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基于Flash的生物化学虚拟仿真实验室的开发与评价

范文

闫路娜王会勇

摘要：阐述了生物化学虚拟仿真实验室的设计、开发及实现过程，并对其教学效果进行了评价，结果表明：基于Flash 技术的生物化学虚拟仿真实验系统，可为学生提供一个操作简便、交互性强的学习实验技能的操作平台，具有激发学生的学习兴趣，拓展知识面，促进学生对实验原理的理解和对实验操作规范的掌握，提高实验教学效果的作用，是生物化学实验教学的重要辅助手段。

关键词：生物化学;虚拟仿真实验室; Flash; 开发;评价

中图分类号：Q 5-33; G434? ? ? ?文献标志码：A

中图分类号：TP393? ? ? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）24-0226-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Development and Evaluation of Virtual Simulation Laboratory for Biochemistry Based on Flash

YAN Lu-na1; WANG Hui-yong2

（1. College of biological sciences and engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2. College of information science and engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract： The paper introduces the design scheme， the development and the realization process of the biochemistry virtual simulation laboratory， and evaluates the teaching effect of the biochemistry virtual simulation laboratory. The result shows that the biochemical virtual simulation laboratory system relying on Flash developed independently can provide the students with a simple and interactive operating platform for learning experiment skills. It can stimulate students' interest in learning， expand the scope of knowledge， promote students' understanding of the experimental principles and grasp the standard of experimental operation， and improve the effect of experimental teaching， and it is an important assistant method in biochemistry experiment teaching.

Key words： Biochemistry; virtual simulation laboratory; Flash; development; evaluation

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上所进行的对传统实验各操作环节的模拟和仿真[1]。自1989年由美国学者William Wolf提出以来，因其具有的低成本、可重复、实验内容表达丰富、共享性好且不受地域场地限制等优势而备受关注，尤其是在临床医学、电子工程、化學、生物学等实验教学中得到了广泛应用[2-4]。从构建技术上来看，仿真实验主要是基于Flash、VRML、Java、Virtools和3D Max等技术进行开发[5-7]。其中Flash具有操作简便、编程元素丰富、输出文件小、交互性强等优点，成为高校、职业技术学院、中小学等非商业机构开发仿真实验的首选[5]。

生物化学实验是生命科学领域的一门专业基础课程，也是高校生物、食品、农学、医药等相关专业的必修实验课。它应用化学的方法和手段来研究有机体中的糖类、脂类、蛋白质、核酸等的分子组成、理化性质、分离纯化过程等内容。与普通化学实验等进行化学反应和分离出“克”数量级的产物相比，生物化学实验进行的是“毫克”和“微克”数量级的研究，往往在实验操作中看不到所研究的物质，实验原理更为抽象，经常造成学生对实验技术理解困难，严重影响生物化学实验的教学效果。因此，基于flash动画的虚拟仿真实验课件的设计开发对传统的生物化学实验教学无疑是一个很好的补充。

1 生物化学虚拟仿真实验平台的设计方案

结合生物化学实验教学大纲，我们选取了考马斯亮蓝结合法测定蛋白质浓度等6个实验作为建设内容。为便于开发工作的同步进行，我们将每个实验都分解为实验简介、实验讲义、实验视频、实验原理、实验演示、实验考核五个基本模块分别构建，其仿真实验系统结构如图1所示。

2 生物化学虚拟仿真实验平台的开发与实现

2.1 素材的收集与处理

生物化学虚拟仿真实验平台的开发离不开素材的准备，素材是仿真实验项目开发的基础。根据生物化学虚拟仿真实验平台的整体架构，首先收集了生物化学实验项目相关的文本文字（*.txt; *.doc）、图形和图像（*.bmp; *.jpg）、声音（*.mp3）和视频（*.avi）等不同格式的素材资料，并按照动画制作和平台构建需要，利用Windows、Photoshop、Premiere和ChemDraw等专业软件对其内容和格式进行了必要的编辑、加工和处理。

2.2 仿真实验的Flash动画制作

生物化学仿真实验依托Flash 8 软件开发制作，每个实验项目都包括前期准备（脚本编写与场景设计）、动画制作和测试与导出三个步骤，其中动画制作是整个仿真实验的核心。Flash动画制作又包括动画元件制作、图层和时间轴构建、动作设计和交互控制等多个复杂环节，具体制作过程可参考方其桂（2015）完成[8]，这里不再赘述。图2所示是实验“大肠杆菌质粒DNA的提取与检测”的“离心过程”Flash动画的图层构建和播放效果。

2.3 虚拟仿真实验平台系统的实现

在Flash生物化学仿真实验的基础上，结合实验讲义（.txt）和实验教学视频（.avi）素材，以Visual Studio 2010作为开发环境，基于.NET Framework 4.0框架开发了生物化学虚拟实验平台软件系统。该平台由教学演示模块和仿真操作模块构成，打开应用程序后，进入登录界面（图3），在该界面下拉菜单可以选择要进入的实验，点击“进入实验”按钮进入到实验界面。从这可以查看实验简介、实验讲义、视频和仿真动画等教学资源，图4所示是生物化学虚拟实验室平台上的“大肠杆菌质粒DNA的提取与检测”仿真动画运行界面。

3 生物化学虚拟仿真实验平台应用教学评价

为测试生物化学虚拟实验室系统的使用效果，2018年12月，我们随机抽取了某高校生物技术、生物科学、药物制剂、药学等专业的103名学生设计了A、B、C三类10个问题进行了调查，共回收调查问卷98份，反馈率95.1%。。结果发现，本项目构建的生物化学虚拟仿真实验，有60.2%的学生表示非常喜欢，另有35.7%的学生较为喜欢，具体如表1和表2所示。

在生物化学虚拟仿真实验的使用效果上，91.8%的学生认为能调动自己学习的积极性，94.9%的学生认为能拓宽实验的知识面，95.9%的学生认为能提高教学效果。具体来看，认为虚拟仿真实验对理解实验原理、了解实验操作步骤、掌握实验操作规范和对实验结果分析有较大帮助的学生分别占总调查人数的62.2%、73.5%、63.3%和52.1%。

在生物化学虚拟仿真实验的教学和使用方式上，66.7%的学生支持虚拟实验与真实实验相结合的教学方式，其中39.0%的学生认为虚拟仿真实验可作为实验预习的一部分，应用于每一个实验项目;另有58.1%的学生赞同将虚拟仿真实验应用于因学时、场地等限制无法开展的项目。

在开放式题型C“您对目前生物化学虚拟实验试用的建议”时发现，学生反映较多的建议是：1）希望实验步骤更详细一些，讲解更全面;2）增加常用实验仪器的使用详解，包含设备照片，内部图解结构等;3）升级实验平台系统，开发通用格式以适应手机和网络同步播放;4）增加实验大纲外的拓展性实验的虚拟仿真，丰富生物化学实验教学内容。这些也为本虚拟仿真实验平台进一步完善提供了宝贵的依据。

4结语

生物化学虚拟仿真实验室是现实生物化学实验教学的重要辅助手段，也成为当前国内外高校生物化学实验室建设的一个热点[9-10]。本研究开发的生物化学虚拟实验室平台软件系统，以Visual Studio 为开发环境，利用.NET Framework和GUI技术，融合Flash动画、教学视频、实验讲义等资料，采用C#语言实现，具有交互性能好，自由性和可扩展性强等特点，在实际教学中受到了学生的热情欢迎，并取得了良好的反馈效果。但同时我们也发现，该系统还存在一些不足之处，因此，继续改进和完善生物化学虚拟仿真实验室平台系统，改革生物化学实验教学模式，提高实验教学效果，将是我们今后不断努力的方向。

参考文献：

[1] 王济军，魏雪峰.虚拟实验的“热”现状与“冷”思考[J].中国电化教育，2011（4）：126-129.

[2] 刘英杰，杨雪，阚宝朋.基于3dsMax 和Virtools 的大学物理虚拟实验的设计与开发[J].现代教育技术，2008（6）：88-92.

[3] Dalgarno B，Bishop AG，Adlong W，et al. Effectiveness of a Virtual Laboratory as a preparatory resource for Distance Education chemistry students [J].Computers & Education，2009，53（3）：853-865.

[4] Raineri D. Virtual laboratories enhance traditional undergraduate biology laboratories [J].Biochemistry and Molecular Biology Education，2001（29）：160-162.

[5] 張学军，李刚.基于Flash 的虚拟实验操作交互设计研究[J].中国远程教育，2011（9）：84-88.

[6] Jiang H. The Research and Implementation of Virtual Laboratory Based on VRML [J].Mechanics and Materials，2014（519-520）：907-910.

[7] Jara C A，Candelas F A，Pomares J，et al. Java Software Platform for the Development of Advanced Robotic Virtual Laboratories [J].Computer Applications in Engineering Education， 2013，21：14-30.

[8] 方其桂.Flash多媒体课件制作实例教程[M].北京：清华大学出版社，2015：4-15.

[9] 张丽娟，古同男.虚拟网络实验室带动生物化学教学模式改革[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：192-192，213.

[10] Trindade V M T，Zanatta G，Arantes P R，et al. Virtual laboratory activities in basic biochemistry[J].Procedia Social and Behavioral Sciences，2013（106）：3329-3334.

【通联编辑：唐一东】

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