(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

生物化學(xué)是醫(yī)學(xué)類院校的專業(yè)基礎(chǔ)課，以實(shí)驗(yàn)性為主要特征，除要求學(xué)生掌握抽象、駁雜的基礎(chǔ)理論知識(shí)、緊跟技術(shù)的最新進(jìn)展外，更要求學(xué)生將實(shí)踐和理論相結(jié)合，著重培養(yǎng)學(xué)生的靈活思維、觀察和動(dòng)手能力。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是特別的重要，用于幫助學(xué)生深入理解基本原理，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。然而各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)長期存在資源匱乏、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一并長期未做改變、學(xué)生不重視等問題，導(dǎo)致生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)滿足不了當(dāng)代技術(shù)大爆發(fā)的需要。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)過程中，構(gòu)筑出一個(gè)綜合多種工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境，利用此虛擬場景，用戶得以高效利用世界上分布的各種數(shù)據(jù)、信息、設(shè)備等資源[1]，為生物化學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供全新的教學(xué)思維模式和更便利的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺點(diǎn)

臨床生物化學(xué)的傳授，實(shí)驗(yàn)教學(xué)極為重要，直接影響到人才培養(yǎng)的質(zhì)量。目前，本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在如下問題：

(一)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一

臨床生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常應(yīng)用有毒、腐蝕性的試劑，基于安全目的，學(xué)校通常選擇相對低危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)組織教學(xué)，造成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇范圍窄，甚至是過時(shí)的、廢棄的技術(shù)。

(二)固定設(shè)備投入巨大

近年來生物、醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，涉及到的設(shè)備更新快、價(jià)值高。而受體制陳舊、經(jīng)費(fèi)緊張等因素影響，國內(nèi)多數(shù)高?？萍记把刂R(shí)、前沿技能應(yīng)用較少，難以開發(fā)和開展新實(shí)驗(yàn)[2]。

(三)時(shí)間和空間對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常以3—6名學(xué)生為一組，既使上課時(shí)間也不能保證每位學(xué)生都能參與實(shí)驗(yàn)所有的操作。課上沒學(xué)會(huì)的，學(xué)生想繼續(xù)學(xué)習(xí)或者練習(xí)，卻受到場地、器材、耗材的限制而無法進(jìn)行。

(四)學(xué)生動(dòng)手能力差

實(shí)驗(yàn)課前，由教師完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備，以實(shí)驗(yàn)“醋酸纖維素薄膜電泳”為例，緩沖液配制和設(shè)備調(diào)試均由教師完成，學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)操作后，只需按要求進(jìn)行點(diǎn)樣、電泳、染色和脫色后就能得到結(jié)果，一般不會(huì)有大問題出現(xiàn)。而學(xué)生僅僅是“照葫蘆畫瓢”，且未全程參與實(shí)驗(yàn)的全部環(huán)節(jié)，無整體思維，更無發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的環(huán)節(jié)。故在臨床工作中遇到相似的情景，也無從檢視原因和恰當(dāng)解決。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)概述

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的一類，是通過模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的綜合性集成技術(shù)。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者可以操作虛擬的實(shí)驗(yàn)工具，完成各類型實(shí)驗(yàn)。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展?jié)摿薮蟆?yīng)用前景廣闊，國內(nèi)外許多高校和機(jī)構(gòu)紛紛開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建、具體實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和制作，其中部分高校已經(jīng)具備臨床醫(yī)學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)，如北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院、南京醫(yī)科大學(xué)、浙江大學(xué)等。但是臨床生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并未受到重視，也沒有現(xiàn)成的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可供選擇。

(一)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.有利于學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)

利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以全程參與文獻(xiàn)查找、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、準(zhǔn)備材料、配制試劑、操作實(shí)驗(yàn)、分析討論等環(huán)節(jié)，按照個(gè)人的理解和設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)允許學(xué)生出現(xiàn)操作錯(cuò)誤或?qū)嶒?yàn)失敗，使學(xué)生勇于動(dòng)手和探索，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3]。

2.有利于提高效率、降低消耗

在傳統(tǒng)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以得到更好的結(jié)果，但這樣浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)耗材，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長。運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過多次的虛擬實(shí)驗(yàn)操作鍛煉提高學(xué)生操作的熟練度，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差，進(jìn)而得到更為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；不僅為實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利進(jìn)行提供時(shí)間保障、消除空間限制，同時(shí)也可以降低實(shí)驗(yàn)消耗。

3.避免安全隱患

傳統(tǒng)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生難免會(huì)接觸到有害、有毒試劑，且易發(fā)生實(shí)驗(yàn)事故，如被家兔或小白鼠抓傷。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)，學(xué)生不會(huì)接觸到上述危險(xiǎn)因素，而且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以通過多方式多途徑預(yù)防安全事故的發(fā)生，如實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)入制度、實(shí)驗(yàn)安全警示，從而使學(xué)生對危險(xiǎn)因素有充分的認(rèn)識(shí)和警惕，進(jìn)而降低或杜絕安全事故的發(fā)生。

4.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的更新更快

在教學(xué)經(jīng)費(fèi)相對有限的情況下，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可通過模擬先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成虛擬化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，克服實(shí)驗(yàn)條件落后等問題，同時(shí)將最新的醫(yī)學(xué)技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)中，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先進(jìn)性。

(二)生物化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的構(gòu)建

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一般有兩種不同形式：非交互和交互式。非交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指學(xué)生可看該實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,但不能自己動(dòng)手操作,如一些演示性的虛擬實(shí)驗(yàn)場景。交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指學(xué)生不僅可以觀看該實(shí)驗(yàn)的場景,還可以運(yùn)用鼠標(biāo)等輸入設(shè)備對整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，此類型仿真實(shí)驗(yàn)較前者有諸多優(yōu)點(diǎn),如操作性強(qiáng)、參與感佳、隨機(jī)性好、實(shí)時(shí)效果優(yōu)等。

下文重點(diǎn)討論交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建策略，它通過將虛擬的、仿真的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,為生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展提供遠(yuǎn)景方案?？偟膩碚f虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成本低、功能全,又能滿足遠(yuǎn)程教學(xué)跨越地域的要求。

1.建立三維數(shù)字模型

依據(jù)真實(shí)儀器的數(shù)據(jù)，工作人員采用Unity 3D、VRML、Virtools等三維建模軟件制作數(shù)字模型，由視覺上的真實(shí)性，確保虛擬模型的協(xié)調(diào)尺寸比例和外觀與環(huán)境的適應(yīng)性；此外三維模型要盡量減少面數(shù)，刪除冗余的點(diǎn)面，同類模型應(yīng)合并以降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，提高運(yùn)行模型的速率。開發(fā)完成三維模型，編輯材質(zhì)、設(shè)置場景燈光后，對模型進(jìn)行技術(shù)渲染，以達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器的效果。

2.生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的開發(fā)

開發(fā)常用的臨床生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，如細(xì)胞核的分離純化、DNA的提取、PAGE、PCR等作為一級界面，點(diǎn)擊進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、過程、步驟、注意事項(xiàng)等二級界面，如點(diǎn)擊步驟可進(jìn)入三級工作臺(tái)界面。學(xué)生依照提示，通過鼠標(biāo)等完成模擬實(shí)驗(yàn)工具移動(dòng)，如試劑配制、樣品添加等實(shí)驗(yàn)操作。多次操作仿真實(shí)驗(yàn)的過程有利于學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解，同時(shí)能極大提升學(xué)生的實(shí)踐操作能力。

這種虛擬化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使生物化學(xué)中一些有污染、花費(fèi)高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如凝膠電泳、液相層析等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠反復(fù)實(shí)踐，有利于學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能。

3.開發(fā)交互程序

工作人員在設(shè)計(jì)交互程序時(shí)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件VRML、Unity 3D、Virtools等進(jìn)行，制作完成仿真三維模型后導(dǎo)入，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得以建立，包括桌面、圖像、文字、音頻等；之后對三維仿真模型添加要素比如動(dòng)作、事件等，動(dòng)作包括模型的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放、切換視角等；事件包括模型對鼠標(biāo)、鍵盤的響應(yīng)等交互事件，當(dāng)學(xué)生執(zhí)行某個(gè)要素時(shí)，能夠?qū)υ撘刈鞒鰧?yīng)的響應(yīng)。

4.運(yùn)行程序

完成虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建后，發(fā)布程序生成可以獨(dú)立運(yùn)行的虛擬程序，生成單機(jī)模式或聯(lián)網(wǎng)模式的虛擬平臺(tái)，也可以兼而有之。利用計(jì)算機(jī)，學(xué)生可以進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，隨時(shí)隨地模擬操作，便于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)、溫習(xí)。

三、教學(xué)結(jié)果分析

2016年以來，新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院開始分階段、分批次采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)上取得明顯效果。實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，我們采用試卷測試和問卷調(diào)查進(jìn)行期末教學(xué)效果評估。

(一)試卷測試結(jié)果分析

將2017級和2018級臨床專業(yè)兩屆的8個(gè)班級學(xué)生各分為兩組，第一組學(xué)生在進(jìn)行生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作前，進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬操作，完成后進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，稱為“實(shí)驗(yàn)組”；第二組學(xué)生按照傳統(tǒng)方法教與學(xué)，由教師講述原理、演示操作，學(xué)生觀摩后進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)稱為“對照組”。學(xué)期中間穿插兩次技能測試，最后進(jìn)行理論測試，考核的內(nèi)容著眼于查找文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、技能掌握、原理應(yīng)用與問題解決以及課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等其他方面。結(jié)果顯示：實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的總成績較對照組提高7.5分，在考核項(xiàng)目等所有方面實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的成績均明顯高于對照組(見表1)。該考核結(jié)果直接表明，應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)學(xué)生練習(xí)操作技能，可明顯提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)質(zhì)量。

表1 2017級和2018級期末實(shí)驗(yàn)成績分析結(jié)果

(二)問卷調(diào)查結(jié)果分析

每學(xué)年教學(xué)實(shí)踐結(jié)束，針對開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的班級，發(fā)出“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對學(xué)生操作技能培養(yǎng)效果的調(diào)查問卷”，2017年發(fā)出問卷63份，實(shí)際回收62份；2018年發(fā)出問卷68份，實(shí)際回收65份。兩年合計(jì)結(jié)果如下(表2)。

表2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對學(xué)生操作技能培養(yǎng)效果的調(diào)查問卷

四、結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合，著重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)帶入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生由”要我學(xué)”變?yōu)椤蔽乙獙W(xué)”，不但有助于加深學(xué)生熟悉基礎(chǔ)知識(shí)、積蓄創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)豐富教學(xué)內(nèi)涵、拓寬學(xué)生的視野，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性；也擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開展在時(shí)間和空間上的束縛，有效緩解學(xué)校在經(jīng)費(fèi)等方面的不足，緊跟醫(yī)療新技術(shù)的步伐，有著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法比擬的優(yōu)勢。

采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可自由進(jìn)出虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行操作儀器、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與應(yīng)用將會(huì)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生巨大的沖擊。但是虛擬實(shí)驗(yàn)室僅為真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助，不可能產(chǎn)生真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，故實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容不能全部采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。因此，在規(guī)劃、構(gòu)建當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系時(shí)，要求教師加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)資料收集和資源整合，協(xié)調(diào)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的比例，達(dá)到優(yōu)化醫(yī)學(xué)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的最佳效果。