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基因工程虛擬實驗室設計與管理探析論文
摘要：目前，學員數量的激增與現有學校教學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足學生對基因工程技術的實踐能力的形成，學校對基因工程虛擬仿真實驗室的建設投入了大量的研究。該仿真實驗室的建立可以不需要借助真實的實驗設備和試劑即達到模擬真實實驗操作的體驗，以幫助學員進行真實操作前的培訓和練習，同時不受空間和時間得限制。本文主要從實驗室建設的意義、建設內容以及運行機制進行了闡述，以期待為該技術的開發和利用提供相關理論認識。
關鍵詞：基因工程；虛擬仿真；運行機制
基因工程技術在促進新產品的高質量產出方面具有非常大的優勢，被認為是21世紀最具發展前途的技術之一。該學科不僅要求學生具有非常扎實的理論基礎知識，而且還有精準的實驗操作能力和分析問題、解決問題的能力。而基因工程相關技術的學習和技術操作實踐需要借助于較大型的實驗儀器反復的操作練習，并且實驗所需試劑也非常昂貴，因此無論從設備試劑資源還是費用開支方面，都難以滿足學生進行大量的實際動手培訓和學習。隨著高校人數的日益增加，實驗設備和實驗室空間顯得越發不足和緊張。如何在有限的空間和經費的支持下，最大程度的讓學生在實踐操作中學習基因工程的理論知識，是每一所開設基因工程院校所亟待解決的問題。上個世紀80年代，美國的虛擬仿真技術的成功開發迅速引起了廣大科技人員的關注。該技術通過計算機的3D建模計術計算實驗室里不同視角下物體的間距和比例模擬生產一個虛擬的實驗環境，即將真實的實驗室環境模擬到計算機上形成一個虛擬實驗室界面，讓學生在線學習和操作。這種模擬技術如果應用于基因工程實驗模擬開發上，即可很好的解決基因工程院校設備資源不足和經費開支巨大的問題。
一、虛擬仿真實驗室的概念及其特點
虛擬仿真技術，出現于上個世紀的80年代末，當時美國弗吉尼亞大學的William Wolf教授提出了虛擬實驗室的概念，他的目的是用來描述一個“以計算機網絡化為基礎”的虛擬實驗室的環境。何為虛擬實驗室？即以計算機網絡為基礎，通過編程和設計，實現真實實驗室環境的再現，該環境的真實性一般要接近甚至優于真實環境。實驗者可以通過該軟件提供的虛擬實驗室界面，完成實驗前的培訓以及預實驗，并且軟件會根據相應的程序對實驗者的實驗過程進行評價。相對真實實驗室，虛擬仿真實驗室具有非常明顯的優點：（1）性價比高。虛擬仿真實驗室只需特定的軟件支撐，無序購買大量的昂貴設備，但是卻能讓學員感受到真實的實驗室環境。（2）目標明確。真實實驗室中，由于老師與學生都具有非常明顯的主觀行為，許多主觀行為的出現會干擾教學效果，而虛擬仿真實驗室可以直接進入主題，忽略許多無關緊要的細節，節約教學時間。（3）教學時間靈活。由于網絡的共享或者軟件的獨立性，這種仿真實驗室內的實踐操作可以打破空間的局限性，使得學員隨時隨地可以進行學習。
二、基因工程虛擬實驗室功能特點
基因工程虛擬仿真實驗室的設計與建立，一方面可以解決學校內部空間以及經費的緊張的問題，另一方面還可以使得學員在虛擬仿真實驗環境中學習基因工程相應的操作技術，做到學有所用，加強理論與實踐的結合。基因工程虛擬仿真實驗室的建設不僅需要生物技術專業知識，還需要計算機軟件編程設計相關知識，如何將二者有效的結合起來完成基因工程虛擬仿真實驗室的建設是該平臺落成的關鍵和難點。
1.“基因工程虛擬仿真實驗室”可實現網絡資源共享。軟件設計一方面可脫離網絡環境，軟件安裝在電腦上后，可以直接運行，讓學員可自由自主的學習和上機操作，且不受網絡的限制。另一方面，軟件可實現網上資源共享，通過個人賬戶登錄，學員之間可將成績、數據結果、疑難問題上傳實現遠程交流學習和討論，也可求助在線教師的指導。
2.“基因工程虛擬仿真實驗室”可實現軟件教學。學習平臺上除了有一個虛擬的操作平臺還可提供精簡優秀的教學頻頻及資料信息，讓學員能夠迅速地對抽象的理論概率有更直觀形象的理解，真正讓學員實現理論和實踐學習的結合。
3.“基因工程虛擬仿真實驗室”可具有良好的評價功能，這種評價應該分為“軟件自評”以及“教師評價”兩種層次。軟件自評可方便學員的自學，還會對實驗過程中出現的問題進行整理，以方便學員能夠及時更正，歸納和提升。教師評價可方便教師對學生的操作過程進行評定和指導。
4.“基因工程虛擬仿真實驗室”可具有干凈整潔甚至更加舒適的視覺美感。實驗本身是比較枯燥的，這在實際的實驗環境中是無法避免的；但是模擬環境中，我們可以充分的發揮設計人員的主觀能動性，增添模擬環境的一些美感和舒適感。
三、基因工程模擬仿真實驗室設計內容
本文主要是從總體上對“基因工程虛擬仿真實驗室”進行介紹，對于其中涉及到基因工程和計算機編程設計中相關專業知識不做詳細介紹。基于以上設計理念，我們將“基因工程仿真實驗室”的建設細分為以下幾個方面。
1.軟件主頁的設計。其實對于軟件本身而言，主頁界面可幫助學員迅速了解軟件的內容和如何使用該軟件。學員在該界面可以找到所有的操作命令，引導學員進一步的學習。主頁應該包括軟件版權問題的確認、軟件使用說明、學員賬號的注冊、“基因工程技術理論介紹”、“基因工程技術真實人員的操作過程演示”、“基因工程技術仿真模擬自練模塊”、“技術仿真模擬考核界面”、“操作人員實際操作情況評價界面”以及“群內操作人員操作情況對比界面”.
2.“基因工程技術理論介紹部分”內容的設計。該部分主要將基因工程技術所涉及到的生物化學、微生物相關的背景以圖示加簡明扼要的文字組成，學院進行模擬實驗操作前可以先對理論知識進行簡單的回顧，如果在理解時有其他問題需要尋求幫助時，可以啟動網絡連接窗口，進行網上搜索。這部分內容由于以教學為目的，可以考慮多增加動畫的演示，以使學員對理論知識有比較全面的認識。
3.“基因工程技術真實人員操作演示”內容的設計。該部分內容主要是首先向學員展示實際環境中，基因工程技術試驗操作的規范步驟。它的意義在于為學院實踐設定一個標準，同時可附有專業技師規范操作視頻，便于學員快速的學習和模仿。
4.“基因工程技術仿真模擬自練模塊”的設計。這一部分主要是為了模擬真實實驗課堂上學員對實驗步驟反復操作的過程。這個模塊設定了很多既定的操作規范，當學員操作不規范時，系統會發出警示，提醒和規范學員的操作，指導學員將該技術掌握規范。這個模塊也存在一個最終評價指標，只有學員達到了這個指標后才能進入下一步的考核階段。
5.“基因工程技術仿真模擬考核界面”的設計。該部分主要的目的就是考察學員對基因工程相關操作技術的掌握情況。這種界面主要包括考核日期的選擇、理論知識的考核，考核階段實驗器材的領取、實驗步驟的操作以及考核成績的查詢。學員可以根據自己的時間安排選擇合適的考核日期；并且還應該根據實驗需要選擇所需實驗器材等。
6.“群內交流”界面的設計。該模塊主要是為了方便注冊學員之間就技術難題，自己的操作體驗進行交流，這種交流信息的整合一方面可以幫助老師了解學員所關注的問題以及感興趣的話題，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驗室的運行管理規范
基因工程模擬仿真實驗室的運行也需要像專業實驗室一樣有一定的管理運行體制，以保證仿真實驗室順利運行。本仿真實驗室設置了以下幾個崗位：實驗室主任、軟件客戶端管理人員、軟件后臺數據處理與維護人員。與實際實驗室主任職責不同的是，仿真實驗室主任主要負責前期實驗室仿真軟件的規劃與人員的協調，當軟件設置成功后，主任主要是考察軟件運行時所涉及到的基因工程技術專業以及為了將來技術升級做好前期的考察，并且有能力組織相應的人員進行軟件的維護和更新。軟件客戶端管理主要負責客戶端界面的維護與升級。比如軟件是學校本身的資源，考慮到產權和專利所有權的問題，可設計相關密碼保護。一般在用戶界面會設有登錄界面，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化，整理出相應的數據報告，報告給主任，以此幫助新軟件開發。雖然基因工程模擬仿真實驗室的建設具有很強的實踐意義，它可以幫助學校節省建造專業實驗室以及購買新設備的經費，還可以方便學生對該技術的學習和反復的操作練習，但是現階段由于技術上的不足，仿真實驗室與真實實驗室之間還是存在較大差距。
主要有以下幾點：
（1）實驗過程有刪減。仿真實驗室為了節省時間，一般會省去許多無關緊要的細節部分，但是這些細節往往在真實實驗中是存在的，比如滅菌過程、平板的洗滌、以及實驗試劑的配備和存放等。而實驗試劑的配備和存放以及滅菌等相關過程需要實驗者的耐心和細心的能力是軟件平臺上還無法真實模擬的。
（2）電腦操作和實際操作的差距。這是目前仿真實驗室建立過程中遇到的典型的問題。因為學員主要依靠鼠標或者觸摸的辦法對模擬一起進行操作，但是真實實驗中很多的操作是需要手感的，因此仿真無法做到這一點。
總之，基因工程仿真模擬實驗室在幫助學員做到理論與實踐相結合，增加其對該部分知識的認知方面將會發揮很大的作用，雖然該實驗室的建立還會存在很多的問題，但是我們也堅信隨著計算機技術的迅速發展，還會有更加全面的技術會面世。
參考文獻：
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[2] 翟煒娜。 基于虛擬現實技術的虛擬實驗室的研究與實現[D].2003.
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