穩定同位素前處理及測試虛擬仿真設計

高春霞 胡松

摘 要：穩定同位素技術是廣泛應用于海洋生態學研究中的一項重要生化示蹤技術，針對海洋生態學實驗教學中存在的因該技術前處理復雜、測試儀器和實驗成本昂貴等因素導致的無法推廣教學這一困難問題，設計了相應的前處理和大型儀器虛擬仿真實驗操作模塊。結合現代化仿真技術構建多元化的虛擬仿真實驗平臺，通過實現魚組織樣品干燥、粉碎、稱量及同位素儀器測試的虛擬仿真過程，加強教學過程的直觀性、可視性和易操作性，不僅保護了精密儀器，避免了資源浪費，更便于學生理解，優化教學效果，激發學生的學習興趣和創新能力，最終達到學生能獨立上手進行同位素樣品實際測試以及獨立開展科學研究的目的。

關鍵詞：虛擬仿真???實驗教學???穩定同位素???前處理和測試

中圖分類號：X52?????????????文獻標識碼：A

Virtual?Simulation?Design?for?Pretreatment?and?Testing?of?Stable?Isotopes

GAO?Chunxia??HU?Song*

（College?of?marine?and?sciences，?Shanghai?Ocean?University，?Shanghai，?201306?China）

Abstract：?Stable?isotope?technology?is?an?important?biochemical?tracer?technique?which?is?widely?used?in?marine?ecology?research.?In?view?of?the?difficult?problem?that?the?teaching?can?not?be?promoted?in?the?experimental?teaching?of?marine?ecology?due?to?the?complex?pretreatment?and?the?high?cost?of?testing?instruments?and?experiments?of?this?technology，?virtual?simulation?experiment?operation?modules?of?the?corresponding?pretreatment?and?large-scale?instruments?are?designed.?Combined?with?modern?simulation?technology，?a?diversified?virtual?simulation?experiment?platform?is?constructed，?and?through?the?realization?of?the?virtual?simulation?process?of?drying，?crushing，?weighing?and?isotope?instrument?testing?of?fish?tissue?samples，?the?intuitiveness，??visuality?and?easy?operation?of?the?teaching?process?are?strengthened，?which?not?only?protect?the?precision?instruments?and?avoid?the?waste?of?resources，?but?also?make?it?easier?for?students?to?understand，?optimize?the?teaching?effect，?and?stimulates?students'?learning?interest?and?innovative?ability，?and?finally?achieve?the?goal?that?students?are?able?to?independently?carry?out?practical?testing?of?isotope?samples?and?independently?carry?out?scientific?research.

Key?Words：?Virtual?simulation;?Experimental?teaching;?Stable?isotope;?Pretreatment?and?testing

海洋生態學是海洋學科人才培養的重要課程[1]，而穩定同位素技術現已成為海洋生態學中的重要技術手段，被廣泛應用于海洋生態系統中追蹤基礎碳源和食源、構建食物網營養結構和示蹤污染物等研究中，在海洋生態系統營養動力學領域以及漁業資源管理學科中應用前景廣闊[2]。與傳統食性技術相比，穩定同位素技術的優點在于對海洋攝食生態學以及生態系統中食物網結構、營養關系共存等問題進行定量化研究，揭示生態系統結構和功能的動態變化規律[3]。目前該技術與生態學、環境科學交叉融合已經產生出穩定同位素生態學這一獨立的新分支學科，應用于醫學、農業、生態、環境科學和法醫學等研究領域[2]。穩定同位素測定依賴于同位素質譜儀，該儀器是檢測行業的重要精密儀器，掌握樣品前處理和質譜操作技能將有助于學生在今后的科學研究以及檢測行業等具有無限廣闊的前途。

實驗教學關系到人才培養的實踐能力和創新能力，傳統的實驗教學模式受限于各種條件的約束，學生只能在限定的時間和地點完成特定的實驗內容，極大地制約了學生研究能力的培養[4]。魚類穩定同位素測試是海洋生態專業實驗教學的重要組成部分，然而穩定同位素樣品前處理和測試過程具有多項微觀實驗步驟，其操作環節繁瑣、關鍵實驗步驟難以把握、實驗耗時長、儀器設備臺數與實驗室空間不足、儀器設備精密以及實驗成本昂貴等問題都嚴重制約著學生全程參與實踐教學。虛擬仿真實驗是近年來興起的新的教學方式，采用虛實結合、以虛補實的教學方法彌補實體教學的不足，促進教育的不斷創新，目前已經在多個教學領域得到廣泛使用[5-9]。該實驗設計依托上海海洋大學雄厚的科研積累和水產科學國家級實驗教學示范中心以及大洋漁業資源可持續開發教育部重點實驗室，通過虛擬仿真技術，將同位素前處理以及樣品測定實驗過程中微觀的操作宏觀化，通過反復地操作來加深學生對實驗過程和精密儀器機理的理解，提升學生的實驗動手能力和自主學習的能力，為學生獨立的科研能力培養奠定基礎。

1???設計策略

1.1???實驗設計目標

穩定同位素仿真實驗的首要設計目標是緊貼教學大綱，滿足學生反復多次實驗需求，彌補實驗中不能到現場操作實際設備的短板，其次是促進學生快速掌握不同生物樣品的組織處理方法和精密儀器的操作方法，培養學生具備良好的實驗素質。在人工智能、網絡技術、傳感技術和人機交互技術等現代化信息技術的指導下，結合海洋學和水產學的學科特點，利用虛擬現實技術構建高度仿真的二維或三維虛擬實驗環境和實驗對象，提高科學實驗的可視化程度，使學生感受真實的現場沉浸，突破傳統實驗的時空界限，實現與虛擬對象的自由交互，從而調動學生進行實驗的主動性和積極性，使其能夠獲得真實的體驗，激發學生的學習熱情，達到事半功倍的教學效果。

1.2???實驗設計原則

穩定同位素虛擬現實技術仿真實驗需要遵循一定的設計原則，具體如下。

1.2.1?科學性原則

穩定同位素在自然界中含量較低，因此對實驗測定過程中的各項科學操作精度都要求較高，故科學性是此次實驗設計中必須要遵循的首要原則和最根本的原則。虛擬仿真實驗的內容、過程與方法要遵循穩定同位素前處理和儀器操作、測定的真實過程，所有儀器構造、圖表繪制、操作步驟等均要求科學性和合理性，“凡事預則立，不預則廢”，科學的實驗設計不僅提升了學生的真實感受，而且有助于學生掌握科學的實驗原理和技術。

1.2.2??交互性原則

交互性原則是虛擬仿真實驗的重要評價指標之一[10]。所有模擬場景制作逼真，學生在自然狀態下與虛擬環境的實驗對象進行交互，使學生產生真實環境的感受和體驗，強烈的沉浸感進一步促進學生的主觀能動性，吸引學生真正融入實驗中，可以通過自主練習訓練其操作技能，達到實驗教學目的。

1.2.3??開放性原則

建構主義理論強調學生是學習活動的主體，而虛擬仿真設計為學生提供了不受時間和空間限制的實驗環境；另外，教師也可借助相關模塊了解學習效果，形成學生—教師雙向交互、互相反饋的教學循環，實現了學生主動學習和協作學習的目的。

2???主要虛擬模塊與功能

2.1???實驗平臺

同位素虛擬仿真實驗平臺主要依托上海海洋大學國家遠洋漁業工程技術研究中心、大洋漁業資源可持續開發教育部重點實驗室、農業農村部大洋漁業開發重點實驗室、海洋科學與技術實驗教學示范中心等實體平臺，遵循“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則[11]，結合學科和技術的優勢、特色，借助現代化計算機、多媒體、視頻、圖像、人機交互等信息技術，綜合運用元素分析-穩定同位素比質譜儀、超聲波清洗儀、冷凍干燥機、冷凍混合球磨儀等操作界面為基礎數據，開展樣品的干燥、粉碎、稱量等前處理實驗以及同位素測試等實驗。

2.2???主要功能模塊

同位素測試虛擬仿真實驗的主界面（見圖1）分為學習模式和考核模式兩種，方便學生的學習以及后續的技能考核，兩種模式中實驗步驟相似，但步驟操作方式由指示性操控轉變為無指示操控模式，從而達到鍛煉學生的實驗技能目的。選擇模式之后進入菜單界面，學生可以較快了解到菜單界面內容包括實驗菜單欄、系統功能、信息提示欄和模式切換，清楚操作的具體位置。

整個虛擬仿真操作界面簡單明了，左側為實驗菜單工具欄區域，學生通過點擊按鈕獲取實驗簡介、設備和樣品認知、實驗步驟、模式以及視頻資料等信息，其中實驗簡介模塊（見圖2）向學生詳細闡明該實驗的目的和實驗意義，讓學生在學習之前深刻理解穩定同位素技術在海洋生態學研究中的重要地位以及掌握這項技術的重要性。

為了能讓學生盡快熟悉實驗環境以及更快地掌握后續操作，通過設置設備認知和樣品認知模塊（見圖3）來達到這一目的。在樣品認知模塊，向學生展示攝食生態研究中的常見樣品類型，如魚類、蝦類樣品，向學生描述不同種類特征、其樣品肌肉的采集位置以及采集中的注意事項，高度逼真的3D建模保證了仿真的真實性和交互性。在設備認知模塊中逐一向學生展示樣品前處理過程中涉及冷凍干燥機、超聲波清洗儀、冷凍混合球磨儀等重要儀器的知識，并且以360°立體展示儀器構造，加深學生的記憶以及通過三維技術提高他們對實驗的興趣，寓教于樂。

認知模塊之后帶領學生進入實驗步驟模塊，該模塊通過將每一個操作步驟虛擬化，學生在線學習每一個操作步驟熟悉實驗流程，達到真實教學的效果。模塊中再細分出5個實驗步驟（見圖4），學生在學習過程中可以根據實際需要重復學習某一步驟，這樣能夠極大地提高教學效果?？紤]到實際操作過程中存在一些注意事項和實驗細節（如樣品包埋過程）以及為了進一步鞏固學生的認知，增加視頻資料模塊（見圖4），針對其中4個實驗模塊錄制視頻來展示操作過程及其注意事項，從視覺上進一步加深學生對實驗步驟的記憶和梳理每個步驟的細節之處，以視覺和虛擬實體感覺相結合的方式加深學生對實驗的熟悉程度以及提高學生的理解力，真正做到讓每一個學生都能理解和操控實驗，具備專業的實驗技能。

該實驗中應用到的儀器種類較多，包括冷凍干燥機、冷凍混合球磨儀、百萬分之一的精密天平和元素分析-穩定同位素比質譜儀，為了讓學生更快熟悉儀器操作，如前所述，在虛擬仿真設計中，通過設置儀器設備認知模塊、儀器虛擬操作步驟模塊和視頻資料模塊來提高教學效果，尤其是在儀器虛擬操作中，通過虛擬仿真技術將儀器操控軟件界面（見圖5）展示給每一位學生，學生的操作猶如實體操作，相比實景操作學生只能遠觀，無法人人操作的弊端，該技術讓每一位學生身臨其境，對高效教學的輔助貢獻巨大。

在學生的操作階段，該虛擬仿真實驗還設計了針對每一步驟對應的不同考核題（見圖6），以檢驗學生的操作成果，這樣不僅加強學生對實驗的理解，也有利于提高學生的獨立思考能力。

3???設計特色及教學效果

穩定同位素測試仿真實驗具備高度逼真的三維空間、儀器構造和科學的模塊設計，這是本實驗的主要特色之一。本著“以學生為中心”的教學理念，將傳統的以教師PPT授課為主的單一灌輸式模式變更為鼓勵和引導學生自主學習，將實驗場景從圖片中轉移到高度仿真的虛擬環境中，通過開放式和交互式的方式，有效鍛煉和提升了學生的學習技能。該虛擬仿真設計通過設置實驗流程模塊讓學生們學習樣品前處理儀器及質譜儀操作知識、了解實驗操作流程，掌握實驗關鍵技術要點；通過設置考核模塊加深學生對儀器的理解和提升對遇到問題的解決能力。整個虛擬仿真實驗教學過程虛實結合、以虛補實、循序漸進，教師的“教”水到渠成，學生的“學”融會貫通，這種實驗教學新模式有效地調動學生學習的積極性，增強學生的實驗動手能力，充分發掘學生的創造潛能，提升學生的綜合素質。

在該虛擬仿真實驗中對各資源模塊進行了合理化設計，包括設置清晰明了的導航欄目、學習過程直接跳轉到指定模塊、操作模塊高亮化、微觀實驗視頻圖解等，初學者按照界面導航指引，有條理性地進行學習，促進學習資源的最大化利用，有力避免了無效學習。同位素測試仿真實驗的交互性促進了學生對同位素實驗原理、操作步驟及理論知識的掌握，更通過提供反復練習的環境為學生在學習過程中構建出“已有知識深化—難點問題分析和解決—形成新知識”的良好學習循環，這種高效的交互性不僅拓展了學生對知識理解的廣度和深度，也提升了其分析和解決問題的能力。

4???結語

隨著現代信息化技術的不斷發展，虛擬仿真教學通過逼真的三維立體表現形式將抽象的實驗過程形象地演示出來，最大限度發揮了虛擬資源的優勢，極大地提升了教學效果，未來將會成為海洋科學和水產學領域實驗教學的重要手段。學生通過虛擬仿真互動實驗學習掌握穩定同位素樣品前處理及測試方法、質譜儀等常用儀器的操作規程，為學生的創新思維和動手能力培養奠定堅實的基礎。通過在線網絡開放式自主學習、師生討論和自我測試，熟悉科學研究的過程等，對穩定同位素技術進行了直觀深入的探索，滿足虛擬仿真實驗教學目標，最大程度提高學習效果，起到寓教于樂的良好效果。

參考文獻

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