虚拟仿真在生物化学实验教学中的应用与探讨

张亚琴,张 颖,张 伟,裴丽丽,陈园园

(1南京医科大学基础医学院生物化学与分子生物学系, 南京 211100; 2南京医科大学口腔医学院口腔医学专业; 3南京医科大学康达学院基础医学部生物化学与分子生物学教研室)

生物化学是生命科学领域中的重要学科,也是医学院校重要的专业基础课程。学生通过对生物化学与分子生物学的学习,从分子水平上认识生命现象的本质[1]。实验教学作为生物化学学科学习重要的组成部分,其教学质量和成果不容忽视,好的实验教学方式能培养学生严谨的科研态度和良好的创新思维。所以很多高校已经尝试将虚拟仿真技术应用到教学中。虚拟仿真技术在21世纪初开始在虚拟实验领域占据研究前沿重要地位,它由服务器、网络、虚拟实验软件和客户端构成,用户通过局域网或互联网访问服务器完成虚拟实验操作[2]。虽然这种方式已经在各高校基本普及,仍然存在亟待完善的地方。

1 生物化学实验教学现状以及虚拟实验融入教学的意义

生物化学这门学科的特点是系统性、抽象性、联系性较强,难度较大,发展迅速。生物化学实验课是医学院校的本科生主干基础课,在整个医学生的教育体系中占据重要地位,学习难度较大,在目前我国各高校的教学实践中也面临着严峻的挑战。这种挑战主要体现在以下几个方面:①为了让学生掌握生物化学实验常见仪器的使用方法及基本实验技术,传统的生物化学实验教学的主要模式是验证性实验,这种“告诉-验证-应用”的教学模式高度固化;②实验教学采用简单传统甚至落后的实验技术,与现代技术发展及研究的实际需求脱节;③实验室场地及经费有限,无法引入一些昂贵的试剂耗材,落后陈旧的仪器设备或仪器配置数量不够等情况都会影响实验开展,限制学生主观能动性的发挥空间;④教学管理的难度和学时限制等都是实验教学有效进行存在的阻碍[3]。

为了提高医学院校生物化学的实验教学水平,激发学生的创造力,培养本科生的科研能力并提高科研素养,搭建及完善标准虚拟仿真实验教学平台意义重大。国内,包括我校在内的一批医学院校已经初步完成了生物化学的虚拟仿真实验平台的建设,但在项目的精细化和丰富程度等方面仍然不足。

2 生物化学虚拟仿真实验平台概述

2.1 虚拟仿真实验的设计与框架

虚拟仿真即基于网络和虚拟现实技术,在计算机上构建全系统统一的第一人称交互场景,通过键盘、鼠标等输入设备实现人机交互,采用逐帧动画技术刻画实验中的变化场景,将各种精密仪器参考实验室中仿真设计,采用接触式设置,以达到高度写实效果。例如在小鼠肝脏组织总蛋白的提取虚拟实验的操作界面中,学生鼠标点击运行玻璃匀浆机后,匀浆机就开始对肝脏组织进行匀浆,戴上耳机可以听到仿真匀浆机运转的声音,机器转子高速旋转,机器中肝脏匀浆液的外形、颜色随之发生相应变化。教学着眼于实验步骤和具体技术操作的设计,表现形式包括录像、Flash动画、图片、声音,辅以适当的文字说明和注解[4]。平台采用第一人称视角。在对实验整体有基本了解后,学生进入操作界面,通过鼠标点击拖拽选择,对虚拟对象进行各种操作来观察、参与实验,掌握DNA琼脂糖凝胶电泳、分光光度计、离心机、微量移液器、凝胶层析、SDS-PAGE等基本实验的操作,并且能更深入地把握复杂实验整体框架脉络。为了激发学生的主动性和兴趣,实验操作过程中加入了各种简单的互动模块,包括操作提示、试剂说明、分区讨论等。实验过程还包括剂量计算和操作细节问题,例如基本的样品浓度和质量的换算,在配制2%琼脂糖凝胶时,选择溴化乙锭(EB)的加入时机和剂量,还有仪器参数的设置,都需要学生来思考和调节。操作完成后,学生记录下实验数据,在三级界面进行简单的绘图、结果的记录以及分析,对一些存在疑问的地方进行思考和讨论。

以多聚酶链式反应扩增实验为例(图1),学生在实验中除了可以在虚拟仿真实验平台操作,还能在反应时进行微观观察,从原理和机制上更加理解PCR。PCR的基本工作原理就是以拟扩增的DNA分子为模板,在引物的参与和DNA聚合酶的作用下,按照半保留复制的机制合成新的DNA。不断重复这一过程,可以使目的DNA片段得到扩增。因而PCR技术可使DNA的合成量呈指数型增长。

图1 PCR虚拟仿真实验平台结构框架

首先,平台采用一个视频介绍实验背景及其日常应用,可以结合时事热点,然后引入主题-PCR。PCR的原理和步骤在第一次学习时并不容易透彻理解。在此之前,教师在理论课上已经讲授过体内DNA合成体系及酶促反应动力学,可以先以PPT或者动画的形式回顾这方面的知识。在学生整体了解了聚合酶链式反应是一种在体外扩增待定基因或DNA序列的方法后,教师可以以3D动画的形式来展示DNA变性、引物退火、引物延伸以及几次循环的微观过程。学生观看后,教师可以就细节抽取提问,比如循环几次能扩增出目标基因等。学生可以绘图以加深理解,同时检验自己的掌握程度。然后,学生可以选择反复观看学习原理相关内容,随后开始实操的学习。该部分可以在平台插入视频以及PPT,结合一个实验实例,分步骤讲解,也可以适当加入教师的现场讲述。先是反应体系的配制,可以对模板、引物、聚合酶、Mg2+等试剂的添加量以tips的形式加以解释说明;之后在操作台上由学生自行选择试剂以及使用量和使用顺序,握住鼠标就是拿起,移动鼠标就是移动试剂和器具,单击可以进行各种操作。如果增加操作杆和触摸屏,可增强和虚拟环境的交互性。此处需注意移液枪和离心机的使用,教师可以插播一个小视频。得到样品后选择PCR仪,可以使用放大镜功能放大并平面展示控制面板,让学生根据之前所学对预变性、变性、退火、延伸的温度和时间进行设定。最后,学生进行琼脂糖凝胶电泳鉴定。制备琼脂糖凝胶时要注意根据被分离DNA分子的大小选取适当的琼脂糖的含量。制备胶板以及加样电泳需要的时间较长,此时便体现出虚拟仿真实验平台的优势。平台最终呈现出实验得到的跑胶结果。学生需要对结果进行评价分析,同时进行可能的误差分析的练习,应注意区分Marker、阴性对照和目标基因的跑胶结果。

关于错误的纠正可以有两种模式:第一,在学生某一步骤出现错误的时候,平台会将知识点以动画或文字形式标出,提醒学生使其形成深刻的印象。PCR整个实验可以分为三大模块,分别为配制反应体系、PCR扩增、琼脂糖凝胶电泳。平台应具有完善的评价体系,当学生出现一些小问题时可以分块解决,比如PCR克隆基因失败时如何调整体系中模板及Mg2+浓度,进行方案的优化[5]。如果学生出现多次错误或者需要教师对症讲解时可以反馈到后台,以提高教学效率。第二,学生完整地操作到最后,直到完成实验或因为错误无法进行,平台以打分的方式进行反馈。学生结合分数进行反思,再结合平台的评估寻找错误原因,思考理解不到位的地方,这样可以留下深刻的印象,也有利于整体的认知。

在实验过程中也要有目的地融入思政内容,当前的虚拟仿真平台在这方面还有一些欠缺。比如在PCR的实验教学中,平台可以增加社会热点界面,结合核酸检测,以一个叙事客观又跌宕犀利的视频开场会更能引发好奇心,从而树立将科学技术应用于社会生活的理念。

除了基础的实验操作模块,虚拟实验平台还应包括综合性实验模块。学生根据已经学到的基础实验理论和技术以及给出的实验命题,设计综合性实验,达到融会贯通的效果。

2.2 生物化学虚拟仿真实验平台教学的实施效果

生物化学实验中,很多实验的时间跨度较长,不仅难以在限定的课时内动手操作,还会影响学生对实验的整体认知。而通过虚拟仿真实验平台,学生可以虚拟完成一些耗时较长的步骤,从而节省大量中间时间,也可以自己掌控节奏,有较强的自主感,易在脑中形成清晰的脉络和整体框架,为日后自主设计实验打下基础[6]。除此之外,与实际动手实验相比,虚拟实验的现象会更加典型和明显,学生可以直观地观察反应现象和微观进程,容易留下深刻的印象。

传统的教学模式受制于场地、时间、设备、耗材以及教学方法等因素,更新换代难度较大,难以将与科技前沿密切相关的内容及时纳入实验教学大纲,有些内容甚至与时代脱节。而通过网络平台可以很好地拓展先进的科学知识,虚拟实验平台也更便于实验方法和技术的更新。学生可以眺望科技前沿,为日后的深入研究埋下种子。

传统的实验教学受制于场地和经费,通常是几人一组共同完成一个实验,导致有些学生对别人完成的步骤一知半解,同时主动性不足,影响教学效果。在虚拟仿真实验室进行教学时,学生使用鼠标和键盘等操作仪器,不会有试剂的消耗和器材的损耗,可以节省大笔经费[7]。并且一些由于场地、安全等制约因素在实验室无法完成的实验都可以借助虚拟仿真实验平台操作,拓展了实验项目,有效调动学生的能动性,有利于学生兴趣的培养和思维拓展。

生物化学实验中许多常用试剂都具有一定的毒性,例如核酸琼脂糖凝胶电泳实验中用到的溴化乙锭(EB),其作为一种强诱变剂,可致畸或致癌,废液处理不当,也会造成安全隐患;SDS-PAGE实验中用到的聚丙烯酰胺可能残留的单体丙烯酰胺也是一种致癌物。教师采用虚拟实验就能避免操作失误而出现的一些意外状况,有效保证实验安全,也能放心让每个学生都有机会上手操作一些因危险性原本只能观看教师演示的实验。

3 虚拟仿真实验平台的建设与应用探讨

3.1 设备更新

设备方面可以增加操作杆和触摸屏。比起间接输入的键盘和鼠标,触摸屏和操作杆是更自然直接的交互方式,在生物化学实验的情境下,可提高操作效率,带来更自然、沉浸、随心所欲的优良体验。当然成本问题是横亘在前景之前的不可忽视的障碍之一。但随着技术发展,未来技术成本降低是必然趋势。

3.2 贯彻虚实结合、以实补虚的原则

重要的一点是,教师和学生在应用时首先都需要充分认识到这个平台是一个理想化的实验环境,不会受到现实中很多外界因素的影响,而这种过程在现实的实验室中是难以实现的。比如WB实验在实际操作中就会因为抗体、封闭液质量、电泳温度、电压等各种因素得不到理想的条带,而这些问题在虚拟实验中都不会发生。并且各种实验仪器操作的手感也无法与真实实验相比。所以学生如果完全依赖于虚拟仿真实验而不进行实际操作,可能会造成“纸上谈兵”的情形,不利于培养分析和解决实际研究中遇到的各种问题的能力。在日后对平台和技术的不断优化中,教师可以对这方面进行进一步的探索,精进3D虚拟技术,提升虚拟仿真平台的可感知性[8]。总而言之,很多实验还是要尽可能回归真实环境,从而获得更具真实感的手感和体会。虚拟仿真实验平台更多是对实际的动手操作起一个补充的作用。

3.3 增强交互性,贯彻探索性原则

每个学生单独进行虚拟实验操作,可能会变成单机实验,互动不足。为了解决这个问题,教师可以在每个实验开辟一个互动论坛,可以是针对实验的整体思考,最好能标记到具体的实验步骤。每个学生进行到这一步时就能打开思路,各抒己见,有利于碰撞出思维的火花。教师也可以针对某个操作以视频或文字形式进行讲解和延伸,更契合学生的学习进度和知识摄取的需要。

为了进一步增强交互性,系统或教师将学生用户进行分组,设计深度交互方式,应用新的虚拟仿真技术和网络传输技术,在虚拟仿真实验中适时进行画面传输和语音交流,实现远程、异地、多人协同互动[9]。

3.4 开设开放性创新实验模块

学生学会简单的基本实验知识和技能后并不一定能灵活地实践应用,而且在简单的实验操作中,留给学生分析思考的余地很少,所以在阶段学习后,教师可以开设一个综合实验或者开放性创新实验模块。在现实可能要耗费大量人力物力的实验在虚拟实验平台会变得更容易实现。

以现有资源为基础,由教师给出需要解决的命题,让学生以解决某一个问题为核心,自主设计实验,培养学生分析解决问题的能力,而不仅仅用于基本实验技能的培养[10]。以复杂问题为导向,学生在电脑上选择基本操作模块,确定可能会用到的仪器和试剂,然后利用这些虚拟物品进行可行的操作,模拟实验评价和结果,形成感性认识,以培养一定的团队合作意识和科研创新意识。或者由学生在学习过程中自己寻找发现一些问题,然后自行设计实验对这些问题进行探究,在对实验设计的自主探索中,可能会迸发出创新灵感,有利于后续研究。

3.5 建设通用型的虚拟技术开发平台

虚拟实验研究平台通用性不足,技术繁多,存在重复分散开发的问题[11]。这会直接影响医学领域各高校虚拟实验平台的统一性,造成一定的资源浪费。虚拟实验教学资源也缺乏标准的建设、应用、共享模式研究,需要加强技术整合和平台资源共享,完善共享机制[12]。

4 沉浸式虚拟现实技术的应用构想

考虑到技术和成本问题,目前教学领域主要应用的是桌面式虚拟仿真实验系统,在二维平面显示3D图像,但其无法感知动作的方向和力度,与真实的手感有较大差距是它无法忽视的缺点。比如最简单的微量移液器的使用练习中,学生无法感知按压的力度和第一、二停点的位置,因此这些基本操作无法在虚拟平台得到有效锻炼。沉浸式虚拟现实对软硬件以及其兼容性要求较高,现阶段并未广泛应用于大多数教学科目。但因其多感知互动、完全沉浸感和真实感的优势,在生物化学实验教学领域有良好的应用前景。研究表明,沉浸式虚拟实验更有助于培养学习者的技能迁移能力,并且活跃型学习者在虚拟的实验环境中表现出更多的动作类交互行为,强化了三维视觉体验及视觉加工,形成高临场感,可以构建身心一体的环境,更适合启发式教学[13]。

Maciel A等开发了一个虚拟基本腹腔镜技能训练器(VBLaSTTM)系统[14],这是一个集成的视觉-触觉工作站环境,包括两个幻影®OmniTM力反馈设备和3D显示界面,具有真实的图形渲染和高保真触觉交互;阿姆斯特丹口腔医学中心牙科学术中心(ACTA)和Moog公司联合研发的Simodont系统,模拟患者的各种不同口腔问题,是应用于口腔医学教学的虚拟模拟器,研究证明有利于技能的提高[15]。沉浸式虚拟现实系统已经在一定程度上应用于多种临床实验及医疗培训,但对于基础实验教学的应用还研究甚少。

沉浸式虚拟仿真实验中,学生可佩戴头戴式VR显示器用以封闭视觉和听觉、戴上定位追踪手套以获得虚拟触觉,通过力反馈设备等输入相关指令,计算机获得这些数据后反馈到生成的实验场景中,具备高度实时性,带来与真实世界趋近的体验和感受。得益于更高的临场感,学生可以从各个角度观察实验演示,会比视频和现场演示获得更好的效果。在虚拟世界内,学生如同现实实验室中一样与各种模型进行交互,添加试剂,操作仪器,进行离心、电泳、凝胶层析等基本实验操作,观察实验现象,验证结果。相比平面式,学生能更好地应用于实验基本技能的训练。教师可以在系统中为每个用户设计一个生命条,每当学生出现不当或危险操作时扣除生命值,起到警示作用。同时系统可以对学生的操作进行过程打分,便于学生得到详细的反馈,在反复试错中加深印象,得到个性化的学习体验。此外,沉浸式虚拟实验不应是现实中生物化学实验任务的简单搬运,需要根据虚拟环境中具身认知发展的特征,进行个性化的教学设计,开展以每个学生为中心的开放性探究式教学活动。

总之,沉浸式虚拟实验可能成为一种新的教学手段,但对此的研究甚少。随着沉浸式虚拟现实硬件设备的不断发展,设备的价格逐渐趋于大众化,配套的软件开发技术也逐渐成熟,开发应用于生物化学领域的沉浸式虚拟仿真实验系统已成为可能并有待推广。

总体而言,将虚拟仿真技术应用于生物化学实验教学,可以突破场地、时间、设备等的限制,更好地服务于医学教学,促进学生创造力的发展和科研素质的提高,但平台还需要进一步的建设和完善,以便更好地与教学相结合。另外,虚拟实验也要和实践相辅相成,于虚拟和真实之间找到一个平衡。本文提到的沉浸式虚拟实验随着技术的发展,在生物化学教学中的应用或许会成为未来的一个发展方向。