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基因工程虛擬實(shí)驗室設計與管理探析論文
摘要：目前，學(xué)員數量的激增與現有學(xué)校教學(xué)資源的緊缺之間形成了比較大的矛盾。為了在有限的資源下滿(mǎn)足學(xué)生對基因工程技術(shù)的實(shí)踐能力的形成，學(xué)校對基因工程虛擬仿真實(shí)驗室的建設投入了大量的研究。該仿真實(shí)驗室的建立可以不需要借助真實(shí)的實(shí)驗設備和試劑即達到模擬真實(shí)實(shí)驗操作的體驗，以幫助學(xué)員進(jìn)行真實(shí)操作前的培訓和練習，同時(shí)不受空間和時(shí)間得限制。本文主要從實(shí)驗室建設的意義、建設內容以及運行機制進(jìn)行了闡述，以期待為該技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用提供相關(guān)理論認識。
關(guān)鍵詞：基因工程；虛擬仿真；運行機制
基因工程技術(shù)在促進(jìn)新產(chǎn)品的高質(zhì)量產(chǎn)出方面具有非常大的優(yōu)勢，被認為是21世紀最具發(fā)展前途的技術(shù)之一。該學(xué)科不僅要求學(xué)生具有非常扎實(shí)的理論基礎知識，而且還有精準的實(shí)驗操作能力和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。而基因工程相關(guān)技術(shù)的學(xué)習和技術(shù)操作實(shí)踐需要借助于較大型的實(shí)驗儀器反復的操作練習，并且實(shí)驗所需試劑也非常昂貴，因此無(wú)論從設備試劑資源還是費用開(kāi)支方面，都難以滿(mǎn)足學(xué)生進(jìn)行大量的實(shí)際動(dòng)手培訓和學(xué)習。隨著(zhù)高校人數的日益增加，實(shí)驗設備和實(shí)驗室空間顯得越發(fā)不足和緊張。如何在有限的空間和經(jīng)費的支持下，最大程度的讓學(xué)生在實(shí)踐操作中學(xué)習基因工程的理論知識，是每一所開(kāi)設基因工程院校所亟待解決的問(wèn)題。上個(gè)世紀80年代，美國的虛擬仿真技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)迅速引起了廣大科技人員的關(guān)注。該技術(shù)通過(guò)計算機的3D建模計術(shù)計算實(shí)驗室里不同視角下物體的間距和比例模擬生產(chǎn)一個(gè)虛擬的實(shí)驗環(huán)境，即將真實(shí)的實(shí)驗室環(huán)境模擬到計算機上形成一個(gè)虛擬實(shí)驗室界面，讓學(xué)生在線(xiàn)學(xué)習和操作。這種模擬技術(shù)如果應用于基因工程實(shí)驗模擬開(kāi)發(fā)上，即可很好的解決基因工程院校設備資源不足和經(jīng)費開(kāi)支巨大的問(wèn)題。
一、虛擬仿真實(shí)驗室的概念及其特點(diǎn)
虛擬仿真技術(shù)，出現于上個(gè)世紀的80年代末，當時(shí)美國弗吉尼亞大學(xué)的William Wolf教授提出了虛擬實(shí)驗室的概念，他的目的是用來(lái)描述一個(gè)“以計算機網(wǎng)絡(luò )化為基礎”的虛擬實(shí)驗室的環(huán)境。何為虛擬實(shí)驗室？即以計算機網(wǎng)絡(luò )為基礎，通過(guò)編程和設計，實(shí)現真實(shí)實(shí)驗室環(huán)境的再現，該環(huán)境的真實(shí)性一般要接近甚至優(yōu)于真實(shí)環(huán)境。實(shí)驗者可以通過(guò)該軟件提供的虛擬實(shí)驗室界面，完成實(shí)驗前的培訓以及預實(shí)驗，并且軟件會(huì )根據相應的程序對實(shí)驗者的實(shí)驗過(guò)程進(jìn)行評價(jià)。相對真實(shí)實(shí)驗室，虛擬仿真實(shí)驗室具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）性?xún)r(jià)比高。虛擬仿真實(shí)驗室只需特定的軟件支撐，無(wú)序購買(mǎi)大量的昂貴設備，但是卻能讓學(xué)員感受到真實(shí)的實(shí)驗室環(huán)境。（2）目標明確。真實(shí)實(shí)驗室中，由于老師與學(xué)生都具有非常明顯的主觀(guān)行為，許多主觀(guān)行為的出現會(huì )干擾教學(xué)效果，而虛擬仿真實(shí)驗室可以直接進(jìn)入主題，忽略許多無(wú)關(guān)緊要的細節，節約教學(xué)時(shí)間。（3）教學(xué)時(shí)間靈活。由于網(wǎng)絡(luò )的共享或者軟件的獨立性，這種仿真實(shí)驗室內的實(shí)踐操作可以打破空間的局限性，使得學(xué)員隨時(shí)隨地可以進(jìn)行學(xué)習。
二、基因工程虛擬實(shí)驗室功能特點(diǎn)
基因工程虛擬仿真實(shí)驗室的設計與建立，一方面可以解決學(xué)校內部空間以及經(jīng)費的緊張的問(wèn)題，另一方面還可以使得學(xué)員在虛擬仿真實(shí)驗環(huán)境中學(xué)習基因工程相應的操作技術(shù)，做到學(xué)有所用，加強理論與實(shí)踐的結合�；蚬こ烫摂M仿真實(shí)驗室的建設不僅需要生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)知識，還需要計算機軟件編程設計相關(guān)知識，如何將二者有效的結合起來(lái)完成基因工程虛擬仿真實(shí)驗室的建設是該平臺落成的關(guān)鍵和難點(diǎn)。
1.“基因工程虛擬仿真實(shí)驗室”可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )資源共享。軟件設計一方面可脫離網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，軟件安裝在電腦上后，可以直接運行，讓學(xué)員可自由自主的學(xué)習和上機操作，且不受網(wǎng)絡(luò )的限制。另一方面，軟件可實(shí)現網(wǎng)上資源共享，通過(guò)個(gè)人賬戶(hù)登錄，學(xué)員之間可將成績(jì)、數據結果、疑難問(wèn)題上傳實(shí)現遠程交流學(xué)習和討論，也可求助在線(xiàn)教師的指導。
2.“基因工程虛擬仿真實(shí)驗室”可實(shí)現軟件教學(xué)。學(xué)習平臺上除了有一個(gè)虛擬的操作平臺還可提供精簡(jiǎn)優(yōu)秀的教學(xué)頻頻及資料信息，讓學(xué)員能夠迅速地對抽象的理論概率有更直觀(guān)形象的理解，真正讓學(xué)員實(shí)現理論和實(shí)踐學(xué)習的結合。
3.“基因工程虛擬仿真實(shí)驗室”可具有良好的評價(jià)功能，這種評價(jià)應該分為“軟件自評”以及“教師評價(jià)”兩種層次。軟件自評可方便學(xué)員的自學(xué)，還會(huì )對實(shí)驗過(guò)程中出現的問(wèn)題進(jìn)行整理，以方便學(xué)員能夠及時(shí)更正，歸納和提升。教師評價(jià)可方便教師對學(xué)生的操作過(guò)程進(jìn)行評定和指導。
4.“基因工程虛擬仿真實(shí)驗室”可具有干凈整潔甚至更加舒適的視覺(jué)美感。實(shí)驗本身是比較枯燥的，這在實(shí)際的實(shí)驗環(huán)境中是無(wú)法避免的；但是模擬環(huán)境中，我們可以充分的發(fā)揮設計人員的主觀(guān)能動(dòng)性，增添模擬環(huán)境的一些美感和舒適感。
三、基因工程模擬仿真實(shí)驗室設計內容
本文主要是從總體上對“基因工程虛擬仿真實(shí)驗室”進(jìn)行介紹，對于其中涉及到基因工程和計算機編程設計中相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識不做詳細介紹�；谝陨显O計理念，我們將“基因工程仿真實(shí)驗室”的建設細分為以下幾個(gè)方面。
1.軟件主頁(yè)的設計。其實(shí)對于軟件本身而言，主頁(yè)界面可幫助學(xué)員迅速了解軟件的內容和如何使用該軟件。學(xué)員在該界面可以找到所有的操作命令，引導學(xué)員進(jìn)一步的學(xué)習。主頁(yè)應該包括軟件版權問(wèn)題的確認、軟件使用說(shuō)明、學(xué)員賬號的注冊、“基因工程技術(shù)理論介紹”、“基因工程技術(shù)真實(shí)人員的操作過(guò)程演示”、“基因工程技術(shù)仿真模擬自練模塊”、“技術(shù)仿真模擬考核界面”、“操作人員實(shí)際操作情況評價(jià)界面”以及“群內操作人員操作情況對比界面”.
2.“基因工程技術(shù)理論介紹部分”內容的設計。該部分主要將基因工程技術(shù)所涉及到的生物化學(xué)、微生物相關(guān)的背景以圖示加簡(jiǎn)明扼要的文字組成，學(xué)院進(jìn)行模擬實(shí)驗操作前可以先對理論知識進(jìn)行簡(jiǎn)單的回顧，如果在理解時(shí)有其他問(wèn)題需要尋求幫助時(shí)，可以啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )連接窗口，進(jìn)行網(wǎng)上搜索。這部分內容由于以教學(xué)為目的，可以考慮多增加動(dòng)畫(huà)的演示，以使學(xué)員對理論知識有比較全面的認識。
3.“基因工程技術(shù)真實(shí)人員操作演示”內容的設計。該部分內容主要是首先向學(xué)員展示實(shí)際環(huán)境中，基因工程技術(shù)試驗操作的規范步驟。它的意義在于為學(xué)院實(shí)踐設定一個(gè)標準，同時(shí)可附有專(zhuān)業(yè)技師規范操作視頻，便于學(xué)員快速的學(xué)習和模仿。
4.“基因工程技術(shù)仿真模擬自練模塊”的設計。這一部分主要是為了模擬真實(shí)實(shí)驗課堂上學(xué)員對實(shí)驗步驟反復操作的過(guò)程。這個(gè)模塊設定了很多既定的操作規范，當學(xué)員操作不規范時(shí)，系統會(huì )發(fā)出警示，提醒和規范學(xué)員的操作，指導學(xué)員將該技術(shù)掌握規范。這個(gè)模塊也存在一個(gè)最終評價(jià)指標，只有學(xué)員達到了這個(gè)指標后才能進(jìn)入下一步的考核階段。
5.“基因工程技術(shù)仿真模擬考核界面”的設計。該部分主要的目的就是考察學(xué)員對基因工程相關(guān)操作技術(shù)的掌握情況。這種界面主要包括考核日期的選擇、理論知識的考核，考核階段實(shí)驗器材的領(lǐng)取、實(shí)驗步驟的操作以及考核成績(jì)的查詢(xún)。學(xué)員可以根據自己的時(shí)間安排選擇合適的考核日期；并且還應該根據實(shí)驗需要選擇所需實(shí)驗器材等。
6.“群內交流”界面的設計。該模塊主要是為了方便注冊學(xué)員之間就技術(shù)難題，自己的操作體驗進(jìn)行交流，這種交流信息的整合一方面可以幫助老師了解學(xué)員所關(guān)注的問(wèn)題以及感興趣的話(huà)題，另一方面還有助于軟件功能的升級。
四、基因工程模擬仿真實(shí)驗室的運行管理規范
基因工程模擬仿真實(shí)驗室的運行也需要像專(zhuān)業(yè)實(shí)驗室一樣有一定的管理運行體制，以保證仿真實(shí)驗室順利運行。本仿真實(shí)驗室設置了以下幾個(gè)崗位：實(shí)驗室主任、軟件客戶(hù)端管理人員、軟件后臺數據處理與維護人員。與實(shí)際實(shí)驗室主任職責不同的是，仿真實(shí)驗室主任主要負責前期實(shí)驗室仿真軟件的規劃與人員的協(xié)調，當軟件設置成功后，主任主要是考察軟件運行時(shí)所涉及到的基因工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)以及為了將來(lái)技術(shù)升級做好前期的考察，并且有能力組織相應的人員進(jìn)行軟件的維護和更新。軟件客戶(hù)端管理主要負責客戶(hù)端界面的維護與升級。比如軟件是學(xué)校本身的資源，考慮到產(chǎn)權和專(zhuān)利所有權的問(wèn)題，可設計相關(guān)密碼保護。一般在用戶(hù)界面會(huì )設有登錄界面，以及頭像或者指紋鑒別系統，幫助系統對操作人員的鑒別。軟件后臺數據處理與維護人員主要負責軟件前臺搜集到的數據的處理，包括數據結構的分析以及算法的優(yōu)化，整理出相應的數據報告，報告給主任，以此幫助新軟件開(kāi)發(fā)。雖然基因工程模擬仿真實(shí)驗室的建設具有很強的實(shí)踐意義，它可以幫助學(xué)校節省建造專(zhuān)業(yè)實(shí)驗室以及購買(mǎi)新設備的經(jīng)費，還可以方便學(xué)生對該技術(shù)的學(xué)習和反復的操作練習，但是現階段由于技術(shù)上的不足，仿真實(shí)驗室與真實(shí)實(shí)驗室之間還是存在較大差距。
主要有以下幾點(diǎn)：
�。�1）實(shí)驗過(guò)程有刪減。仿真實(shí)驗室為了節省時(shí)間，一般會(huì )省去許多無(wú)關(guān)緊要的細節部分，但是這些細節往往在真實(shí)實(shí)驗中是存在的，比如滅菌過(guò)程、平板的洗滌、以及實(shí)驗試劑的配備和存放等。而實(shí)驗試劑的配備和存放以及滅菌等相關(guān)過(guò)程需要實(shí)驗者的耐心和細心的能力是軟件平臺上還無(wú)法真實(shí)模擬的。
�。�2）電腦操作和實(shí)際操作的差距。這是目前仿真實(shí)驗室建立過(guò)程中遇到的典型的問(wèn)題。因為學(xué)員主要依靠鼠標或者觸摸的辦法對模擬一起進(jìn)行操作，但是真實(shí)實(shí)驗中很多的操作是需要手感的，因此仿真無(wú)法做到這一點(diǎn)。
總之，基因工程仿真模擬實(shí)驗室在幫助學(xué)員做到理論與實(shí)踐相結合，增加其對該部分知識的認知方面將會(huì )發(fā)揮很大的作用，雖然該實(shí)驗室的建立還會(huì )存在很多的問(wèn)題，但是我們也堅信隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，還會(huì )有更加全面的技術(shù)會(huì )面世。
參考文獻：
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