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摘 要 实验教学是培养学生专业技术应用能力和解决问题能力的重要环节。网络信息技术的迅猛发展并在高等学校教学中的应用，为开发虚拟实验提供了有力的平台。以基因工程“植物DNA抽提虚拟实验”开发为例，详细介绍虚拟实验开发与实现的基本思路及设计原则，以期对其他课程探索开发虚拟实验提供有益参考。
关键词 虚拟实验；实验教学；DNA抽提实验
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2012)27-0034-02
Design and Realization of Network Virtual Experiment System: Taking Virtual Experiment of Plant DNA Extraction as an Example//Zhang Yushan, Zhang Linfei
Abstract The experimental teaching is the important way to train students’ technical application ability and the ability of solving problems. With the rapid development and application of network information technology in the university teaching, it will provide a strong platform to develop a virtual experiment. In this paper, taking virtual experiment of plant DNA extraction of gene engineering as an example, the basic ideas and principles of design of virtual experiment were summarized in detail. It will provide useful reference for other courses to develop the virtual experiments.
Key words virtual experiment; experimental teaching; experiment of plant DNA extraction
Author’s address University of Electronic Science and Technology of China Zhongshan Institude, Zhongshan, Guangdong, China 528402
虚拟实验是依托虚拟现实技术而产生和发展的一种实验模式，是利用计算机及仿真软件来模拟实验的环境及过程，让学生通过计算机操作来做实验，以代替或加强传统进行的真实环境下的实验[1]。随着高等教育网络技术的迅猛发展和广泛应用，采用网络虚拟技术创建虚拟实验室具有重要意义：1）不需要昂贵的设备和试剂，节约大量的实验经费；2）无需实验室，这对于一些实验室的建设、日常管理规范、实验项目的开设等方面经验很少，可用实验教学资源非常有限的学校来说，很有意义[2-3]；3）可以避免实验中产生的废水废液等污染环境。
电子科技大学中山学院在教学质量工程建设中，建立了网络数字化教学平台，为开发虚拟实验提供了良好的数字技术平台。下面笔者以创建“植物DNA抽提虚拟实验”设计与开发为例，说明学校开发虚拟实验的基本过程和设计原则。
1 实验流程的编写和实验流程的编程
如何将“植物DNA抽提实验”的复杂实验步骤编写成适合编程的实验流程，并针对实验流程编写程序，开发虚拟实验，这是首要解决的问题。实验流程的编写是学校生物系基因工程专任教师完成的，他们按照植物DNA抽提的实验目的，对植物DNA抽提实验步骤进行细分，删繁就简，而关键步骤和重要现象必须在步骤中凸显出来。这样整个DNA抽提的实验步骤被改编成重点突出、适合编程的实验流程，交给计算机系的学生进行编程实现。计算机系学生严格按照实验流程，通过编程完成专任教师编写的实验流程。
2 虚拟实验的设计原则[4]
1）虚拟实验逐步运行，无法跳跃到下一步。为确保学生逐步运行实验而不是跳过一些步骤，这一原则非常重要。
2）虚拟实验运行程序传送速度快，画面流畅。虚拟实验软件应该占用内存小，接收迅速。这样保证实验运行时画面流畅。
3）虚拟实验每步主要内容屏幕显示，提示性操作。虚拟实验可激发学生的学习兴趣，巩固学习效果[5]。通过屏幕提示操作，很容易完成实验。
4）编程中简单实验步骤合并处理与实验重要现象凸显的处理。对编好的实验流程进行编程处理时，将那些简单的、学生都熟悉的实验步骤合并一起，只需鼠标在目标物点击一次，这些细小动作即可连续完成，而对于实验过程中出现的重要实验现象，则使用不同颜色和文字进行凸显。
如要将摇匀的、表面充满黄色泡沫的DNA抽提液，加入离心机中进一步离心，只需用鼠标对箭头所指的离心管点击一下，离心管会自动进入离心机内，而实际操作步骤如开启电源、打开离心机盖、盖好离心机盖等这些学生熟悉的步骤合并后会连续自动完成，而无需点击一次鼠标运行一个步骤。而对于离心前后，离心管抽提液分层前后颜色差异，不仅使用不同颜色强调这种差异，而且也使用文字标注进行凸显，如图1所示。
3 虚拟实验的技术选取和结构组成
3.1 技术选取
虚拟实验技术选取主要考虑经费因素和虚拟实验开发人员所具备的计算机知识和水平。
尽管使用3D游戏引擎Torque可以开发三维虚拟实验环境，但购买该软件费用较贵，同时对编程人员编程水平都有相当要求。另外，编写的3D虚拟实验程序不仅占用内存很大，而且运行过程中需要许多程序支持，因此传输下载速度很慢。 为此，选用Macromedia Flash作为虚拟实验的开发平台。Macromedia Flash优点：1）Flash技术日趋成熟，它所具有的强大功能满足开发者的需求，保证了虚拟实验室功能的实现；2）Flash引入ActionScript脚本语言，能让开发者通过编写脚本语言完成特定事件；3）Flash具有输出文件小、传送速度快、画面流畅等特点。
按照实验流程，将每步所需的实验器材放入主场景中，再通过编写Flash脚本语言ActionScript实现实验场景中虚拟实验器材的点击、拖拽、交互等动作，让虚拟实验更具真实性，营造出虚拟实验环境[4]。这对于软件开发人员编程水平要求不算高，计算机系的一些学生就具备这样的水平。
3.2 虚拟实验的结构组成
“DNA抽提虚拟实验”的界面，主要由实验器具、实验流程、操作说明、成绩提交、开始实验等几部分组成（见图2）。实验前通过查看实验器具，实验者对DNA抽提实验的过程和所用到的器材有所了解。通过查看虚拟实验的操作说明，明确实验步骤和内容，了解如何操作虚拟实验。
实验器具这部分，详细列出本次实验所用到的实验仪器和器皿；实验流程即编写程序的实验流程，简明扼要地描述了每一步实验的内容；操作说明则主要针对本虚拟实验如何操作进行简单介绍，包含鼠标点击和拖曳动作何时使用；开始实验是开始允许虚拟实验的按钮，点击该按钮，开始允许虚拟实验。
虚拟实验“成绩提交”中的实验成绩，是按照学生运行完整实验次数来计分的。开发的“植物DNA抽提实验”，程序设置学生必须完成12次实验才及格；学生要想获得更高成绩，必须多次运行该实验。虚拟实验正是通过实验者多次运行实验程序，学生才能掌握实验步骤和重要的实验现象，基本达到与真实实验一样的目的。
实验者在运行虚拟实验之前，首先可以通过实验器具、实验流程和操作说明等部分，了解本实验的实验步骤和操作步骤，相当于实验前预习；随后就可以点击“开始实验”进行实验。如今，大学生中计算机基本普及，开展虚拟实验不仅不受实验场地限制，可以在教室、图书馆和寝室运行，而且能够做到人人动手操作，最大限度地实现通过实验教学培养学生动手能力之目的。
参考文献
[1]吴凯威,刘志刚,刘青,等.“基因工程虚拟实验室”的设计与开发[J].实验室研究与探索,2006,25(5):561-564.
[2]屠静芬,夏欣.网络课程数字化环境建设及教学新方法[J].中国电化教育,2010(7):82-85.
[3]印国成.虚拟实验室在独立学院的应用研究[J].中国科教创新导刊,2010(22):36,38.
[4]张玉山,张麟飞,关伟雄,等.基因工程实验教学改革的实践探索[J].实验科学与技术,2011,9(2):94-96.
[5]Subramanian R, Marsic I. ViBE: Virtual Biology Experiments[C]//Proceedings International WWW Conference. Hong Kong:2001.
关键词 虚拟实验；实验教学；DNA抽提实验
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2012)27-0034-02
Design and Realization of Network Virtual Experiment System: Taking Virtual Experiment of Plant DNA Extraction as an Example//Zhang Yushan, Zhang Linfei
Abstract The experimental teaching is the important way to train students’ technical application ability and the ability of solving problems. With the rapid development and application of network information technology in the university teaching, it will provide a strong platform to develop a virtual experiment. In this paper, taking virtual experiment of plant DNA extraction of gene engineering as an example, the basic ideas and principles of design of virtual experiment were summarized in detail. It will provide useful reference for other courses to develop the virtual experiments.
Key words virtual experiment; experimental teaching; experiment of plant DNA extraction
Author’s address University of Electronic Science and Technology of China Zhongshan Institude, Zhongshan, Guangdong, China 528402
虚拟实验是依托虚拟现实技术而产生和发展的一种实验模式，是利用计算机及仿真软件来模拟实验的环境及过程，让学生通过计算机操作来做实验，以代替或加强传统进行的真实环境下的实验[1]。随着高等教育网络技术的迅猛发展和广泛应用，采用网络虚拟技术创建虚拟实验室具有重要意义：1）不需要昂贵的设备和试剂，节约大量的实验经费；2）无需实验室，这对于一些实验室的建设、日常管理规范、实验项目的开设等方面经验很少，可用实验教学资源非常有限的学校来说，很有意义[2-3]；3）可以避免实验中产生的废水废液等污染环境。
电子科技大学中山学院在教学质量工程建设中，建立了网络数字化教学平台，为开发虚拟实验提供了良好的数字技术平台。下面笔者以创建“植物DNA抽提虚拟实验”设计与开发为例，说明学校开发虚拟实验的基本过程和设计原则。
1 实验流程的编写和实验流程的编程
如何将“植物DNA抽提实验”的复杂实验步骤编写成适合编程的实验流程，并针对实验流程编写程序，开发虚拟实验，这是首要解决的问题。实验流程的编写是学校生物系基因工程专任教师完成的，他们按照植物DNA抽提的实验目的，对植物DNA抽提实验步骤进行细分，删繁就简，而关键步骤和重要现象必须在步骤中凸显出来。这样整个DNA抽提的实验步骤被改编成重点突出、适合编程的实验流程，交给计算机系的学生进行编程实现。计算机系学生严格按照实验流程，通过编程完成专任教师编写的实验流程。
2 虚拟实验的设计原则[4]
1）虚拟实验逐步运行，无法跳跃到下一步。为确保学生逐步运行实验而不是跳过一些步骤，这一原则非常重要。
2）虚拟实验运行程序传送速度快，画面流畅。虚拟实验软件应该占用内存小，接收迅速。这样保证实验运行时画面流畅。
3）虚拟实验每步主要内容屏幕显示，提示性操作。虚拟实验可激发学生的学习兴趣，巩固学习效果[5]。通过屏幕提示操作，很容易完成实验。
4）编程中简单实验步骤合并处理与实验重要现象凸显的处理。对编好的实验流程进行编程处理时，将那些简单的、学生都熟悉的实验步骤合并一起，只需鼠标在目标物点击一次，这些细小动作即可连续完成，而对于实验过程中出现的重要实验现象，则使用不同颜色和文字进行凸显。
如要将摇匀的、表面充满黄色泡沫的DNA抽提液，加入离心机中进一步离心，只需用鼠标对箭头所指的离心管点击一下，离心管会自动进入离心机内，而实际操作步骤如开启电源、打开离心机盖、盖好离心机盖等这些学生熟悉的步骤合并后会连续自动完成，而无需点击一次鼠标运行一个步骤。而对于离心前后，离心管抽提液分层前后颜色差异，不仅使用不同颜色强调这种差异，而且也使用文字标注进行凸显，如图1所示。
3 虚拟实验的技术选取和结构组成
3.1 技术选取
虚拟实验技术选取主要考虑经费因素和虚拟实验开发人员所具备的计算机知识和水平。
尽管使用3D游戏引擎Torque可以开发三维虚拟实验环境，但购买该软件费用较贵，同时对编程人员编程水平都有相当要求。另外，编写的3D虚拟实验程序不仅占用内存很大，而且运行过程中需要许多程序支持，因此传输下载速度很慢。 为此，选用Macromedia Flash作为虚拟实验的开发平台。Macromedia Flash优点：1）Flash技术日趋成熟，它所具有的强大功能满足开发者的需求，保证了虚拟实验室功能的实现；2）Flash引入ActionScript脚本语言，能让开发者通过编写脚本语言完成特定事件；3）Flash具有输出文件小、传送速度快、画面流畅等特点。
按照实验流程，将每步所需的实验器材放入主场景中，再通过编写Flash脚本语言ActionScript实现实验场景中虚拟实验器材的点击、拖拽、交互等动作，让虚拟实验更具真实性，营造出虚拟实验环境[4]。这对于软件开发人员编程水平要求不算高，计算机系的一些学生就具备这样的水平。
3.2 虚拟实验的结构组成
“DNA抽提虚拟实验”的界面，主要由实验器具、实验流程、操作说明、成绩提交、开始实验等几部分组成（见图2）。实验前通过查看实验器具，实验者对DNA抽提实验的过程和所用到的器材有所了解。通过查看虚拟实验的操作说明，明确实验步骤和内容，了解如何操作虚拟实验。
实验器具这部分，详细列出本次实验所用到的实验仪器和器皿；实验流程即编写程序的实验流程，简明扼要地描述了每一步实验的内容；操作说明则主要针对本虚拟实验如何操作进行简单介绍，包含鼠标点击和拖曳动作何时使用；开始实验是开始允许虚拟实验的按钮，点击该按钮，开始允许虚拟实验。
虚拟实验“成绩提交”中的实验成绩，是按照学生运行完整实验次数来计分的。开发的“植物DNA抽提实验”，程序设置学生必须完成12次实验才及格；学生要想获得更高成绩，必须多次运行该实验。虚拟实验正是通过实验者多次运行实验程序，学生才能掌握实验步骤和重要的实验现象，基本达到与真实实验一样的目的。
实验者在运行虚拟实验之前，首先可以通过实验器具、实验流程和操作说明等部分，了解本实验的实验步骤和操作步骤，相当于实验前预习；随后就可以点击“开始实验”进行实验。如今，大学生中计算机基本普及，开展虚拟实验不仅不受实验场地限制，可以在教室、图书馆和寝室运行，而且能够做到人人动手操作，最大限度地实现通过实验教学培养学生动手能力之目的。
参考文献
[1]吴凯威,刘志刚,刘青,等.“基因工程虚拟实验室”的设计与开发[J].实验室研究与探索,2006,25(5):561-564.
[2]屠静芬,夏欣.网络课程数字化环境建设及教学新方法[J].中国电化教育,2010(7):82-85.
[3]印国成.虚拟实验室在独立学院的应用研究[J].中国科教创新导刊,2010(22):36,38.
[4]张玉山,张麟飞,关伟雄,等.基因工程实验教学改革的实践探索[J].实验科学与技术,2011,9(2):94-96.
[5]Subramanian R, Marsic I. ViBE: Virtual Biology Experiments[C]//Proceedings International WWW Conference. Hong Kong:2001.