稳定同位素前处理及测试虚拟仿真设计

高春霞 胡松

摘 要：穩定同位素技术是广泛应用于海洋生态学研究中的一项重要生化示踪技术，针对海洋生态学实验教学中存在的因该技术前处理复杂、测试仪器和实验成本昂贵等因素导致的无法推广教学这一困难问题，设计了相应的前处理和大型仪器虚拟仿真实验操作模块。结合现代化仿真技术构建多元化的虚拟仿真实验平台，通过实现鱼组织样品干燥、粉碎、称量及同位素仪器测试的虚拟仿真过程，加强教学过程的直观性、可视性和易操作性，不仅保护了精密仪器，避免了资源浪费，更便于学生理解，优化教学效果，激发学生的学习兴趣和创新能力，最终达到学生能独立上手进行同位素样品实际测试以及独立开展科学研究的目的。

关键词：虚拟仿真   实验教学   稳定同位素   前处理和测试

中图分类号：X52             文献标识码：A

Virtual Simulation Design for Pretreatment and Testing of Stable Isotopes

GAO Chunxia  HU Song*

（College of marine and sciences， Shanghai Ocean University， Shanghai， 201306 China）

Abstract： Stable isotope technology is an important biochemical tracer technique which is widely used in marine ecology research. In view of the difficult problem that the teaching can not be promoted in the experimental teaching of marine ecology due to the complex pretreatment and the high cost of testing instruments and experiments of this technology， virtual simulation experiment operation modules of the corresponding pretreatment and large-scale instruments are designed. Combined with modern simulation technology， a diversified virtual simulation experiment platform is constructed， and through the realization of the virtual simulation process of drying， crushing， weighing and isotope instrument testing of fish tissue samples， the intuitiveness，  visuality and easy operation of the teaching process are strengthened， which not only protect the precision instruments and avoid the waste of resources， but also make it easier for students to understand， optimize the teaching effect， and stimulates students' learning interest and innovative ability， and finally achieve the goal that students are able to independently carry out practical testing of isotope samples and independently carry out scientific research.

Key Words： Virtual simulation; Experimental teaching; Stable isotope; Pretreatment and testing

海洋生态学是海洋学科人才培养的重要课程[1]，而稳定同位素技术现已成为海洋生态学中的重要技术手段，被广泛应用于海洋生态系统中追踪基础碳源和食源、构建食物网营养结构和示踪污染物等研究中，在海洋生态系统营养动力学领域以及渔业资源管理学科中应用前景广阔[2]。与传统食性技术相比，稳定同位素技术的优点在于对海洋摄食生态学以及生态系统中食物网结构、营养关系共存等问题进行定量化研究，揭示生态系统结构和功能的动态变化规律[3]。目前该技术与生态学、环境科学交叉融合已经产生出稳定同位素生态学这一独立的新分支学科，应用于医学、农业、生态、环境科学和法医学等研究领域[2]。稳定同位素测定依赖于同位素质谱仪，该仪器是检测行业的重要精密仪器，掌握样品前处理和质谱操作技能将有助于学生在今后的科学研究以及检测行业等具有无限广阔的前途。

实验教学关系到人才培养的实践能力和创新能力，传统的实验教学模式受限于各种条件的约束，学生只能在限定的时间和地点完成特定的实验内容，极大地制约了学生研究能力的培养[4]。鱼类稳定同位素测试是海洋生态专业实验教学的重要组成部分，然而稳定同位素样品前处理和测试过程具有多项微观实验步骤，其操作环节繁琐、关键实验步骤难以把握、实验耗时长、仪器设备台数与实验室空间不足、仪器设备精密以及实验成本昂贵等问题都严重制约着学生全程参与实践教学。虚拟仿真实验是近年来兴起的新的教学方式，采用虚实结合、以虚补实的教学方法弥补实体教学的不足，促进教育的不断创新，目前已经在多个教学领域得到广泛使用[5-9]。该实验设计依托上海海洋大学雄厚的科研积累和水产科学国家级实验教学示范中心以及大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室，通过虚拟仿真技术，将同位素前处理以及样品测定实验过程中微观的操作宏观化，通过反复地操作来加深学生对实验过程和精密仪器机理的理解，提升学生的实验动手能力和自主学习的能力，为学生独立的科研能力培养奠定基础。

1   设计策略

1.1   实验设计目标

稳定同位素仿真实验的首要设计目标是紧贴教学大纲，满足学生反复多次实验需求，弥补实验中不能到现场操作实际设备的短板，其次是促进学生快速掌握不同生物样品的组织处理方法和精密仪器的操作方法，培养学生具备良好的实验素质。在人工智能、网络技术、传感技术和人机交互技术等现代化信息技术的指导下，结合海洋学和水产学的学科特点，利用虚拟现实技术构建高度仿真的二维或三维虚拟实验环境和实验对象，提高科学实验的可视化程度，使学生感受真实的现场沉浸，突破传统实验的时空界限，实现与虚拟对象的自由交互，从而调动学生进行实验的主动性和积极性，使其能够获得真实的体验，激发学生的学习热情，达到事半功倍的教学效果。

1.2   实验设计原则

稳定同位素虚拟现实技术仿真实验需要遵循一定的设计原则，具体如下。

1.2.1 科学性原则

稳定同位素在自然界中含量较低，因此对实验测定过程中的各项科学操作精度都要求较高，故科学性是此次实验设计中必须要遵循的首要原则和最根本的原则。虚拟仿真实验的内容、过程与方法要遵循稳定同位素前处理和仪器操作、测定的真实过程，所有仪器构造、图表绘制、操作步骤等均要求科学性和合理性，“凡事预则立，不预则废”，科学的实验设计不仅提升了学生的真实感受，而且有助于学生掌握科学的实验原理和技术。

1.2.2  交互性原则

交互性原则是虚拟仿真实验的重要评价指标之一[10]。所有模拟场景制作逼真，学生在自然状态下与虚拟环境的实验对象进行交互，使学生产生真实环境的感受和体验，强烈的沉浸感进一步促进学生的主观能动性，吸引学生真正融入实验中，可以通过自主练习训练其操作技能，达到实验教学目的。

1.2.3  开放性原则

建构主义理论强调学生是学习活动的主体，而虚拟仿真设计为学生提供了不受时间和空间限制的实验环境；另外，教师也可借助相关模块了解学习效果，形成学生—教师双向交互、互相反馈的教学循环，实现了学生主动学习和协作学习的目的。

2   主要虚拟模块与功能

2.1   实验平台

同位素虚拟仿真实验平台主要依托上海海洋大学国家远洋渔业工程技术研究中心、大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室、农业农村部大洋渔业开发重点实验室、海洋科学与技术实验教学示范中心等实体平台，遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则[11]，结合学科和技术的优势、特色，借助现代化计算机、多媒体、视频、图像、人机交互等信息技术，综合运用元素分析-稳定同位素比质谱仪、超声波清洗仪、冷冻干燥机、冷冻混合球磨仪等操作界面为基础数据，开展样品的干燥、粉碎、称量等前处理实验以及同位素测试等实验。

2.2   主要功能模块

同位素测试虚拟仿真实验的主界面（见图1）分為学习模式和考核模式两种，方便学生的学习以及后续的技能考核，两种模式中实验步骤相似，但步骤操作方式由指示性操控转变为无指示操控模式，从而达到锻炼学生的实验技能目的。选择模式之后进入菜单界面，学生可以较快了解到菜单界面内容包括实验菜单栏、系统功能、信息提示栏和模式切换，清楚操作的具体位置。

整个虚拟仿真操作界面简单明了，左侧为实验菜单工具栏区域，学生通过点击按钮获取实验简介、设备和样品认知、实验步骤、模式以及视频资料等信息，其中实验简介模块（见图2）向学生详细阐明该实验的目的和实验意义，让学生在学习之前深刻理解稳定同位素技术在海洋生态学研究中的重要地位以及掌握这项技术的重要性。

为了能让学生尽快熟悉实验环境以及更快地掌握后续操作，通过设置设备认知和样品认知模块（见图3）来达到这一目的。在样品认知模块，向学生展示摄食生态研究中的常见样品类型，如鱼类、虾类样品，向学生描述不同种类特征、其样品肌肉的采集位置以及采集中的注意事项，高度逼真的3D建模保证了仿真的真实性和交互性。在设备认知模块中逐一向学生展示样品前处理过程中涉及冷冻干燥机、超声波清洗仪、冷冻混合球磨仪等重要仪器的知识，并且以360°立体展示仪器构造，加深学生的记忆以及通过三维技术提高他们对实验的兴趣，寓教于乐。

认知模块之后带领学生进入实验步骤模块，该模块通过将每一个操作步骤虚拟化，学生在线学习每一个操作步骤熟悉实验流程，达到真实教学的效果。模块中再细分出5个实验步骤（见图4），学生在学习过程中可以根据实际需要重复学习某一步骤，这样能够极大地提高教学效果。考虑到实际操作过程中存在一些注意事项和实验细节（如样品包埋过程）以及为了进一步巩固学生的认知，增加视频资料模块（见图4），针对其中4个实验模块录制视频来展示操作过程及其注意事项，从视觉上进一步加深学生对实验步骤的记忆和梳理每个步骤的细节之处，以视觉和虚拟实体感觉相结合的方式加深学生对实验的熟悉程度以及提高学生的理解力，真正做到让每一个学生都能理解和操控实验，具备专业的实验技能。

该实验中应用到的仪器种类较多，包括冷冻干燥机、冷冻混合球磨仪、百万分之一的精密天平和元素分析-稳定同位素比质谱仪，为了让学生更快熟悉仪器操作，如前所述，在虚拟仿真设计中，通过设置仪器设备认知模块、仪器虚拟操作步骤模块和视频资料模块来提高教学效果，尤其是在仪器虚拟操作中，通过虚拟仿真技术将仪器操控软件界面（见图5）展示给每一位学生，学生的操作犹如实体操作，相比实景操作学生只能远观，无法人人操作的弊端，该技术让每一位学生身临其境，对高效教学的辅助贡献巨大。

在学生的操作阶段，该虚拟仿真实验还设计了针对每一步骤对应的不同考核题（见图6），以检验学生的操作成果，这样不仅加强学生对实验的理解，也有利于提高学生的独立思考能力。

3   设计特色及教学效果

稳定同位素测试仿真实验具备高度逼真的三维空间、仪器构造和科学的模块设计，这是本实验的主要特色之一。本着“以学生为中心”的教学理念，将传统的以教师PPT授课为主的单一灌输式模式变更为鼓励和引导学生自主学习，将实验场景从图片中转移到高度仿真的虚拟环境中，通过开放式和交互式的方式，有效锻炼和提升了学生的学习技能。该虚拟仿真设计通过设置实验流程模块让学生们学习样品前处理仪器及质谱仪操作知识、了解实验操作流程，掌握实验关键技术要点；通过设置考核模块加深学生对仪器的理解和提升对遇到问题的解决能力。整个虚拟仿真实验教学过程虚实结合、以虚补实、循序渐进，教师的“教”水到渠成，学生的“学”融会贯通，这种实验教学新模式有效地调动学生学习的积极性，增强学生的实验动手能力，充分发掘学生的创造潜能，提升学生的综合素质。

在该虚拟仿真实验中对各资源模块进行了合理化设计，包括设置清晰明了的导航栏目、学习过程直接跳转到指定模块、操作模块高亮化、微观实验视频图解等，初学者按照界面导航指引，有条理性地进行学习，促进学习资源的最大化利用，有力避免了无效学习。同位素测试仿真实验的交互性促进了学生对同位素实验原理、操作步骤及理论知识的掌握，更通过提供反复练习的环境為学生在学习过程中构建出“已有知识深化—难点问题分析和解决—形成新知识”的良好学习循环，这种高效的交互性不仅拓展了学生对知识理解的广度和深度，也提升了其分析和解决问题的能力。

4   结语

随着现代信息化技术的不断发展，虚拟仿真教学通过逼真的三维立体表现形式将抽象的实验过程形象地演示出来，最大限度发挥了虚拟资源的优势，极大地提升了教学效果，未来将会成为海洋科学和水产学领域实验教学的重要手段。学生通过虚拟仿真互动实验学习掌握稳定同位素样品前处理及测试方法、质谱仪等常用仪器的操作规程，为学生的创新思维和动手能力培养奠定坚实的基础。通过在线网络开放式自主学习、师生讨论和自我测试，熟悉科学研究的过程等，对稳定同位素技术进行了直观深入的探索，满足虚拟仿真实验教学目标，最大程度提高学习效果，起到寓教于乐的良好效果。

参考文献

[1]吴海龙，徐军田，赵亚婷.虚拟仿真教学在海洋生态学研究生实验教学中的应用[J].科学咨询（教育科研），2021（2）：96.

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[4]田东亮，钱建刚，翟锦，等.创新能力培养为导向的大学化学实验教学改革[J].实验室研究与探索，2022，41（2）：219-223.

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[7]吕凤岐.新文科背景下虚拟仿真一流课程建设探索[J].文化创新比较研究，2021，5（21）：57-60.

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[9]占玉林，许江辉，何畏，等.智能建造虚拟仿真实验教学平台建设与探索[J].实验技术与管理，2022，39（6）：227-232.

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