虛擬實(shí)驗(yàn)在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用探討*

齊彥 郭麗新 卞敬琦 趙程程 田苗

（1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心；2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院）

冠狀病毒（COVID-19）是一種新興的病毒，給包括學(xué)術(shù)和研究在內(nèi)的所有部門帶來了挑戰(zhàn)。生物化學(xué)和分子生物學(xué)的本科生和研究生在學(xué)習(xí)中受疫情的影響導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室關(guān)閉，給學(xué)習(xí)和研究活動的開展帶來了一系列的不便。實(shí)驗(yàn)不能正常進(jìn)行，學(xué)校不得不采取措施開展線上教學(xué)。虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個強(qiáng)大的教育工具[1]，是在網(wǎng)絡(luò)支持下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使學(xué)生能夠在家里舒適的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)避免意外的干擾。

一、以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科教學(xué)受到的影響

目前流行的冠狀病毒（COVID-19）給研究和教育帶來了很多的不確定性。傳統(tǒng)的以實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)的學(xué)科，包括生物化學(xué)和分子生物學(xué)都受到了實(shí)驗(yàn)室關(guān)閉的嚴(yán)重影響。在全球范圍內(nèi)，數(shù)百個學(xué)術(shù)界的實(shí)踐會議已經(jīng)暫停，而且，就冠狀病毒的發(fā)展來看，其有作為常駐病毒的趨勢，沒有任何明確的跡象表明短時(shí)間內(nèi)社會秩序能夠完全恢復(fù)正常。

二、生物化學(xué)學(xué)科與虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

生物化學(xué)是醫(yī)學(xué)院校的一門基礎(chǔ)必修課，主要研究生命物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)及生命活動過程中各種化學(xué)變化的規(guī)律，再加上其內(nèi)容龐雜知識點(diǎn)又多，一直以來都是醫(yī)學(xué)生學(xué)起來比較吃力的一門課程；生物化學(xué)也是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，這就要求學(xué)科教學(xué)要做到實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)計(jì)劃設(shè)置科學(xué)合理，以便于使抽象的概念更感性及具體化，晦澀的知識點(diǎn)充滿趣味，以期收到較好的教學(xué)效果。而且近年來醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程在培養(yǎng)體系中存在授課學(xué)時(shí)壓縮，而又不能降低教學(xué)要求的“高級”操作，其結(jié)果是導(dǎo)致在學(xué)生有限學(xué)時(shí)下親自試驗(yàn)的機(jī)會減少，很難滿足社會對醫(yī)學(xué)人才的素質(zhì)要求。因而，如何設(shè)計(jì)開發(fā)出直觀的、形象的、可碎片化利用時(shí)間的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式就成為提升生物化學(xué)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

隨著社會的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展迅速，催生了虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，其在高等教育學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用越來越廣泛，其基本功能是輔助醫(yī)學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)加深對理論知識的理解和鞏固，培養(yǎng)學(xué)生自主解決問題的能力。虛擬實(shí)驗(yàn)室概念是1989年美國弗吉尼亞大學(xué)威沃爾夫教授首次提出的。虛擬實(shí)驗(yàn)室是基于網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用技術(shù)，對傳統(tǒng)的各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬化和數(shù)字化建設(shè)，即在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象的三維場景，操作者可通過操作鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)對象和實(shí)驗(yàn)過程等的全方位模擬。因此，教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容時(shí)，可依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，充分利用虛擬儀器庫中可選用的儀器，自由構(gòu)建合理的實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)過程。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)的必要性

目前我國很多醫(yī)學(xué)高校生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)都面臨著很多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)突出表現(xiàn)為兩點(diǎn)，第一，隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的飛速發(fā)展，醫(yī)學(xué)高校生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容的更新速度存在著很大的滯后性。主要是受到生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備、試劑普遍昂貴，教學(xué)場地緊張、學(xué)生人數(shù)劇增和教學(xué)經(jīng)費(fèi)不足的制約，導(dǎo)致在研究性實(shí)驗(yàn)室中普遍應(yīng)用的技術(shù)無法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施。第二，多數(shù)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間不連續(xù)，因此耗時(shí)較長，而有限的課時(shí)數(shù)限制了綜合性生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)。

為了適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教學(xué)的需求，在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬實(shí)驗(yàn)，可集中分享和創(chuàng)新性地應(yīng)用眾多資源，使得時(shí)間可被碎片化利用，能夠合理解決目前教學(xué)中存在的這些問題。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí)間安排、試劑種類和實(shí)驗(yàn)儀器的限制，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，提高其綜合實(shí)驗(yàn)操作能力，已被用于生物學(xué)、化學(xué)和自然科學(xué)的教學(xué)中。雖然COVID-19流感意外大范圍流行，學(xué)生依然可以在家里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如電泳實(shí)驗(yàn)中，由于學(xué)生等待的時(shí)間比較長，可以讓學(xué)生操作虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。而在進(jìn)行核酸電泳實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于瓊脂糖凝膠制備時(shí)要用到有毒的溴化乙錠(EB)，學(xué)校出于學(xué)生的安全考慮，多數(shù)實(shí)驗(yàn)室制備瓊脂糖凝膠都由教師代為操作，學(xué)生失去了親自操作的鍛煉機(jī)會。但在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，學(xué)生都可以進(jìn)行瓊脂糖凝膠制備實(shí)驗(yàn)的虛擬操作。另外，還能夠通過虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示教功能，向?qū)W生演示本科實(shí)驗(yàn)課程無法開設(shè)的科研實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生能了解一些新型實(shí)驗(yàn)原理及技術(shù)。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)不應(yīng)該完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中的物理實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是利用動態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過對3D仿真實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行交互式操作，實(shí)時(shí)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，產(chǎn)生與物理實(shí)驗(yàn)匹配的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2]。但虛擬實(shí)驗(yàn)室不應(yīng)該完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中的物理實(shí)驗(yàn)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中的物理實(shí)驗(yàn)更有質(zhì)感、情感、倫理認(rèn)同感。虛擬實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的操作步驟已經(jīng)程序化，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是預(yù)設(shè)的理論上的結(jié)果，然而實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程會受到各種主客觀因素的影響，產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，甚至可能會出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)失敗的情況，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有可能是“完美”的，不利于學(xué)生分析實(shí)際問題。然而，在學(xué)術(shù)環(huán)境中，虛擬實(shí)驗(yàn)室和物理實(shí)驗(yàn)室可以協(xié)同工作。尤其是現(xiàn)在在COVID-19流感大流行期間，學(xué)生可以不受任何時(shí)間限制地在網(wǎng)上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，脫離傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間、試劑和實(shí)驗(yàn)儀器的約束，有益于實(shí)驗(yàn)原理的理解、實(shí)驗(yàn)操作綜合能力的提高。此外，他們還能通過對虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究，為物理實(shí)驗(yàn)室做更富有成效的準(zhǔn)備。因此，在本科階段對學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室使用的相關(guān)培訓(xùn)能夠?yàn)樗麄儗碓谶@些領(lǐng)域的職業(yè)發(fā)展做好準(zhǔn)備。

（三）突發(fā)公共衛(wèi)生安全事件中虛擬實(shí)驗(yàn)的作用

除了教育教學(xué)之外，在線模擬器也經(jīng)常被用于研究中。在研究方面，博士項(xiàng)目可以調(diào)查在大流行期間虛擬實(shí)驗(yàn)室的影響。當(dāng)今社會對具有物理和在線實(shí)驗(yàn)多學(xué)科技能的科研人員的需求很大。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)室為博士生和博士后研究人員提供了獲得教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的好機(jī)會。

熟悉虛擬教育中的重要教學(xué)方法，如情景教學(xué)和探究式學(xué)習(xí)。參與虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)，將理論付諸實(shí)踐并評估報(bào)告[3]。因此，博士和博士后研究人員需要經(jīng)常與導(dǎo)師討論他們的教學(xué)貢獻(xiàn)，以避免研究中的潛在延誤造成不必要的損失。

（四）虛擬實(shí)驗(yàn)是應(yīng)急情況下在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的解決方案

生物化學(xué)和分子生物學(xué)等實(shí)驗(yàn)學(xué)科的學(xué)生受到最近社會距離規(guī)則的嚴(yán)重影響。然而，在COVID-19流感大流行期間，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以為本科生和研究生（博士生）提供一個強(qiáng)有力的高等教育解決方案。由于重要的實(shí)驗(yàn)可以在家里在線進(jìn)行，本科生可以在沒有任何干擾的情況下繼續(xù)學(xué)習(xí)。而博士研究人員可以研究生物化學(xué)和分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室在疫情大流行和新情況下的作用。此外，博士后學(xué)者和博士生可以通過幫助學(xué)術(shù)人員獲得虛擬教育的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以豐富完善應(yīng)急情況下在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的手段。

四、展望

利用虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)，一定程度上能收到直觀、投入少、產(chǎn)出多的效果，給課程學(xué)習(xí)帶來便捷和助力，而且能將專業(yè)最前沿的知識及技術(shù)帶給學(xué)生，使教學(xué)不用受到現(xiàn)實(shí)中諸多條件的限制。

鑒于此，虛擬實(shí)驗(yàn)作為輔助教學(xué)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其軟件研發(fā)單位應(yīng)多與各高校教學(xué)一線使用部門溝通合作[4]，多采納教學(xué)使用部門有效的建議和意見；同時(shí)教師的教育理念也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，將虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自然地融入到教學(xué)中，強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，以推動醫(yī)學(xué)教育的優(yōu)質(zhì)發(fā)展。