醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實驗室建設(shè)及設(shè)計原則

1、醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實驗室建設(shè)及設(shè)計原則楊玲 郭鋒 李錦燕 王浩 左伋 劉雯*復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院細胞與遺傳醫(yī)學(xué)系，上海 200032摘要：隨現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究以及互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗室被更多地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中。本文論述了醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實驗室的建立的意義、可行性和設(shè)計原則， 為醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實驗教學(xué)的創(chuàng)新模式的探索提供了新的思路。關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)；虛擬實驗室Abstract：With the development of medical science and information technology, virtual laboratory will be more and more a

2、pply in the medical experimental courses. In this article, we discussed about the significance, feasibility and the designed principle of virtual laboratory of medical genetics. It will be provide a new view of the innovation mode of experimental teaching of medical genetics.Key words：Medical geneti

3、cs; Virtual Laboratory資助項目：復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教學(xué)改革研究項目通訊作者：劉雯醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)是遺傳學(xué)知識在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一門學(xué)科，是醫(yī)學(xué)生的基礎(chǔ)課程之一。在醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的授課過程中理論教學(xué)與實驗教學(xué)相輔相成，實驗教學(xué)是深化理論教學(xué)，培養(yǎng)科研與創(chuàng)新能力的重要手段，是從理論走向?qū)嵺`的重要環(huán)節(jié)。伴隨現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的發(fā)展，人們逐步認識到很多疾病的發(fā)生、發(fā)展、療效及轉(zhuǎn)歸均與遺傳有關(guān)。并且隨著基因功能研究的逐步深入，醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)涵蓋的范圍已擴展至分子領(lǐng)域。目前多種分子生物學(xué)的技術(shù)與遺傳學(xué)研究相結(jié)合，為醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的發(fā)展提供了更多的研究手段。加之傳統(tǒng)遺傳學(xué)（如染色體分析等）的各種研究方法，醫(yī)學(xué)遺

4、傳學(xué)實驗教學(xué)課程不僅需要向?qū)W生講授各種技術(shù)，更需要講授不同技術(shù)如何組合應(yīng)用，合理的解釋遺傳現(xiàn)象。1. 傳統(tǒng)實驗教學(xué)的缺陷 醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實驗的改革一直在各大專院校展開，以期達到更好的教學(xué)目的，緊跟醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)知識的更新。然而，迄今為止，國內(nèi)絕大部分高校的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實驗課程還采用的是傳統(tǒng)的教學(xué)方法，即在有著真實操作臺的實驗室完成教學(xué)。目前傳統(tǒng)的實驗課教學(xué)存在著時間、空間及資源不足等諸多問題：1.不能保證每位同學(xué)在每次實驗過程中均有動手機會；2.由于條件限制，有些操作過于復(fù)雜、危險性大的實驗無法設(shè)計到教學(xué)過程中；3.有些實驗的完成需要連續(xù)三至四天進行，而現(xiàn)有實驗課程設(shè)置為每周或隔周一次，影響實驗效果；4

5、.實驗中有些步驟等待時間較長，課堂時間利用率差；5.由于時間、師資等限制尚無法對實驗內(nèi)容進行舉一反三。因而急需搭建一個可以彌補上述缺陷的實驗教學(xué)平臺，通過和現(xiàn)有實驗教學(xué)相配合，優(yōu)勢互補，從而獲得更好的教學(xué)效果。2虛擬實驗室特點與優(yōu)勢 隨著互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬技術(shù)和虛擬實驗室在實驗教學(xué)過程中應(yīng)運而生。虛擬實驗室（Virtual Laboratory）是一種運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬實物實驗的計算機輔助教學(xué)軟件，采用多媒體信息技術(shù)在計算機上建立虛擬實驗教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)通過接近真實的人機交互界面完成實驗。虛擬實驗室的概念是1989年William Wolf提出的，描述了一個計算機網(wǎng)

6、絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境1，一個無墻的研究中心。相對于虛擬實驗室而言，目前傳統(tǒng)的實驗室稱為真實實驗室（Real laboratory）2。從技術(shù)角度講，虛擬實驗系統(tǒng)是在各種相關(guān)技術(shù)的支撐下，用軟件方法模擬硬件設(shè)備的功能。相關(guān)技術(shù)包括VR技術(shù)，Lab VIEW技術(shù)，交互式Flash技術(shù)，ASP技術(shù)，Active技術(shù)及JaVa等。虛擬實驗室由以虛擬儀器技術(shù)為核心的仿真引擎、處理因素數(shù)據(jù)庫、虛擬環(huán)境界面和虛擬操作等模塊組成。在虛擬實驗室中，每一個可視化器件代表一種實驗器材，無論是學(xué)生還是教師都可以隨時進入虛擬實驗室，通過鼠標的點擊與拖拽操作儀器，進行各種實驗3。以醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)最基礎(chǔ)的染色體制備實驗為例，學(xué)

7、生可以通過鼠標點擊電腦屏幕上的各個物品，最終完成制備懸液、滴片、制片等過程。而更復(fù)雜的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實驗也可以在虛擬實驗室中完成。與傳統(tǒng)的真實實驗室相比，虛擬教學(xué)實驗室不拘泥于實驗場地，打破時間、空間的限制，使得學(xué)生和教師均可以在任何時間，任何地點接入互聯(lián)網(wǎng)進行實驗操作。計算機、平板電腦乃至智能手機的普及，使學(xué)生更是可以隨時隨地登錄虛擬實驗室4，利用各種零散時間完成課程學(xué)習(xí)。同時虛擬實驗室還節(jié)省了醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實驗過程中需要等待的時間。對于一次實驗不能很好掌握的復(fù)雜實驗，虛擬實驗室也比傳統(tǒng)真實實驗室具有更大的優(yōu)勢，學(xué)生可以反復(fù)操作、練習(xí)直至完全掌握。醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)相關(guān)技術(shù)日新月異，新的實驗方法，研究思路不

8、斷涌現(xiàn)。傳統(tǒng)實驗教學(xué)需要不斷更新才能緊跟科學(xué)的前沿，而這將需要儀器設(shè)備、試劑等的更換來完成，需要一定的時間，有時還受到經(jīng)費等的限制。而虛擬實驗室具有很好的可擴充性，較好的解決了這個問題，可以在較短的時間內(nèi)增加新的虛擬設(shè)備，而且用戶也可以根據(jù)自身需要在平臺中增加或刪減相應(yīng)的虛擬實驗。虛擬實驗平臺還可以提供在線指導(dǎo)功能，學(xué)生在遇到問題時能向老師詢問或與其他同學(xué)交流，老師也可以通過平臺給所有在線的學(xué)生講解實驗的流程。綜上所述，虛擬實驗室較好的解決了現(xiàn)實實驗教學(xué)中時間、空間及資源不足的情況，彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足。虛擬實驗室概念的提出至今已有二十多年，由于其顯著的優(yōu)點，廣闊的應(yīng)用前景，很多國家都進行

9、了關(guān)于虛擬實驗室研究與建設(shè)的工作。近年出現(xiàn)并逐步成熟的虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)使得虛擬實驗室的功能得以進一步延伸。目前虛擬實驗室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣闊，成為一種新的教學(xué)形式并被人們認可。虛擬實驗室是一個無墻的中心，就虛擬教學(xué)而言，一旦建成，除本校學(xué)生可以享用外，亦可通過資源共享，提供給其他院校。這對于一些實驗條件和人力資源均有限的小醫(yī)學(xué)院校而言將帶來極大的便利，使這些學(xué)校的學(xué)生亦可享受到名校的教學(xué)條件和資源。虛擬實驗室的建成和使用將成為我國解決實驗資源緊缺和遠程實驗教育難等問題的重要途徑。目前國外的很多著名大學(xué)，都擁有建好并投入使用的虛擬實驗平臺，覆蓋了各個學(xué)科和專

10、業(yè)。如美國霍普金斯大學(xué)的虛擬工程與科學(xué)實驗室（/virtlab/virtlab.html）；卡耐基-梅隆大學(xué)的卡耐基-梅隆虛擬化學(xué)實驗室（ HYPERLINK /activities/vlab/1 /activities/vlab/1）；德國漢諾威大學(xué)的虛擬自動化工作平臺；意大利帕瓦多大學(xué)的遠程虛擬教育實驗室。國內(nèi)的虛擬實驗室也在逐步建立，如清華大學(xué)的工程力學(xué)虛擬實驗室（ HYPERLINK /resource/thcw/j53/index.htm /resource/thcw/j53/index.htm），浙江大學(xué)的有機化學(xué)虛擬實驗室（ HYPERLINK /100/ /100/），北京科技

11、大學(xué)的材料虛擬實驗室（ HYPERLINK /sytj.asp?fid=229 /sytj.asp?fid=229）。針對醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)方面的虛擬實驗室在國外的大學(xué)中也有建立，如美國猶他大學(xué)遺傳學(xué)實驗室/content/labs/extraction/等。國內(nèi)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的虛擬實驗室尚不多見，因而我國醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實驗室的建設(shè)勢在必行。3醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實驗教學(xué)虛擬實驗室的設(shè)計原則 虛擬實驗室是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的實驗教學(xué)系統(tǒng)，以計算機硬件和軟件作為支撐。虛擬實驗室的構(gòu)建首先要確定設(shè)計原則和目標，并以此為虛擬實驗室建立的指導(dǎo)方向；之后，選擇合適的體系結(jié)構(gòu)模板及技術(shù)進行系統(tǒng)設(shè)計，最

12、后進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布工作。先確定設(shè)計規(guī)則和工作流程，即明確“做什么”；之后做出具體的程序設(shè)計，即確定“如何做”。因而虛擬實驗室的建立需要電子、計算機、機械等各方面人才的通力合作，共同搭建。然而具體到醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)，則首先需要熟悉該學(xué)科教師選擇需要進行的實驗，設(shè)定實驗方案，并以此為整個實驗室搭建的指導(dǎo)方向。我們所設(shè)想建立的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實驗室應(yīng)該具備以下四個條件：1.實驗技術(shù)全，盡可能涵蓋醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的所有技術(shù)；2.具有好的擴展性，新的技術(shù)一旦出現(xiàn)，可以盡快納入虛擬實驗室；3.該實驗室可以完成綜合實驗的設(shè)計；4.具備互動平臺。具體而言，我們的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬教學(xué)實驗室可以提供兩種實驗教學(xué)方式。其一，學(xué)生可以在

13、虛擬教學(xué)實驗室對醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)各項實驗技術(shù)進行學(xué)習(xí)、操作和熟悉；其二，學(xué)生可以自行選擇實驗設(shè)備，試劑，搭建實驗組合，完成實驗或某項遺傳學(xué)診斷，最終獲得相應(yīng)的實驗結(jié)果或診斷結(jié)果。以某疾病遺傳診斷的實驗為例，學(xué)生可以通過臨床診斷（涉及病史問詢、系譜繪制等）、細胞學(xué)檢查（涉及染色體核型分析等）、分子診斷（涉及熒光原位雜交、聚合酶鏈反應(yīng)等技術(shù)）獲得最終結(jié)果。且在該過程中，需要學(xué)生的主觀判斷和選擇，明確下一步的診斷應(yīng)該選取什么樣的方法；獲得的結(jié)果如何解釋。因而整個實驗結(jié)束時，學(xué)生操作能力得到提高的同時，學(xué)生的分析判斷能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新意識也得到了提升，對所掌握實驗技術(shù)的應(yīng)用也有了更深入的了解。此外，虛擬實

14、驗室可以提供學(xué)生舉一反三的機會，深化教學(xué)效果。例如現(xiàn)實實驗教學(xué)課堂最多提供二到三種疾病相關(guān)檢測和設(shè)計，而虛擬實驗室可以提供更多地選擇，讓學(xué)生在熟悉一種實驗設(shè)計的同時，觸類旁通，對相似的檢測或研究都了然于心。此外，我們的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實驗室需要具備很好的互動平臺。在學(xué)習(xí)過程中，老師可以對學(xué)生的設(shè)計及操作給予指導(dǎo)和點評，學(xué)生碰到問題可以向老師請教，同學(xué)間也可以互相探討。綜上所述，嚴謹完整的設(shè)計，是虛擬實驗室成功建立的關(guān)鍵和首要步驟。通過建立醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實驗室的建立能成為傳統(tǒng)真實實驗室的有效補充，是醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)課程建設(shè)的需要。同時，虛擬實驗室的建立通過融入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)等各種先進的技術(shù)與手段，使醫(yī)學(xué)教育開始走上了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、遠程教學(xué)的道路。參考文獻：1A. Ferrero , V. Piuri. A Simulation Tool for Virtual Laboratory Experimentsin a WWW environment. IEEE Transaction on Instrumentation andMeasurement. 1999:741-746.2 Slavko Kocijancic, Cohn OSullivan. Real or virtual laboratories in science tea