一種三維DNA構(gòu)象的交互式參數(shù)化模擬方法

江 鋒，林 定，唐麗玉，周 翔，陳崇成

(福州大學(xué)空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福州大學(xué)地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心, 福建 福州 350108)

0 引言

DNA分子結(jié)構(gòu)抽象、 微觀且復(fù)雜，初學(xué)者較難想象DNA雙鏈反向互補匹配的三維空間形態(tài)及其螺旋和解旋的動態(tài)過程. 通常采用圖片、 文字、 視頻等二維形式進行說明[1]，或者采用曲別針、 泡沫塑料、 橡皮泥等實物或者3D打印物類比DNA結(jié)構(gòu)的組分，逐個拼接形成DNA分子結(jié)構(gòu)示意模型，以增強三維效果[2]. 這些教學(xué)手段通常占用較多課堂時間、 形式單一、 信息傳遞效果不佳[3]，而且受材料限制難以動態(tài)展示相關(guān)的DNA微觀生物過程，如堿基互補配對、 DNA復(fù)制等. 隨著計算機視覺技術(shù)快速發(fā)展，利用增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)、 虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)等技術(shù)手段呈現(xiàn)受時空限制而無法在現(xiàn)實世界中觀察和控制的現(xiàn)象具有顯著優(yōu)勢，如變化太快或太慢的微觀現(xiàn)象以及空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體等. 增強現(xiàn)實技術(shù)由虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展而來，深度融合專業(yè)知識，將虛擬場景與真實場景實時精準(zhǔn)疊加，構(gòu)建沉浸式三維可視化場景, 在真實環(huán)境中增強感知體驗[4-5]，培養(yǎng)探究式邏輯思維[6-7]，是促進認知的一種新方法和支撐技術(shù)[8-9], 已在教育[10]、 古建筑物重建[11]、 旅游[12]等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用. 大量事例說明了增強現(xiàn)實技術(shù)推動了生物化學(xué)教學(xué)的發(fā)展[13-14]，現(xiàn)有軟件能夠模擬生物大分子結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系，如BiochemAR[15]、 CADD[16]、 ChemPreview[17]等. 但是這些工具都是面向大學(xué)課……