可以对模拟操作的过程进行实时的观察与记录，准确地记录学生实验过程中所犯的错误，判断学生对某些知识点的掌握程度，有针对性地加强相关理论和实验指导.在虚拟实验室中，每个学生因在沉浸教学中提高了积极性，成功率得到提升，学习效率也大大提高.

1.3 提升微生物实验资源利用率

由于传统微生物实验需要大量载玻片、平板、染液、酒精等消耗品，实验室消耗巨大且循环率低.用VR技术取代传统实物实验，节约了消耗品的开销和成本，更加环保.另外，一些具有危险或者不易观察的实验都可以通过虚拟实验实现，安全性得到提升[5].

2 VR技术在微生物学实验教学的应用

2.1 设置虚拟实验教学计划，整合实验教学资源

VR技术在微生物学实验教学中的应用要切实遵循“虚实结合，能实不虚”的原则，根据实验教学目标，系统地设置有关虚拟仿真实验课程，优化现有实验教学体系，合理恰当安排相关教学实验在整个实验教学体系中的比例，切勿盲目，要让虚拟仿真实验与传统实验教学相得益彰，取长补短，从而提升教学质量和教学效果[6,7].同时，需要把虚拟仿真实验课程纳入到课程目录之中，科学系统地制订和实施相应的教学计划.按照微生物学实验教学目标和要求，教师预先将实验内容以及带有规范化操作方法的课件、三维图片和教学视频等资源共享到虚拟实验平台上，学生可以登录平台预习相关知识，比如实验原理、实验过程以及仪器操作等，这将帮助学生在真实的实验过程中尽量避免错误操作，熟练且快速地掌握操作方法和理论知识.

图1 生物学虚拟实验教学中心登录窗口

2.2 构建虚拟现实技术软件平台

在传统计算机系统的帮助下，用户便可以在通过软件构建出来的三维虚拟现实立体场景中体验到美妙的感觉.近年来，随着虚拟现实软件平台快速发展，科研团队对VR技术研究和开发也越来越深入，国内一些专门从事VR产品的公司也陆续研发了自己的平台，比如北京中视典公司的VRP以及上海创图公司的webmax等.在实验过程中，学生主要通过操作鼠标和键盘来观察多媒体系统设备，并通过计算机屏幕对多媒体设备进行实践练习[8,9].淮北师范大学生命科学学院已初步建立起生物学虚拟实验教学中心(图1)，目前主要涵盖6个不同研究方向的教学平台.凭借该虚拟实验教学平台，课前预习、标准化和综合设计实验等自主学习型内容可由学生经学习端自行学习，此外，管理端可向教师提供对教学资源和考试的管理等，兼顾下载实验课件、提交实验报告以及师生互动等功能[10].

2.3 微生物虚拟实验平台的构建

VR技术冲破了时间和空间的限制，通过计算机网络学生可以随时随地自主地进行实验操作.平板划线分离法是细菌接种技术中的一个常规操作，整个过程步骤较多，操作要点繁杂，传统的教学方式主要是由指导教师操作演示，学生在旁观察与学习，但学生观看的角度不同，对实验操作的个人理解不同，导致掌握的实验操作技能常常不是很理想.学生可以通过虚拟仿真平台进行一系列完整步骤的学习与操作.

根据生物专业学生的知识结构以及普通高校的教学现状确定要构建的微生物学虚拟实验教学资源，要从以下几方面进行考虑：(1)微生物学实验基础技术训练，包括移液器的使用、培养基的配制、显微镜的使用、离心机的使用、灭菌锅的使用等实验设施，虚拟化形式表现出来的三维实验场景，主要凭借Flash、3DMax等软件中的图片、音频以及视频统一在一起，让学生在更加真实的实验环境下模拟完成预定的实验内容.(2)分子生物学实验的基础操作主要涉及聚合酶链式反应(PCR)扩增和扩增产物的克隆、酶切、核酸凝胶电泳、纯化和鉴定以及感受态细胞的制备和转化等.(3)综合型和设计型实验训练，此部分实验操作复杂、周期较长，并且受到课时、仪器设备等的限制，学生一般无法参与实验的所有流程.例如抗药性突变株的筛选实验.通过虚拟实验平台学生可以预先了解该实验的目的、原理，并且基本掌握从设计实验到分析结果的整个实验流程(图2)，有利于培养学生逻辑思维能力和严谨的科学态度.(4)创新型实验训练，该部分是针对比较优秀的少部分学生开设，用于进一步提升创新能力，鼓励学生运用开放思维，提出创新型问题，分析实验的可行性，然后进行实验设计，在VR平台上完成创新型实验，在提升学生创新能力的同时，实现创新型人才的培养.

图2 抗药性突变株的筛选虚拟实验的流程图

3 VR实验室发展中存在的问题

近年来，伴随着电子计算机和VR技术的快速发展，各国家基本已进入“虚拟现实”时代.教育部正在大力推进国家虚拟仿真实验教学中心的建设，与此同时明确指出虚拟仿真实验教学的运用是高等教育信息化和实验教学示范中心建设的重要内容.虽然形势一片大好，但VR技术仍然处于发展的初级阶段，一些学校已经有相关的平台建设，但并没有发挥出真正的作用，在 VR 技术方面暴露出的问题还是比较明显的[11].首先，相关的技术并不是很成熟，从图像的逼真程度、屏幕的刷新及分辨率都有待提高，并且空间定位追踪技术和交互技术标准不统一.其次，虚拟教学内容不丰富，优质的 VR 教学课件并不多见，多数都是根据需求定制，这样必然导致开发费用高昂，使人望而却步.最后，涉及的VR 行业的厂商过多，以近年来高校实验设备展出情况来看，厂商都在尝试利用 VR 方式进行实验教学，导致投入到市场上的 VR 设备质量良莠不齐，一部分低质量产品给体验者带来了不好体验.还需要进行市场自我调节.

4 结 语

微生物学虚拟实验教学模式是以现代化的教学方式拓展课堂实验教学、优化实验教学内容，提高了实验教学效率和实验资源利用率.与传统教学相比，虚拟实验教学的优势主要在于虚拟仿真以及网络信息化技术将丰富的声音、动态化图像以及多彩的文字结合在一起，更加直观地展示出多种实验技术与实验仪器设备的基本原理和操作流程，更大程度上激发学生自主学习的积极性，学生在实验过程中出现的问题也可以更加及时地被老师了解，有助于学生接受更有针对性的指导.此外，在接下来的虚拟实验教学平台建设中，还需要加强VR技术与课堂教学的区分与结合，努力做到互为补充、扬长避短，并且大力推进虚拟实验教学资源的建设，以促进实验教学模式的多元化发展.