虛擬仿真技術(shù)在生物化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要? 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐漸由商業(yè)環(huán)境走向現(xiàn)代教育領(lǐng)域。生物化學(xué)中生物大分子的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)代謝過程是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，三維模型不僅能夠形象地展示生物大分子的微觀結(jié)構(gòu)，還可以幫助學(xué)生更好的理解教學(xué)內(nèi)容。本文對三維模型在生物化學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù);生物化學(xué)教學(xué);生物大分子;三維模型

中圖分類號： Q5-4;G434? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

生物化學(xué)是一門研究生物體的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)和物質(zhì)代謝過程的科學(xué)，其理論性強(qiáng)、名詞眾多、概念抽象，是最晦澀難懂的生物學(xué)科之一。在教學(xué)過程中，學(xué)生往往反映生化知識難學(xué)難記，教師也發(fā)現(xiàn)學(xué)生對知識的掌握程度參差不齊。

1 生物化學(xué)的教學(xué)方式

傳統(tǒng)的生物化學(xué)教學(xué)往往靠“一本教材、一支粉筆、一塊黑板”，在這樣的教學(xué)氛圍里，教師講得累、寫得累，學(xué)生聽得累、記得累。這種單一的傳統(tǒng)教學(xué)模式已不適應(yīng)時代發(fā)展的需要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，多媒體教學(xué)已經(jīng)普及，它能將文字、聲音、圖像、動畫等素材結(jié)合起來，豐富了課堂教學(xué)的形式，提高課教學(xué)效果。目前，運(yùn)用多媒體輔助教學(xué)已成為高等學(xué)校生物化學(xué)的普遍教學(xué)方式。如果將生物化學(xué)中的基本概念、生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能、代謝過程恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用圖片、動畫和視頻等多媒體形式來闡述和展示，就會使該課程中抽象難懂的理論知識變得具體清晰，這將極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。目前，生物化學(xué)教師的計(jì)算機(jī)水平參差不齊，制作的課件往往不能準(zhǔn)確表達(dá)教師的意圖。由于制作優(yōu)良的多媒體課件不僅需要制作者具有較高的專業(yè)知識水平和較高的計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用水平，而且還需耗費(fèi)很多的時間和精力，因此很多生物化學(xué)教學(xué)課件的質(zhì)量不高，甚至有的是單純將講稿變?yōu)殡娮影孢M(jìn)行演示，這使得多媒體教學(xué)的優(yōu)勢難以真正發(fā)揮。

2 虛擬仿真技術(shù)在生物化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它綜合利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、三維建模技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等模擬真實(shí)存在的場景或想象中的世界。虛擬仿真應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍，它營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式代替了傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式[1]。

生物大分子如核酸、蛋白質(zhì)和糖類都是立體的空間結(jié)構(gòu)，二維圖片無法直觀展示其形態(tài)，但三維建模可以清晰、形象地展示這些大分子的結(jié)構(gòu)，有很多生物化學(xué)教師開始探索三維模型在生物化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。朱素琴等[2]在講解胰凝乳蛋白酶三聯(lián)體催化機(jī)制時采用三維動畫的形式，展示催化三聯(lián)體中“Asp102-His57-Ser195”構(gòu)成的氫鍵體系—電荷中繼網(wǎng)，突出Ser殘基中活性“O”的親核攻擊力，將酶催化肽鍵水解中的共價(jià)催化、酸堿催化機(jī)制很簡明、生動、直觀地表現(xiàn)出來，學(xué)生普遍反映對這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)很輕松，也很感興趣。此外，梁亦龍[3]開發(fā)的虛擬PCR實(shí)驗(yàn)和黃佳玲[4]開發(fā)的聚丙烯酰胺凝膠電泳虛擬實(shí)驗(yàn)都有助于學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理和步驟。但目前關(guān)于生物化學(xué)分子結(jié)構(gòu)的三維模型還比較少，在教學(xué)中的應(yīng)用還不廣泛。針對上述問題，結(jié)合生物化學(xué)的特點(diǎn)，我們采用三維軟件（3D Max、ZBrush等）制作了生物大分子的三維模型，用于展示三維大分子的微觀結(jié)構(gòu)。如在講解蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)時，我們制作了肌紅蛋白的三維模型，該模型能夠清晰地顯示肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)，我們用不同的顏色顯示肌紅蛋白的8段α螺旋（A到H）不對稱盤曲的形狀，而血紅素分子被C、E、F和G螺旋包圍（圖1）。通過虛擬交互編程，我們還可以操作該模型進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，讓學(xué)生從不同角度觀察血紅蛋白的結(jié)構(gòu)。這種教學(xué)模式不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與實(shí)踐能力，滿足不同理解能力學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，而且能很好地解決傳統(tǒng)課堂上重講解、內(nèi)容多、學(xué)生被動接受的不足。

3 前景展望

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在生物化學(xué)教學(xué)中，可以形象地展示生物大分子的微觀結(jié)構(gòu)，改變以教師為中心的授課形式，建立以學(xué)生為中心的個別化教學(xué)和有目的自我學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)模式;而且觀看三維模型和三維動畫能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)效果，使學(xué)生扎實(shí)掌握生物化學(xué)基礎(chǔ)知識，利于后續(xù)相關(guān)專業(yè)課的學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉春英.虛擬實(shí)驗(yàn)在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技視界， 2015（35）：163.

[2]朱素琴，季本華.生物化學(xué)教學(xué)改革的實(shí)踐與探索[J].微生物學(xué)通報(bào)，2010，37（08）：1238-1242.

[3]梁亦龍，盧利平，范歡，等.虛擬實(shí)驗(yàn)在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012，15（02）：45-47.

[4]黃佳玲，馬生健，曾富華.基于Flash的生物化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室研究與開發(fā)——聚丙烯酰胺凝膠盤狀電泳[J].高校生物學(xué)教學(xué)研究（電子版），2014，4（02）：52-56.