從高校生物實驗現狀及問題看虛擬現實技術的作用

楊杰 孫丹楓

摘要：本文列舉了虛擬現實技術在國內外發展的現狀，并對我國高校生物實驗存在的問題進行分析研究，闡述虛擬現實技術對于高校生物實驗發展產生的作用，從而論證虛擬現實技術與高校生物試驗緊密結合，將對解決高校生物實驗現狀和問題具有重大意義。

關鍵詞：虛擬現實技術；高校生物實驗；節約高效安全

1我國高校生物實驗的現狀及問題

我國有1983所高校，設置生命科學專業的知名高校并不多，如北京大學、清華大學、中國農業大學、南京大學等不足10所。據調研，不管是知名大學還是普通高校的生物實驗室均存在以下五種難題：

（1）實驗器材昂貴。高校生物課程需要做種類繁多的實驗，不同的實驗需要相應的儀器。大型實驗需要的儀器，如一臺液質聯用儀，低檔一點的100萬元人民幣，中檔的在300萬左右，高檔的達600到700萬。據調研：南京某著名“211、985工程”高校也只有102臺高檔液質聯用儀，學生平時幾乎沒有機會接觸到高檔儀器，一般的普通高校配備此類高檔儀器的屈指可數。

（2）師資隊伍缺乏。由于實驗室儀器的缺乏帶來的“蝴蝶效應”，使得熟悉和操作該儀器的教師和實驗員寥寥無幾，能夠給學生傳授知識的教師更是門可羅雀。對于我國高校生物實驗帶來的負面效應可見一斑。

（3）實驗過程用時難以掌握。生物實驗周期短則幾分鐘，長則幾天、幾周，如果一學期要做多次實驗是不現實的。所以，教師只能選擇一些具有典型范例并且周期不長的實驗，或者把化學反應的過程跳過，讓學生直接看做好的實驗結果。由于客觀條件限制，大部分的實驗學生只能通過多媒體和書本“紙上談兵”了。

（4）實驗過程監督困難。生物實驗需要按部就班，期間需要觀察、度量、取樣等等諸多工作，大量數據需要記錄。據南京某高校生物實驗室教師抱怨，因為教師不足，不可能去督促每個學生的實驗，許多學生往往在實驗過程中很粗心，導致實驗結果不完整。

（5）實驗過程的安全隱患。生物實驗過程中經常會產生一些致命的物質、氣體等，這就牽涉到安全問題。《中國教育報》上一篇《高校實驗室的那些事兒》的文章，作者姜乃強先生感慨地寫道，北京某校因3名博士生做實驗所發生的高溫熔煉爐爆炸的事故，造成了嚴重的影響。可見安全隱患一直困擾著生物實驗，排除一些主觀因素，如缺乏安全意識和不遵守實驗規則，更重要的是如何在實驗過程中開發出既安全又科學，效率又高的實驗方法。

2虛擬現實技術對于生物實驗的作用

虛擬現實技術是用計算機生成的系統，對于三維動態角色和場景進行全方位模擬，而用戶則通過多種交互方式融入該系統。對于虛擬現實技術來說，交互程序和三維技術就像一組雙子星，再好的交互體驗失去了逼真的視覺沖擊力一切努力效果會大打折扣。相反，優秀的三維作品失去合理的人機互動，同樣它的實用性將被削弱。

（1）虛擬現實技術在西方國家生物實驗中的地位。美國走在發達國家生物實驗虛擬現實技術的最前端，一方面是由美國的人才儲備決定的；另一方面與美國政府的大力扶持密不可分。在美國，虛擬現實技術在生物實驗領域已經得到了廣泛應用。高校之間利用網絡實現學生跨校、跨州進行生物實驗，搭建了一個全新的理論教學和虛擬實驗相結合的平臺，學生可以利用空閑隨時隨地的進行學習和實驗。該平臺系統由美國幾所頂尖大學牽頭，行業知名教授主持每季度輸入新的虛擬實驗加入系統，對于前期的虛擬實驗進行升級，保證系統的數據始終位列世界前沿。每所高校把本校重點學科制作成虛擬仿真實驗系統發布至平臺，供全美所有高校學校使用。當然，從制作到最終驗收相當嚴格，同樣一種實驗，由幾所高校競爭，最終留下精品。學生只需要在平臺中登錄賬號和密碼，就可以在平臺中找到自己需要的相應科目和實驗，實驗過程由電腦全程記錄，便于教師和學生復查檢驗。

（2）虛擬現實技術在我國已引起重視。由于起步較晚和配套人才的缺乏，我國虛擬現實技術仍處于初級階段。虛擬實驗室系統在我國還沒有成型，但一些重點高校，正在做相關的嘗試。例如，2014年至2015年南京大學生命科學學院和南京銳美捷信息信息技術有限公司合力開發的“生物仿真實驗系統”和揚州大學開發的鯽魚解剖實驗虛擬仿真系統等等。教育部也在大力推進各高校虛擬實驗室平臺的搭建與經驗交流，于2015年7月初由江蘇大學主辦的“高校虛擬仿真實驗教學中心建設與發展經驗交流會”有40多所高校約300）k共同參加，對于推動我國虛擬現實實驗室平臺建設起到了積極的作用。

3虛擬現實技術對于改善和解決我國高校生物實驗現狀與問題具有重大意義

（1）低成本。傳統生物解剖實驗每一次都要滅殺一只動物。不僅對動物利用過于浪費，也是一筆不菲的開支。如果利用計算機制造出逼真的3D生物，諸多問題就迎刃而解了。同時，高質量的大型儀器利用虛擬現實技術制造出3D模型和模擬出逼真的實驗過程，教師和學生都從中受益。

（2）高效率。某些傳統生物實驗過程時間長，實驗監督困難。而生物虛擬現實技術可以節約時間，忽略掉實驗過程中無關緊要的細節，實驗結果和實驗數據可以直接模擬呈現，遠比傳統的生物實驗高效，還能提高學生的學習興趣。

（3）安全可靠。虛擬現實技術模擬出虛擬的實驗室環境，學生在反復操練中，不僅熟悉了實驗過程還增強了理論知識理解，對于在實驗室存在的安全隱患，系統會著重提醒，學生在今后的傳統實驗室中就不會手忙腳亂，這樣既規避了風險，也保證實驗的安全。

（4）人才培養。在新技術的發展運用上，人才處于第一位。美國著名的公司“暴雪”EA技術部有諸多華人的身影，華人在三維領域的天賦是有目共睹的。在中國其實不缺乏相關人才，缺的是不拘一格降人才的制度。我國政府每年也為此投入了大量的財力，理應跟上世界潮流，齊頭并進。

（5）相互配合。開發系統平臺的相關人員是做三維動畫和程序出身的技術人才，對于專業性極強的生物實驗不知如何人手，高校生物教師對虛擬現實技術也不甚了解。在雙方缺乏溝通和理解的情況下，導致虛擬現實平臺最終的成品和預期的往往南轅北轍，要么體驗感不如人意，要么生物實驗流程的腳本無從下手。其中問題是缺乏前期合理的策劃、協調、溝通，教師需要把生物實驗進行合理的分割，寫出腳本，將每個環節耐心、細致地介紹給相關技術人員。而制作人員也要將相關技術介紹給教師，相互配合、相互理解、坦誠溝通，最終達到共同的目標。

綜上所述，虛擬現實技術對于改善和解決我國高校生物實驗現狀和問題具有重大意義。在我國高校應該廣泛運用此項技術，這樣既能節省開支，又能將高校各科實驗推向一個嶄新的階段。由此及彼，可以將虛擬現實技術延伸到其他學科和領域，這將會有力推動我國高校的科學研究大步向前邁進，培養出更多益于國家建設的人才。