3D虛擬技術在生物化學實驗教學中的應用探討,化學教學論文

3D虛擬技術在生物化學實驗教學中的應用探討,化學教學論文本篇論文目錄導航：【化學實驗教學論文【】】【化學實驗教學論文【】】【化學實驗教學論文【】】【化學實驗教學論文【】】【化學實驗教學論文【】】3D虛擬技術在生物化學實驗教學中的應用討論【】論文題目：3D虛擬技術在生物化學實驗教學中的應用討論內容摘要：生物化學實驗教學是基礎醫(yī)學學生科研素質培訓的基礎。隨著生物化學和分子生物學技術的迅猛發(fā)展,實驗設備和耗材的成本也大幅提高。當前,我們國家高校醫(yī)學本科生生物化學實驗教學普遍存在內容更新慢、資源相對短缺等問題。為了提高生物化學實驗課的教學質量,自行設計和制作了可在線使用的生物化學虛擬實驗的教學軟件。學生可通過遠程操作,自學并虛擬實踐復雜的生物化學實驗經過。此虛擬實驗教學軟件可幫助本科學生開拓視野,是傳統(tǒng)生物化學線下實驗教學的有利補充。本文關鍵詞語：生物化學;教學方式方法;實驗教學;教學軟件;生物化學實驗是綜合類高校以及醫(yī)學院校的多個專業(yè)學生必修的一門專業(yè)基礎課程。生物化學實驗課一方面是生物化學理論課的實踐部分,可幫助學生對生物化學的基本概念和經過進行理解;另一方面也具有相對獨立的理論體系和操作流程,是培養(yǎng)醫(yī)學生科研素質的基礎課程[1]。因而,生物化學實驗課的課程設計以及學習效果對醫(yī)學生的科研素質的培養(yǎng)至關重要。1生物化學實驗教學當前存在的問題盡管生物化學實驗課在整個醫(yī)學生的教學體系中占有舉足輕重的地位,但是,當前我們國家很多高校本科生的生物化學實驗的教學實踐卻普遍面臨著多重因素的嚴峻挑戰(zhàn)[2]。這種挑戰(zhàn)主要具體表現(xiàn)出在:①生物化學實驗課內容的更新速度趕不上生物技術的迅猛發(fā)展,存在著相對的滯后性。這種滯后性的存在是由于我們國家的醫(yī)學生的培養(yǎng)規(guī)模宏大,而如今的生物化學的設備、試劑普遍非常昂貴,教學場地和經費的限制導致了很多已經在研究性實驗室中普遍應用的技術無法引入本科生的實驗教學中[3]。②隨著實驗設備的精致細密程度以及先進性的增加,反而會降低學生親身動手操作的時機,所以很多本科生課程為了增加學生動手能力,寧愿選擇傳統(tǒng)的實驗方式方法,導致本科階段的學習與實際研究脫節(jié)[3,4]。③由于很多生物化學實驗耗時較長,且操作時間不連續(xù),課時數(shù)的限制也影響了綜合性整合式生物化學實驗內容的廣泛使用[3,4]。2生物化學實驗教學中3D虛擬技術的詳細應用為了適應當代化的生物化學實驗教學的需求,解決當前教學中存在的這些矛盾,我們教學小組嘗試利用虛擬現(xiàn)實技術整合網絡資源,開發(fā)設計以3D虛擬技術的生物化學實驗教學軟件,以作為本科生生物化學線下實驗的有利補充。下面,筆者以OB/OB肥胖型小鼠與正常小鼠的肝蛋白組雙向熒光差異表示出譜分析實驗為例,介紹在線實驗教學軟件的設計、制作以及初步應用的基本情況。2.1實驗內容選擇的原則由于虛擬實驗不需要考慮實驗的技術和設備的成本,因而我們實驗設計的原則為:①選擇實驗室科學研究中正在使用的最先進的技術,能夠使學生能夠得到比擬真實的科研訓練。例如,OB/OB肥胖型小鼠與正常小鼠的肝蛋白組雙向熒光差異表示出譜分析就是學習的當前蛋白組學的熒光二向電泳技術。利用AlphaLISA技術檢測人血清腫瘤標志物甲胎蛋白(AFP)的含量就是當前PE公司最先進的AlphaLISA技術。這些技術固然已經在研究工作中得到了應用,但是成本消耗損費宏大,很多高校沒有在本科生中進行這些實驗的必需設備和充足的教學經費。因而,我們希望充分利用虛擬技術的優(yōu)勢,將這類實驗引入在線的虛擬實驗中,以開拓學生的視野。②選擇整合型、開發(fā)型的綜合實驗。仍以OB/OB肥胖型小鼠與正常小鼠的腦蛋白組雙向熒光差異表示出譜分析為例,本實驗共包括了樣本制備、蛋白濃度測定、SDS電泳、等電聚焦電泳以及熒光掃描和銀染染色五大部分。固然每個部分都是一個相對獨立的實驗技術,但我們將其進行整合作為一個綜合實驗,有著明確的實驗目的,能夠培養(yǎng)學生以問題為導向的科研思路。2.2軟件的框架設計本教學軟件分為兩大部門:第一部分為完好的文字實驗方案部分,包含實驗目的、實驗原理以及實驗步驟等,學生能夠通過文字部分的自學,把握整個實驗的目的和方案;第二部分是實驗的操作界面。本部分采取分模塊、分步驟的形式,這樣學生既能夠從頭開場整個綜合性的實驗操作,可以以選擇進行單項實驗的操作。例如,蛋白濃度測定、SDS電泳等版塊就是將傳統(tǒng)教學資料中的單一實驗進行了融合,學生可以以利用這些版塊對實驗課的內容進行溫習和熟悉。2.3軟件界面和操作的設計原則①軟件采用第一人稱視角仿真設計。軟件出現(xiàn)的設備、試劑等全部參照實驗室原物仿真設計,保證了學生較好的體驗感。尤其值得一提的是,所有設備的操作界面都是接觸式設置。例如等電聚焦電泳儀的電壓和電泳時間的設置,全部采用和儀器一樣的接觸式按鈕設置的方式,能夠幫助學生真實模擬大型精致細密儀器的使用方式方法。②實驗的操作版本有含操作提示和不含操作提示兩種方式,以適應不同程度學生的使用需求。假如研究生和高年級學生在使用此軟件時,建議他們使用不含操作提示的形式,這樣所有的儀器設備、移液器、試劑均需自行根據標準的實驗步驟來選擇和進行,難度較大,但是學生的自主性更強。對于沒有實驗室經歷體驗的低年級學生,則能夠打開操作提示,在操作提示的幫助下完成整個實驗。2.4探尋求索性的原則在整個軟件中的具體表現(xiàn)出在軟件設計中我們設計了一些計算和操作的問題環(huán)節(jié),啟發(fā)學生的主動性和興趣。比方,在熒光標記蛋白樣品時,我們只在實驗步驟中指出需要標記100g的蛋白樣品,但是詳細需要的樣品體積則需要學生根據前一部分蛋白定量的實驗結果計算出的蛋白樣品的濃度,然后進行換算才能得出。假如學生參加的體積不對,則會提示學生重新計算。另外,設備的設置也是如此,參數(shù)設置的錯誤后,系統(tǒng)會顯示整個實驗失敗。這些環(huán)節(jié)的引入發(fā)揮了操作者的主動性,避免了傳統(tǒng)教學中有些學生只當操作工、不動腦筋的缺點。2.5在線遠程操作的形式軟件采用網頁的形式,學生能夠在受權登錄后,在任意地點直接聯(lián)網進行操作,非常方便,實現(xiàn)遠程操作。由于虛擬實驗沒有耗材成本,我們擬在本軟件開發(fā)成熟后,將此軟件無償?shù)貙χ形鞑繉嶒炗布l件較差的醫(yī)學院校的學生開放,給他們提供遠程學習先進生物化學實驗技術的時機,促進我們國家整體的生物化學實驗教學質量。2.6軟件的初步應用情況該軟件在第一版推出后,我們首先在少量研究生中進行了試用。研究生對這類教學軟件的反應較好,以為虛擬實驗形式較新穎,是一個自學新技術和新實驗的非常好的平臺。但是,也有學生反應用電腦操作一個復雜實驗,時間較長,建議分成小實驗來進行。根據這些意見和建議,我們將復雜的綜合實驗進行了板塊化分割,學生可自行選擇綜合實驗形式還是小實驗形式。當前我們正在臨床5年制的學生中進行初步的實踐,其反應情況將在開放一學期后進行收集統(tǒng)計。綜上所述,借助信息科學的迅猛發(fā)展,我們自行設計并制作了虛擬生物化學實驗教學軟件,以期能夠開拓醫(yī)學生的科研視野,提高醫(yī)學生的科研素質。該教學改革項目當前獲得了一定的效果。十分要強調的是,虛擬實驗并不是也不可能取代線下的實驗教學。虛擬實驗通過發(fā)揮其遠程、無耗材成本、互動性和自主性強等特點,能夠成為生物化學實驗線下教學的有利補充,促進生物化學實驗教學更好地發(fā)展。以下為參考文獻[1]ADAMSDJ.Currenttrendsinlaboratoryclassteachinginuniversitybioscienceprogrammes[J].BiosciEducE,2018,13(1):1-14.[2]秦建,李蘋,楊一平,等.生物化學實驗教學改革的嘗試[J].實驗科學與技術,200